露天矿微差爆破振动对多层建筑的影响

操 鹏，钟冬望,，何 理，司剑峰,，黄小武

(1.武汉科技大学理学院，湖北 武汉，430065；2.中铁港航局-武汉科技大学爆破技术研究中心，湖北 武汉，430065)

露天矿微差爆破振动对多层建筑的影响

操 鹏1，钟冬望1,2，何 理2，司剑峰1,2，黄小武1

(1.武汉科技大学理学院，湖北 武汉，430065；2.中铁港航局-武汉科技大学爆破技术研究中心，湖北 武汉，430065)

基于十堰市高家沟堰口采石场爆破开挖工程现场试验，对矿山附近一栋多层建筑物进行爆破振动监测，分析了该建筑物不同楼层的振动速度及谐波频率的变化规律。结果表明：爆破远区的多层建筑物受爆破振动影响时，垂直方向振动速度随着楼层高度的增加而变大，水平方向振动速度随着楼层高度的增加而变小；爆破振动产生的谐波频率丰富，较高楼层谐波频率分布范围小于较低楼层且更接近建筑物的固有频率。

爆破振动；多层建筑；监测；振动速度；谐波频率

爆破以其高效、快捷等特点在露天矿山资源开采中得到广泛应用，在创造巨大经济效益的同时，也给周边环境带来了大量的问题，其中爆破振动带来的影响显得尤为突出。为此，人们对建筑物爆破振动效应进行了广泛的研究[1-3]。但由于露天矿山爆破工程实际中存在爆破技术方法多样、矿山周边环境复杂等各种不确定因素，爆破产生的振动对周边环境产生的影响也不尽相同。本文基于十堰市高家沟堰口采石场爆破开挖工程现场试验，对矿山附近一栋多层建筑物进行爆破振动监测，分析了该建筑物不同楼层的振动速度及谐波频率的变化，以期得到露天矿山微差爆破振动对附近多层建筑的影响规律。

1 爆破开挖振动测试试验

1.1 采石场概况

十堰市高家沟堰口釆石厂矿区位于湖北省十堰市城区马家河流域中游汇水支沟高家沟近沟脑段，矿区属构造侵蚀剥蚀低山山坡与丘陵交接部位。矿山周围环境复杂，矿区东北侧700 m处为阳九线铁路，西南面300 m附近有采石场矿部及部分民房分布。矿区所生产矿石主要为辉绿岩。

该爆破开挖工程主要为边坡开挖，边坡现状具有较好的稳定性，此次矿区边坡石方爆破试验采用中深孔微差爆破，孔深10 m，孔径90 mm，孔间距2.5～3 m，最小抵抗线为3～5 m。每次试验均为单排3孔延时起爆，孔间延时时间分别选择具有代表性的15、20、30、35 ms，试验中最大一段装药量均在35～40 kg之间,总药量为100～120 kg。

1.2 爆破振动监测

本次爆破试验测试对象为一栋5层居民楼建筑，距爆破现场约290 m，爆破现场与测点相对位置及地形如图1所示。该居民楼为砖混结构，整体高度为15 m。爆破振动监测设备采用武汉长江仪器自动化研究所生产的YBJ-III远程微型动态记录仪及其配套的分析软件，监测系统由传感器、振动监测仪和微型计算机等组成。

为了获得有效的数据，更好地分析多层建筑的不同楼层对爆破振动的响应规律，将振动测点分别布置在该楼房的一层、三层、五层楼梯口，测点对应水平面高度分别为0.3、6.3、12.3 m。

2 结果与分析

2.1 振动速度分析

图2所示为爆破试验中建筑物峰值振速随楼层高程的变化情况，由于现场试验测量中存在的误差，爆次3中垂直方向振速及爆次4中水平方向振速出现数据失真现象。由图2中可见，随着楼层高度每增加6 m，爆破产生的垂直方向振动速度峰值随之增加约45%，水平方向振动速度峰值则随之减小约33%。表明随着楼层高度的增加，垂直方向振动响应存在着放大现象，水平方向振动则表现出衰减趋势。其主要原因在于微差爆破振动作用的影响下，爆破地震作用下谐波频率范围较广，爆破振动持续时间较长，多层建筑表现出的振型较多，高阶振型对建筑反应产生的影响较大。大量研究[4-6]表明，建筑物在受爆破振动作用影响时表现出的振动响应不尽相同，与建筑物本身动力特性和结构自身的几何尺寸、结构形式及刚度等存在着极大的关系。

图2 峰值振速随楼层高度的变化

Fig.2 Variation of vibration velocity with the floor height

2.2 振动频率分析

图3所示为第一次爆破试验中一楼及三楼测点的垂向振动幅值谱。结合图2和图3可知，该建筑因爆破振动产生的振动速度处于0.25cm/s以下，振动频率处于10Hz以上，由此可知其安全不受爆破振动影响。

由图3中可以看出，幅值谱在不同频率阶段多次出现幅值峰值，表明爆破振动中能量分布较分散，因此《爆破安全规程》(GB6722—2011)[7]中仅采用主频率来分析爆破振动波对建筑物的影响是不全面的。根据图3所示频域波形主频高、峰值多的特点，采用主频率和主频带结合的方法，综合分析爆破振动波的频谱特性更具有全面性[8]。为此，本文根据振动波形频谱图将幅值谱主频划分为3个频带进行分析，如表1所示。

由表1可知，楼房一层所测振动主频带的低频和高频均值分别约为30.4、25.8、20.2 Hz和111.4、95.4、56.8 Hz。表明露天矿微差爆破振动对不同楼层振动主频带的低频影响不大，而对其高频的影响较大；随着楼层高度的增加，主频带的带宽向低频带集中。爆破远区多层建筑较低楼层比较高楼层的频率变化范围更宽，表明爆破地震波传入该楼房后，经楼房自身结构的叠加作用使原始爆破地震波主频率发生了较大的变化。

爆破振动波中包含丰富的谐波频率，本试验爆破振动实测波形中(见图3)存在3个能量较大的主震频带。冲击波作用引起的振动为高频振动，其振动随着传播距离的增加快速衰减，信号能量分布更加发散，因而距爆源较远处产生的振动以低频振动为主，其能量中心主要位于低频带，但在中高频段也存在分布不均匀的子震频带，表明在微差爆破振动中，由于地形条件及工程结构的复杂性，建筑物对爆破振动的响应具有多模态、多振型的特点。

表1 爆破振动主频带分布

Table 1 Band distribution of blasting vibration frequency

建筑物的固有频率在几赫兹至十几赫兹之间，当其固有频率和爆破振动频率接近时,将会产生共振效应，较小的振动也会产生较大的破坏。对该多层建筑而言，较高楼层的振动频率更接近建筑物的固有频率，因此对较高楼层的监测与防护更加重要，这与前面振动速度分析结果相吻合。

3 结论

(1)十堰市高家沟堰口采石场爆破开挖工程现场试验中，爆区附近的多层建筑因爆破振动产生的振动速度处于0.25 cm/s以下，振动频率处于10 Hz以上，其安全不受爆破振动影响。多层建筑一、三、五层每上升一层楼，垂直方向振动速度约增大45%，水平方向振动速度约减小33%。

(2)露天矿微差爆破振动产生的谐波频率能量分布较分散，其主震频带较宽，距爆源较远处信号能量主要集中在低频段；爆区周边多层建筑的振动频率受自身结构的叠加作用影响，多层建筑较低楼层的频率变化范围比较高楼层的频率变化范围分布更广泛。

(3)综合考虑振动速度和振动频率的影响，多层建筑较高楼层的监测与防护更加重要。

[1] 孙秀民，汪进玉.爆破振动对建筑物的影响评价研究[J].爆破，2008,25(2)：73-76.

[2] 窦梅林，史晓鹏,吴永刚,等.爆破振动对民房建筑的影响研究[J].现代矿业，2013(4):139-141.

[3] 王小红，李晓杰，闫鸿浩，等.高层建筑不同楼层对低频爆破振动的响应[C]∥郑炳旭.中国爆破新技术Ⅲ.北京：冶金工业出版社，2012.

[4] 姚道平，张艺峰，叶友权.测试分析爆破振动对建筑物的影响[J].化学工程与装备，2008(9):44-46.

[5] 中国生，房营光，徐国元.基于小波变换的建(构)筑物爆破振动效应评估研究[J].振动与冲击，2008,27(8)：121-124,129.

[6] 林键，林从谋，林立群.爆破振动荷载作用下3～4层房屋结构响应测试研究[J].振动与冲击，2010,29(3)：48-51,66.

[7] GB6722—2011.爆破安全规程[S].

[8] 郭学彬，肖正学，张继春.爆破振动频率特性的测试与研究[J].中国矿业，2004,13(9):68-71.

[责任编辑 郑淑芳]

Effect of millisecond blasting vibration in open-pit mine on the multi-storey building

CaoPeng1,ZhongDongwang1,2,HeLi2,SiJianfeng1,HuangXiaowu1

(1. College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China; 2. Blasting Technology Research Center of CRPCE-WUST, Wuhan 430065, China)

Based on the blasting excavation case in Yankou Quarry,Shiyan city,the blasting vibration of a multi-storey building near the mine was monitored,and the variation of vibration velocity and harmonic frequency on different floors of the building were analyzed.The results show that when the multi-storey building far from the blasting source has been affected by the blasting vibration,the vibration velocity in the vertical direction increases with the floor height while that in the horizontal direction decreases with the floor height.The harmonic frequency induced by the blating vibration is abundant,its distribution range on higher floor is smaller than that on lower floor,and the harmonic frequency on higher floor is closer to the inherent frequency of the building.

blasting vibration;multi-storey building;monitoring;vibration velocity;harmonic frequency

2014-11-17

国家自然科学基金资助项目(50774056,51174147)；湖北省自然科学基金资助项目(2012FFA135).

操 鹏(1990-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail:qccaopeng@126.com

钟冬望(1963-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail:zhongdw123@263.net

O382.2; TD235

A

1674-3644(2015)02-0122-04