爆破振动在层状岩体中的衰减特性试验研究

田乐， 蔡金龙， 高旭辉

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)



爆破振动在层状岩体中的衰减特性试验研究

田乐， 蔡金龙， 高旭辉

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

结合某滨海引水渠工程案例，采用现场爆破试验与爆破振动测试相结合的方法，获得了层状岩体场地条件下爆破振动沿不同路径的传播与衰减特征。结果表明：在层状岩体中，沿地层走向传播的爆破振动速度衰减最慢,垂直地层走向传播的衰减最快；对于本场地的陡倾角地层，穿越地层层理后的垂直向振动速度值小于同位置的水平切向振动速度值；另外，根据临近被保护物的振动速度控制要求和场地的各向异性振动传播特征，提出了采用分区爆破设计施工的振动控制措施，有效地保证了临近建筑物的安全和项目的整体建设工期。爆破振动危害的测试分析方法及成果可为类似工程案例的研究和施工提供借鉴与参考。

爆破振动;衰减特性；层状岩体;敏感区域;分区控制

爆破开挖的高效性，使其成为目前工程岩体开挖的主要手段。与此同时，爆破施工产生的应力波也会对周边环境造成危害，特别是在爆破设计缺乏针对性或施工监管不到位的情况下，强烈的爆破振动往往会造成附近建筑的结构开裂、变形甚至坍塌，危及人民生命财产安全。

影响爆破振动衰减特性的主要因素包括：岩体作为传导材料的阻尼特性，结构面对振动波的反射及透射削弱作用以及地形地貌条件对振动波的绕射消耗。其中岩体结构面的影响最为复杂，目前尚处于探索性研究阶段。例如：王明洋等[1]、李夕兵[2]通过理论研究，提出了应力波垂直通过单一线性结构面的理论模型和对应的透射、反射系数；Zhao等[3]、Cai等[4]、Li等[5]进一步对多平行线性变形结构面的应力波多次反射问题进行了研究，刘亚群等[6]、赵坚等[7]、Chen等[8]则借助于UDEC软件进行了数值模拟计算验证；Zhao等[9-10]、俞缙等[11]、宋林等[12]针对大幅值爆破振动的结构面非线性变形特性，研究了结构面非线性对应力波传播的影响规律与理论机制。随着试验手段和测试技术的进步，关于节理岩体应力波传播特性[13]、走向角度影响[14]以及透反射与衰减[15]方面的理论研究成果得到了一些研究者的试验验证。

然而，目前关于结构面对应力波传播规律影响的研究，理论方面都进行了简化，室内试验也是在忽略结构面张开度、填充情况、吻合度等因素影响的情况下进行的；并且都集中在结构面与岩层垂直或平行这两种理想条件下，与结构面复杂切割的实际工程岩体条件具有很大的区别，目前的研究成果还远不能满足精确控制工程爆破振动灾害的应用要求。

因此，笔者基于某滨海电厂引水渠爆破开挖案例，针对典型的层状岩体场地条件，利用现场爆破振动测试手段，获取了沿地层走向和斜交地层走向的振动特征，分析了爆破振动沿不同路径的传导特性，并针对现场的爆破设计施工提出了改进建议。在当前研究成果和实践经验均不能够满足实际爆破振动灾害控制需求的背景下，此次的测试数据与分析成果具有一定的实际意义，可为类似研究和工程提供参考。

1　工程概况

某滨海电厂的引水渠工程开挖现场布置如图1所示。引水渠截面设计为混凝土衬砌梯形，渠道底宽18 m、顶宽32 m，总长度2.6 km，拟采用爆破开挖。在距离引水渠开挖区域180 m左右有一处国家基本气象站，需要对爆破开挖引发的地面振动进行控制，避免对气象站的仪器和结构造成损坏。场地地层主要为中风化薄层—中厚层状白云质灰岩，走向NE25°～30°、倾向SE、倾角50°～55°，开挖后岩体现场照片如图2所示。

图1　工程现场布置示意图

图2　开挖后的岩层照片

在爆破振动监测过程中发现：在爆破参数基本相同的条件下，存在一个敏感施工区域，当爆破开挖部位与气象站处于同一岩层时，气象站处地质点的振动速度明显偏大。场地岩层的爆破振动传播具有非常明显的各向异性特征。

2　试验方案

为获取爆破振动沿不同路径的传播特性，提出满足于振动限制要求的爆破施工参数，在现场进行了爆破试验和振动速度测试，具体方案如下并如图1所示。

①在振动敏感区域，进行不同段药量的试验爆破；段药量从15 kg开始，每次增加5 kg直至45 kg。②沿爆破孔与气象站共同所在岩层(A传播路径)，布设3个振动速度监测点，编号分别为A1、A2、A3。③在与A1、A2、A3监测点平行、但没有爆破孔和气象站的地层(B传播路径)布设B1、B2、B3 3个振动速度监测点。④沿着引水渠走向(C传播路径)，布设C1、C2、C3 3个振动速度监测点。⑤根据爆源位置，每个监测点均布设水平径向、水平切向、垂直向3个振动速度传感器。振动速度测试采用TC4850型爆破测振仪。

根据振动速度监测结果，分别获得沿A、B、C传播路径的振动衰减规律，为后续的振动控制分析和爆破设计调整提供基础数据。

3　结果与分析

现场共进行了7次爆破试验，每次在不同传播路径上均各设3个监测点，A、B、C传播路径上均获得了21组振动速度数据，分别见表1—3。

表1　A传播路径的爆破振动速度测试结果

表2　B传播路径的爆破振动速度测试结果

续表

表3　C传播路径的爆破振动速度测试结果

对上述振动速度测试数据进行回归分析，可获得不同传播路径的振动速度衰减公式，并以之为基础，进一步根据气象台处的振动速度限值和爆源距离确定合适的爆破施工药量。

3.1振动速度衰减公式

《爆破安全规程》(GB 6722—2014)[16]建议采用萨道夫斯基经验公式将各个监测点的爆破振动速度数据进行回归分析，公式为

V=k·(Q1/3/R)α。

(1)

式中：V为爆破引起的最大地质点振动速度，cm/s；Q为单段炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段的段药量，kg；R为爆源距，m；k、α均为与爆破点至测点之间的岩性、地形和地质条件有关的系数和衰减指数。

3.2回归分析结果

气象站、爆破点及各测点间的高差很小，可按式(1)对各测点数据进行回归拟合，可以得到各传播路径上的爆破振动衰减公式参数，见表4。

表4　不同传播路径的振动速度衰减公式参数

试验爆破沿不同传播路径的水平径向、水平切向和垂直向的监测结果与回归曲线如图3所示。

由表4和图3可知：3个传播路径上的振动监测数据规律性较好，对应的振动速度衰减公式参数拟合计算的相关系数均较大，现场测试结果具有较高的可靠性。

图3　沿不同传播路径的振动速度及其回归曲线

3.3振动衰减特性分析

为了更直观地分析爆破振动沿不同路径的衰减特性，利用公式(1)和表4中的k、α参数值，分别计算不同传播路径和方向的爆破振动速度量值，计算结果如图4所示。

图4　不同传播路径的振动速度计算值

由图4可知：在爆源距相等的条件下，沿A传播路径的水平径向、水平切向及垂直向的地质点振动速度值最大，沿C传播路径的速度值最小、沿B传播路径的速度值居中。

岩体层理对应力波的传播存在一定的反射和透射削弱作用，层理越不平整、张开度越大、充填物性质越差对应力波传播的削弱效应越明显。由于A传播路径沿着岩体层理走向，穿过的层理面的数量最少，经历相同传播距离后的应力波削弱效应最弱，因此对应的爆破振动速度值最大；反之，由于C传播路径与岩层走向大角度相交，经历相同传播距离所穿越的层理面最多，应力波削弱效应强，对应的爆破振动速度值也最小。B传播路径介于A、C传播路径中间，对应的振动速度值也处于二者之间。

另外，对于每个传播路径上的3个方向，均是水平径向的振动速度值最大，水平切向的其次，垂直向的最小。各个传播路径的水平切向振动速度值均大于垂直向振动速度值，这是由于在本场地条件下，较密集的大倾角(50°～55°)层理对应力波的垂直向振动削弱效应较明显造成的。

3.4施工控制标准与方法

根据气象站相关管理部门要求，为保证气象站的正常运行和监测精度，需要对气象站处地质点的爆破振动进行严格控制，爆破施工引起该处的地质点振动速度值不得超过0.5 cm/s。

为给爆破设计和施工提供依据，需要根据气象站处的振动速度控制标准，利用爆破振动衰减公式获取适宜的爆破段药量。同时，为了尽量降低气象站处振动速度限制对爆破施工进度的影响，将振动敏感区、临近区、一般区域进行区分，并采用不同的爆破设计和施工参数。爆破施工控制分区如图5所示。

图5　爆破施工控制分区示意图

由图5可以看出：A传播路径上的爆破振动速度衰减最慢，同样药量引起气象台处的振动速度值最大。因此，将气象台基础沿着A方向所对应的引水渠爆破开挖范围定义为敏感区域；对应地，B传播路径对应的爆破开挖范围定义为临近区域，为保证气象站处的安全，根据经验并结合现场测试结果，临近区域的长度设为30 m，其余区域定义为一般区域。

根据不同传播路径上的爆破振动衰减规律进行计算，可以得到气象站处地质点的爆破振动速度与不同传播路径上爆破施工的允许段药量之间的关系，如图6所示。由图可知：当气象站处地质点的爆破振动速度为0.5 cm/s时，A、B、C传播路径上(分别对应于敏感、临近、一般区域)允许的爆破施工段药量分别为52、195、420 kg。

图6　气象站处振动速度与允许段药量之间的关系

3.5分区开挖方案的振动控制效果

由于此次爆破施工采用毫秒微差起爆网络，临近区域和一般区域最大段药量限制基本不会对正常的爆破设计和施工造成影响。

对于振动敏感区的爆破施工，设计单位根据控制标准对爆破方案进行了优化，采用分层爆破和逐孔微差起爆的方式，降低了单次起爆的段药量(实际按照不大于45 kg设计)和爆破振动强度。

跟踪监测结果表明，采用上述控制方案的爆破施工，气象站处的振动速度值均小于0.5 cm/s，有效地保证了气象站的正常运行。同时，由于采用分区控制方式，爆破振动限制对整个引水渠开挖的整体进度影响不大，保证了建设项目的按期完工。

4　结语

结合某滨海引水渠工程案例，利用爆破试验与振动测试相结合的手段，获取了层状岩体条件下爆破振动沿不同路径的传播规律；并基于试验和测试结果，确定了保证临近建筑物安全的爆破施工参数，有效地保证了临近建筑物的安全和项目的建设工期。主要得到以下结论：

1)在层状岩体中，爆破振动沿地层走向方向传播的衰减速度最慢；并且，随着传播方向与地层走向夹角的增大(≤90°)，爆破振动强度的衰减加剧。

2)在研究区高倾角层状岩体场地条件下，垂直向爆破振动在穿越层理面后的强度衰减较明显，实测值小于同点位的水平切向振动速度值。

3)对于层状岩体场地条件并存在被保护建筑物的爆破施工，应通过爆破振动现场测试来确定爆破振动沿不同路径的衰减特性；根据被保护建筑物与爆源之间的位置关系，确定振动敏感施工区域；针对不同区域的振动危害程度，分别制定控制标准和施工参数，以尽量降低对爆破施工进度的影响。

[1]王明洋，钱七虎.爆炸应力波通过节理裂隙带的衰减规律[J].岩土工程学报，1995，17(2)：42-46.

[2]李夕兵.论岩体软弱结构面对应力波传播的影响[J].爆炸与冲击，1993，13(4)：334-342.

[3]ZHAO J,ZHOU Y X,HEFNY A M,et al.Rock dynamic research related to cavern development for ammunition storage[J].Tunnelling and Underground Space Technology,1999，14(4)：513-526.

[4]CAI J G,ZHAO J.Effects of multiple parallel fractures on apparent attenuation of stress waves in rock masses[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2000，37：661-682.

[5]LI J C，MA G W.Analysis of blast wave interaction with a rock joint[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2010，43(6)：777-787.

[6]刘亚群，李海波，李俊如，等.爆破荷载作用下黄麦岭磷矿岩质边坡动态响应的UDEC 模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(21)：3659-3663.

[7]赵坚，陈寿根，蔡军刚，等.用UDEC 模拟爆炸波在节理岩体中的传播[J].中国矿业大学学报，2002，31(2)：111-115.

[8]CHEN S G,CAI J G,ZHAO J.Discrete element modelling of an underground explosion in a jointed rock mass[J].Geotechnical and Geological Engineering,2000，18：59-78.

[9]ZHAO J,CAI J G.Transmission of elastic P-waves across single fractures with a nonlinear normal deformational behavior[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2001,34(1):3-22.

[10]ZHAO J,CAI J G,ZHAO X B,et al.Dynamic model of fracture normal behaviour and application to prediction of stress wave attenuation across fractures[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2008,41(5):671-693.

[11]俞缙,钱七虎,林从谋,等.纵波在改进的弹性非线性法向变形行为单节理处的传播特性研究[J].岩土工程学报,2009,31(8):1156-1164.

[12]宋林,闫玉湛,韩八晓,等.非线性变形节理中纵波传播特性的理论研究[J].应用力学学报,2012,29(2):133-140,236.

[13]李刚，陈勇.节理岩体应力波传播试验研究[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2016，34(2)：204-206.

[14]刘际飞，璩世杰.节理走向角度对爆炸应力波传播影响的试验研究[J].爆破,2014，31(2)：57-66.

[15]孙冰，郭闪闪，曾晟，等.应力波在层状节理岩体中的透反射与衰减规律[J].防灾减灾工程学报,2015，35(12)：828-832.

[16]全国安全生产标准化技术委员会非煤矿山安全分技术委员会.爆破安全规程：GB 6722—2014[S].北京：中国标准出版社，2014.

(责任编辑：乔翠平)

Experimental Study on the Attenuation Characteristic of Blasting Vibration in Straepsied Rock Masses

TIAN Le, CAI Jinlong, GAO Xuhui

(Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)

Combining on-site blasting experiment with blasting vibration test, the characteristics of propagation and attenuation of the blasting vibration under the straepsied rock masses were obtained. The results showed that the vibration velocity attenuated lowest along the direction of the formation, and the fast in the vertical direction. For the steep dip layer in this site, the vertical vibration velocity was larger than the horizontal after going through the bedding. Furthermore, based on the requirement of vibration velocity near the protected building and the characteristics of anisotropic propagation, the control measures of partition blasting and excavation were proposed. It has effectively ensured the safety of the building and the construction period of the project. The analysis methods and results of blasting vibration test can provide a useful and important reference for the similar construction cases.

blasting vibration; the characteristics of attenuation; straepsied rock masses; sensitive area; district control

2016-06-16

田乐(1982—),男,河南漯河人,工程师,主要从事水利水电工程地质勘察方面的研究。E-mail:17887185@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.05.015

TV131.6

A

1002-5634(2016)05-0082-06