爆破振动与塌落触地振动特点及传播规律试验研究

季 杉， 谢伟平， 王 礼(武汉理工大学 土木工程与建筑学院，武汉 430070)

爆破工程引起的振动主要是包括两方面的振动：炸药自身爆炸引起的爆破振动和爆炸物塌落触地引起的振动。模型试验，特别是1∶1的足尺试验研究是掌握这两类特点和传播规律的有效手段。

目前关于爆破的试验研究十分丰富，但大部分集中在采矿工程[1]、岩石工程[2]和隧道建设[3]中，而关于地表一般建筑物、高架桥梁爆破试验研究方面相对较少。Pijush等[4]研究了控制爆破技术在某水电站防护墙体爆破拆除中的应用，并探讨了爆破拆除引起的坍塌振动对临近坝体安全的影响；Cho等[5]进行了足尺单柱爆破试验，研究了混凝土材料碎片形式及数量对地面振动响应的影响；Fujikake等[6]研究了预应力混凝土柱子在不同阶段的爆炸响应及其对周边的影响；Uenishi等[7]基于预应力混凝土单柱的爆破试验结果与有限差分理论，建立了一种适用于混凝土单柱爆破的三维计算分析方法，结果表明该方法能较好的模拟爆破全过程。褚怀保等[8]进行了相关试验，研究了爆炸荷载作用下混凝土试块带损伤时的爆破振动传播规律，结果表明多次爆破时确定振动安全阈值及爆破振动波传播衰减规律时应充分考虑损伤累积效应。廖大学等[9]通过现场试验探讨了爆破振动的主频率对振动速度的影响规律，并基于试验数据给出了相关的经验公式。但城市高架桥方面的研究相对较少，在国内城市建设飞速发展的推动下，早期的高架桥工程不能满足现代城市发展的需要，由此针对高架桥的研究逐渐增多。如谢先启等[10]针对复杂环境下城市高架桥爆破拆除工程的特点，提出了精细爆破关键技术；贺五一等[11]等基于复杂环境下城市高架桥控制爆破拆除技术，改进了爆破方法；刘昌邦[12]则探讨了城市高架桥爆破过程中的力学机理，并进行了单跨模型失稳塌落过程试验研究。Zhao等[13]计算分析了某城市高架桥爆破拆除对临近地铁隧道的影响，结果表明为保证临近隧道安全，必须采取措施降低爆破坍塌物引起的地基振动。从上述已有研究可以看出，虽然目前针对坍塌触地振动已有大量研究，既有理论分析也有试验研究，但理论研究方面基于过多的简化和假设，而试验方面多以单柱为主，其坍塌触地振动效应的代表性有限。基于此，本文结合某城市大型高架桥爆破工程，制作了1∶1足尺单柱模型和单跨桥梁模型，基于试验监测数据，先对比分析爆破振动与坍塌触地振动的差异，然后分析了坍塌触地振动的传播规律。

1 工程概况

本次爆破拆除高架桥由引道与主桥两部分组成，总长度达3 476.5 m，横跨5个十字路口，且位于城市闹市中心，周边建筑物密集且地下管线复杂。因此，对爆破及塌落触地引起的振动要求严格。

该桥主桥为先张法部分预应力混凝土空心板，主桥共22联，联长为128～144 m，分8孔一联和9孔一联两种，以16 m跨径为主要跨径，主体部分桥梁底部距离地面的高度为5.00～5.30 m。全桥不同跨径预制板高度均为0.80 m，板宽相同，中板板宽为1.00 m，位于外侧的边板板宽为2.47 m，位于桥中心线的内边板板宽为2.20 m。下部构造为隐蔽式钢筋混凝土暗帽梁，梁高0.90 m。桥墩为双柱式钢筋混凝土墩，全桥桥墩界面尺寸相同：0.55 m×1.00 m。试验场地地面为普通场地，没有混凝土地面。

2 试验设计

2.1 原型选择及试验类型

通过选取有代表性的桥墩，按相同尺寸、配筋在试验场进行浇注，修建2个独立墩柱模型和1个4墩柱单跨桥体模型。在独立的墩柱进行试爆试验，在4墩柱单跨桥体模型加载原桥荷载后进行塌落触地振动试验和对地下管线冲击破坏试验。通过模型试验结果分析，确定墩柱炸药单耗、防护形式以及爆破振动、塌落触地振动效应，从而建议相应的保护措施，确保工程安全。依据上述主桥的主要参数，本次试验选取主要的16 m跨径为试验对象，柱子采用C60混凝土浇筑，其尺寸为：1.000 m×0.550 m×5.00 m(长×宽×高)。图1为爆破试验场地布置平面图，图1右边的1#、2#独立墩柱模型建在土层上(表层并无混凝土)，用于爆破试验；左边的为4墩柱单跨桥体模型，用于塌落触地振动试验，桥面施加配重钢结构。先进行1#爆破试验，2 d后进行2#墩爆破试验，10 d后进行单跨桥体试验，其中5#与6#立柱先爆破，经0.31 s后，3#与4#立柱进行爆破(见图2、图3)。

(a) 平面图

(b) 剖面图图1 试验现场示意图Fig.1 Schematic map of testing site

(a) 1#墩柱爆破

(b) 2#墩柱爆破图2 单柱爆破试验测点布置平面图Fig.2 Layout plan of monitoring points for single column blasting test

图3 单跨梁体爆破试验测点布置平面图Fig.3 Layout plan of monitoring points for single span bridge blasting test

2.2 爆破参数设计

炮孔采用沿长边方向布一排钻孔，沿中心线布设，炮孔间距0.3 m，图4为布孔示意图。采用空气间隔装药结构。单孔装药形式为：孔底装炸药100 g，中间间隔0.3 m，然后再装炸药100 g，堵塞0.25 m(见图5)。所有墩柱均钻孔爆破，炮孔内装MS16段(1 020 ms)导爆管雷管，桥墩间延时310 ms(MS9段)。

图4 布孔示意图(cm)Fig.4 Schematic diagram of holes (cm)

图5 装药示意图(cm)Fig.5 Schematic diagram of dynamite in holes (cm)

2.3 监测方案

每次试验布置了4个速度振动监测点，其中1#墩柱爆破时监测点为A,B,C,D点(见图2(a))；2#墩柱爆破时监测点分别为E,F,G,H点(见图2(b))，各点均设于桥墩上。单跨梁体塌落触地振动试验监测方案,如图3所示。设置4个速度振动监测点(I,J,K,L点)以及1个加速度监测点(AA点)。其中：I,J测点位于房屋柱子基础上，距离爆区边缘75 m和66 m；K,L测点布置在土表面，距离爆区边缘为45 m和38.2 m。加速度测点(AA点)布置在已爆破过的1#墩柱上。现场实际模型图,如图6所示。

3 试验结果

限于篇幅，同时考虑到以安全评价为主，因此本文仅给出速度监测结果，并由时程曲线得到其富氏谱，从而确定其主频率。

图6 试验现场照片Fig.6 Pictures of testing site

3.1 单柱爆破试验结果

表1为1#墩柱爆破时各监测点三个方向的速度幅值监测值及对应的主频率值，图7为测点A和D在三个方向速度响应时程及其频谱曲线，由图7及表1可知：①由于监测点均设置在相邻柱子上，爆炸时产生的冲击波通过压缩空气以及土层传递给相邻柱子。对于离爆源距离较近的A监测点，此时爆炸的能量主要通过压缩空气快速传递给相邻柱子，少量则通过土层传递给相邻柱子，因而此时水平速度大于竖向速度，而对于距离爆源较远的B,C,D点，由于压缩空气传递的能量急剧衰减而占次要地位，由土层传递的振动能量则占主要地位，因而B,C,D点的竖向速度大于水平速度；②各点各方向速度处于0.05～1.36 m/s，小于规范建议的一般建筑结构的振动速度限值，且随着距离的增加衰减十分迅速；③各测点三个方向速度响应的主频率均为17 Hz，远离一般建筑物卓越频率。

表1 1#墩爆破试验振动监测结果Tab.1 Monitoring results of blasting test on the 1# column

综合上述分析，从响应的幅值和频率两方面来看，由于爆破是个极短的过程，而且爆破源与对象之间一般是空旷的空间，因此，爆破振动速度在空气中衰减十分迅速，再考虑到其频率远离对象的频率，可见爆破本身引起的振动的影响十分有限。

由图7及表1可知：①随着测点距离的增加，各方向速度逐渐衰减；②其中水平切向速度最大，垂直方向速度最小；③径向振动主频率约为15 Hz，而竖向和法向约为10 Hz。

(a) A点径向

(b) A点竖向

(c) A点切向

(d) D点径向

(e) D点竖向

(f) D点切向图7 1#墩爆破A点和D点振动速度时程及其频谱曲线Fig.7 Velocity time history and their Fourier spectrum curves at point A and D for 1# column blasting

表2为1#墩柱爆破时各监测点三个方向的速度幅值监测值及对应的主频率值，图8为测点F和H在三个方向速度响应时程及其频谱曲线，由于已受到1#墩柱爆破震动的影响，此时的监测的速度幅值变化规律性不是很明显(见图9)。但总的趋势还是一致的：随着距离的增加，速度响应的幅值显著降低，各点三个方向速度响应主频率在14 Hz左右附近波动。

表2 2#墩爆破试验振动监测结果Tab.2 Monitoring results of blasting test on the 2# column

通过观察高速录像可以看出，各孔内雷管的起爆误差<20 ms，实测波形可以看出在<200 ms为高频振动，判断该段为爆破振动，随后有持续的低频振动。

3.2 桥体整体塌落触地爆破试验

每个桥墩钻13个炮孔，装药量2.76 kg，4个桥墩总计装药量11.04 kg，5#立柱与6#立柱首先爆破，经过0.31 s后，3#立柱与4#立柱进行爆破。

3.2.1 速度监测结果

本次试验监测了4个测点的速度响应，测点布置图,如图3所示。表3和图10分别为各测点速度响应幅值及其变化曲线，图11为测点I和K速度响应的时程及其频谱曲线。由图10、11及表3可知：①测点I的幅值最小，测点L的最大，表明随着距离的增加速度逐渐衰减；②测点K,L的响应大于测点I,J的，一方面是测点I,J距离震源外边缘稍远，另一方面最主要的原因在于测点K,L位于土体表面，其振动主要来自于振动波在土体中的传播；③各点各方向速度值在0.1～0.6 m/s，特别是位于既有结构基础上的测点I,J，其速度幅值均较小，依据现有规范，表明结构安全不受影响；④各点各方向速度振动主频率在4～9 Hz，与一般建筑结构的前几阶频率较为接近，因而有引起结构共振的可能。

(a) F点径向

(b) F点竖向

(c) F点切向

(d) H点径向

(e) H点竖向

(f) H点切向

图8 2#墩爆破F点和H点振动速度时程及其频谱曲线

Fig.8 Velocity time history and their Fourier spectrum curves at pointFandHfor 2# column blasting

(a) 1#墩柱爆破

(b) 2#墩柱爆破图9 1#和2#墩柱爆破时各测点速度幅值变化曲线

Fig.9 Changing curves of velocity amplitudes at each point in three directions

3.2.2 加速度监测结果

本次试验仅监测了一个点的加速度响应，测点AA位于前期已爆破掉的1#墩柱残余混凝土上，如图3所示。表4给出了2#墩柱爆破与单跨梁体塌落触地引起得测点AA的加速度幅值。由表4可知：①从幅值来看，尽管单跨梁体塌落触地振动试验中各测点距离震源外边缘的距离远大于2#墩柱爆破试验时测点的距离，但触地振动引起的加速度幅值更大，约为爆破振动引起加速度的6倍；②从主频率来看，由爆破振动引起的加速度频率远远大于触地振动引起的频率。

表3 单跨梁体塌落触地振动测试结果Tab.3 Monitoring results of blasting test on the singlespan bridge

图10 单跨梁体塌落触地振动速度幅值变化曲线Fig.10 Changing curves of velocity amplitudes at each monitoring point

(a) I点径向

(b) I点竖向

(c) I点切向

(d) K点径向

(e) K点竖向

(f) K点切向图11 测点I与K三个方向速度时程及其频谱曲线Fig.11 Velocity time history and their Fourier spectrum curves at point I and K along three directions

表4两类试验振动加速度幅值监测结果

Tab.4Monitoringresultsofvibrationaccelerationforthetwokindsofblastingtests

测点震源水平切向振动竖直向振动水平切向振动峰值/(m·s-2)频率/Hz峰值/(m·s-2)频率/Hz峰值/(m·s-2)频率/HzAA2#墩柱爆破0．20>300．000．26200．000．21125．00塌落触地1．2716．601．259．801．3910．70

3.3 试验对比分析

单柱爆破试验用于探讨爆破振动的特点及其传播规律，单跨梁体的塌落触地试验用于研究塌落触地振动的特点及其传播规律，基于上述试验结果及对比分析，可有如下结论：①振动响应随着距离的增加而显著衰减；②不同位置处的振动影响程度取决于爆破距离；③就速度幅值而言：单柱爆破试验的测点距爆破桥墩5～21 m处，速度在0.05～1.3 m/s；桥体整体塌落触地试验的速度测点距爆破桥墩45～75 m，速度在0.1～0.6 m/s，由此可见触地振动引起的速度响应更剧烈，同时爆破振动引起的速度衰减更快；④就加速度幅值而言：尽管测点距离较远，但塌落触地振动引起的加速度比爆破振动引起的加速度大6倍，触地振动引起的加速度响应更剧烈；⑤就主频率而言，触地振动引起的速度响应的主频率约为10 Hz，属于低频振动；爆破振动引起的速度响应的主频率>125 Hz，属于高频振动，而高频振动很容易在传播过程中衰减掉，可见触地振动引起的频率更小且频率接近一般结构基频或前几阶频率。因此，在爆破工程中塌落触地振动比爆破自身引起的振动影响更大，在实际的爆破工程中可以只考虑塌落触地振动的影响。

4 结 论

本文基于某实际高架桥梁的爆破工程，制作了2个足尺单柱模型以及一个单跨梁体模型，通过足尺模型试验，获取了墩柱爆破以及单跨梁体塌落触地引起的振动特点及其传播规律。数据分析表明：

(1)塌落触地振动引起的速度和加速度响应更显著，且其频率成分更接近于一般结构的基频或前几阶频率，因而实际爆破工程中应更关注于塌落触地振动的影响。

(2)在传播规律方面，爆破和塌落触地引起的振动均随距离的增加而显著衰减，但在评价振动响应时，应依据震源与被评价对象的距离确定以竖向振动还是水平振动为主或取二者的综合。

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