城镇引水工程爆破施工振动监测与控制技术

朱金彪

（新疆水利水电勘测设计研究院物探队，新疆 昌吉 831100）

爆破振动测试是爆破施工的重要环节，一是爆破的方法和爆破的参数会影响爆破地震的强度，通过振动监测可指导爆破施工，增进爆破施工效率；二是确保大坝坝体的安全运行。

随着爆破技术的快速发展，爆破施工在水利水电工程得到了广泛应用，这在一定程度上大大降低了工人的劳动强度，同时也提高了施工效率，但这也给周围环境和构筑物带来了负面效应，尤其是爆破地震波引起的爆破振动，如果不加以监测和控制，就会严重影响工程体的质量和结构安全。因此，在取水首部工程进行爆破挖方施工时，为最大限度地降低爆破振动的危害，确保水利大坝坝体的安全运行，必须对爆破挖方引起的爆破振动进行实时监测，并以此作为后期开挖施工的理论指导和设计参照。

1 爆破振动监测与分析

1.1 工程概述

某城镇引水工程取水首部工程段需爆破挖方，该爆破段距离某水利枢纽大坝较近（最近处距左副坝头约 150m左右），为了解爆破是否对该坝体的安全运行产生振动影响，受某工程局新疆工程项目部的委托，新疆某物探队对该水利枢纽大坝坝体0+380处、0+870处及1+105处进行了爆破振动监测。

1.2 工作布置、方法与技术

1.2.1 爆破振动监测系统

此次爆破振动监测工作采用速度传感器、屏蔽电缆、SWS-1G多功能工程检测仪组成的观测系统，速度传感器型号CD-7-S，灵敏度600mV/(cm·s-1)，误差为±5%。

1.2.2 振动监测方案

振动传感器在测试点坝面沿东西、南北、垂向三方向呈等边三角形布置，传感器间距60cm。监测位置和爆破点位置由该水利枢纽管理处工作人员现场指定。分别在渠线桩号（0+670～0+690、0+690～0+700、1+073～1+093）布置了三处爆源（B1～B3），B1炮孔20个，炮孔深度6m（有5孔2.5m），单孔最大装药量 12 kg，总药量 192 kg；B2炮孔9个，炮孔深度6m，单孔最大装药量12kg，总药量 72kg；B3炮孔19个，炮孔深度6 m，单孔最大装药量13kg，总药量216kg；3处爆源炸药均为乳化炸药，起爆方式为孔间毫秒级延时起爆。对应监测点分别位于大坝轴线桩号 0+380、0+870、1+105（J1～J3）处。

1.3 爆破振动观测物理量的选择

爆破振动是工程爆破作业所带来的附加效果，其会给爆破区附近构筑物的安全带来严重威胁。目前，国内外相关的研究学者加强了对爆破振动的特性、爆破衰减规律及振动安全标准的研究工作，研究发现，与其他衡量爆破振动强度的物理量相比，单一的质点振动速度更能反映爆破产生的振动效应，许多国家以此为依据制定了相应的爆破振动安全标准。

然而，近年来随着进一步深入研究，人们发现在不同的爆破条件下，即使有相同的地面质点振速峰值，其振动频率和振动持续时间也有很大的差别。对于相同的建筑物，在振速相同的条件下，振动频率和振动持续时间的不同对建筑物的结构动力影响也不一样。这种靠单一质点振速峰值来评判爆破振动强度的方法存在一定的缺陷和不足，爆破地震波具有衰减快、频率高、持续时间短的特点，与振动持续时间相比，振动频率对建筑物有更加明显的破坏作用，因此目前一些国家在制定新的爆破振动安全判据时，普遍考虑了振动速度与频率的共同影响，制定了以不同频率范围的振速控制标准。

我国最新颁布的《爆破安全规程》(GB6722-2003)也有明确规定，对于爆破强度的判定不能单依靠单一质点振速峰值，要结合振动频率进行综合评估。虽然人们已经认识到了振动频率在爆破振动危害中的重要作用，也认可振速-频率联合判据的方法。但就目前而言，人们还只是定性地分析振动频率在爆破振动危害中的作用，主要还是采用以质点振动速度峰值为主的标准来进行爆破振动衰减规律的预测研究。

1.4 爆破监测成果及分析

1.4.1 监测成果

此次爆破振动监测工作共进行了3次爆破，观测到3组有效振动信号。监测成果如下所示。

J1点观测到的质点振动速度最大值：Vx=0.142，Vy=0.137，Vz=0.167，合成速度 V =0.258cm/s，振动主频为15～18Hz,实测振动波形见图1。

图1 J1点实测振动波形图

J2点观测到的质点振动速度最大值：Vx=0.139，Vy=0.102，Vz=0.167，合成速度V=0.240cm/s，振动主频为17～25Hz,实测振动波形见图2。

图2 J2点实测振动波形图

J3点观测到的质点振动速度最大值：Vx=0.042，Vy=0.040，Vz=0.102，合成速度V=0.117cm/s，振动主频为18～21Hz，实测振动波形见图3。

图3 J3点实测振动波形图

1.4.2 爆破振动监测成果的回归分析

（1）回归数学模型。此次振动监测实验采用振动速度作为判断依据，以爆破最大振动速度作为物理量进行数据监测和分析，爆破震动监测工作,必须找出适合该地区特定的爆破震动衰减经验公式，各测点高程差在0.5～1.5m之间，不必考虑高程差对地震波传播影响，故爆破强度衡量标准可用下面的幂函数形式进行回归计算。

式中：V——质点最大振动速度，cm/s；

Q——最大单响的装药量，kg；

R——测点到爆源的距离，m；

β——常数,一般取 1/3；

K、α——分别为衰减系数和衰减指数。

（2）回归结果及分析。通过对观测结果的回归分析，得到的数据相关性较好，3次爆破试验数据的相关系数均在 0.9以上，这就说明按公式(1)进行回归分析，在对数坐标系中，数据有良好的线性相关性。分析爆破振动监测实验数据还可以得出，装药量和炮孔深度对质点振速峰值也有很大的影响，炸药是爆破振动的能量源，装药量越大振动效果越明显，而且装药量对爆破衰减规律也有一定影响，炮孔深度较装药量而言影响更加明显。

各测点实时监测数据对比如表1所示。

表1 爆破振动监测数据综合对比

在《爆破安全规程》（GB6722-2003）6.2条款的相关规定中没有心墙坝的爆破振动安全标准，但参照水工建筑物允许爆破振动最小的电站厂房区最大振动速度不大于 0.5cm/s，此次振动监测最大振动速度值为V =0.258cm/s，小于该电站厂房的安全允许振速，而且各次爆破振动监测结果表明，振动主频率主要分布在 15～25Hz之间，其振动主频率的范围符合爆破安全规程的要求。因此在与该次监测相同爆破药量和相同爆破方式下产生的振动，对大坝坝体的安全运行不会造成有害的振动影响。

2 爆破振动控制技术

（1）控制单孔最大装药量。由式(1)可得，在其他条件相同的情况下，爆破地震中质点振动速度与最大单响的装药量成正比，爆破药量决定了爆破能量的大小，适当地降低装药量可达到爆破减震的目的。

（2）采用多段微差爆破。微差爆破能有效地在时间和空间上分散地震波的能量，降低单响药量。多段微差爆破就是以毫秒的时间间隔起爆炮眼分组，以增多辅助自由面，使后一段爆炸产生的地震波与前一段地震波相互叠加，增加岩块相互间碰撞挤压作用以及地震波的相互干扰并相互补充，这在很大程度上可减弱炸药爆炸的地震效应。

（3）改变装药结构，控制炮孔装药密度。合理地改变装药结构可以控制爆破能量的释放方式，降低震动效应。

（4）采用预裂爆破。预裂爆破能阻隔地震波向外传播，是爆破施工中良好的减震措施，效果明显。

3 结 论

振动监测在对水利工程爆破施工过程中具有十分重要的作用，利用爆破振动监测技术，对监测点进行振动强度预测，从而可以有针对性地改进爆破方案，采取科学合理的爆破振动控制技术，降低爆破振动对水利枢纽大坝坝体的影响。

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[2]刘维柱.田湾核电站负挖爆破地震波衰减参数的回归与分析[J].爆破,2003,20(2).

[3]朱传云.三峡永久船闸槽挖爆破振动影响分析.爆破,1999(2)

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