中欧爆破振动标准比较

王 燕，孙伟博，佟彦军

(1.西安科技大学能源学院，西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，西安 710054；3.北方特种能源集团有限公司，西安 710061)

工程爆破在经济建设中发挥着重要作用，同时爆破对建筑物和周围环境也造成的一定的影响[1]。由爆破引起的爆破振动、爆破空气冲击波、噪音、爆破飞石和有毒气体是工程爆破的5大危害，其中，爆破振动是危害之首[2-3]。为此，国内外对爆破振动进行了长期的研究[4-7]，并通过制定爆破振动安全允许标准的方式规范工程爆破施工，以期控制爆破振动对建筑物和周围环境的影响。由于爆破振动问题的复杂性，世界各国针对不同的振动源和保护对象都有着不同的标准。随着我国工程项目的全球化，在美洲、非洲、欧洲等地区有越来越多中国企业开展爆破工程。了解各地区爆破振动标准的特点，对于企业在爆破作业期间控制爆破振动，保护环境有着重要的意义。欧洲40多个国家和地区基本都有自己的爆破振动标准，相同区域国家的爆破标准比较接近，笔者有代表性的分别从南欧、西欧和北欧选取德国建筑物振动标准DIN 4150、西班牙爆破振动标准UNE 22381、瑞典爆破振动标准SS 4604866，并结合我国爆破安全规程GB 6722-2014中对爆破振动方面的规定，从保护对象、安全允许质点振动速度和质点振动速度确定方法3个方面探讨标准之间的异同点。

1 保护对象

西班牙UNE 22381标准[8]中保护对象分为3类，第1类：工业建筑及仓库；第2类：住宅楼、办公、购物和娱乐等建筑物以及对振动没有特别敏感的古迹；第3类：对振动敏感的古迹。德国DIN 4150标准[9]中保护对象分了3类。第1类：商业、工业及类似建筑物；第2类：住宅类建筑物；第3类：其他对振动敏感的建筑物。同时对管道的振动也按材质不同分了3类进行了限定，第1类：钢管及焊接钢管；第2类：黏土，混凝土，钢筋混凝土，预应力混凝土，其他金属管；第3类：石材，塑料管。瑞典SS 4604866标准[10]中保护对象分为5类。第1类：重型结构，例如桥梁，码头，防御设施等；第2类：预制构件的工业和办公楼；第3类：普通住宅；第4类：特别敏感的普通建筑物、高拱形建筑物或大跨度建筑物；第5类：特别敏感的历史文化建筑物等。我国GB 6722-2014标准[11]中保护对象分为10类：包括土窑洞、土坯房、毛石房屋；一般民用建筑物；工业和商业建筑物；一般古建筑与古迹；运行中的水电站及发电厂中心控制室设备；水工隧洞；交通隧道，矿山巷道；永久性岩石高边坡和初凝至28 d的新浇大体积混凝土。从保护对象分类上来看，在建筑物方面我国标准与德国标准接近，在古迹方面，我国标准与西班牙标准接近。不同之处在于德国标准对管道做了单独的分类，西班牙和瑞典标准对古迹进行了分类，而我国标准涵盖的范围更广泛。

2 安全允许质点振动速度

2.1 西班牙UNE 22381标准

西班牙UNE 22381爆破振动标准中对安全允许质点振速的要求如表1所示。

表1 安全允许质点振动速度(UNE 22381)

当振动频率为15～75 Hz时，按式(1)计算安全允许质点振动速度。

v=2πfd

(1)

式中：v为质点振动速度，mm/s；f为频率，Hz；d为允许位移，mm。

同时，于双对数坐标系中建立与表1标准对应的质点允许振动速度与频率关系(见图1)。

图1 安全允许质点振动速度与频率关系(UNE 22381)

图中不同频率下质点的安全允许振动速度值具有唯一性。例如，频率为20 Hz时第3类保护对象的质点安全允许振动速度为5.278 mm/s。

2.2 德国DIN 4150标准

德国DIN 4150振动标准将振动分为短期振动和长期振动2种。短期振动是指不足以引起结构疲劳破坏且不会产生共振的振动信号。不属于短期振动范畴的即为长期振动。爆破振动一般属于短期振动。DIN 4150标准中对短期振动质点安全允许振动速度的要求如表2所示。

表2 安全允许质点振动速度(DIN 4150)

对于超过100 Hz的振动，取50～100 Hz一列对应值作为最小振动允许值。在DIN 4150标准中除了对建筑物的振动上限做出了要求外，还对建筑物顶端的最大允许振动速度进行了要求，要求建筑物顶层外墙平面的振动速度不超过表中的限定值。标准同时给出了与表2对应的关系(见图2)。

图2 安全允许质点振动速度(DIN 4150)

对于管道，DIN 4150标准中规定1、2、3类的短时振动速度上限分别为100、80、50 mm/s。对于长期振动，1、2、3类建筑物的振动速度上限分别为10、5、2.5 mm/s；1、2、3类管道的振动速度上限为短期振动的50%。

2.3 瑞典SS 4604866标准

瑞典SS 4604866振动标准是通过式(2)计算建筑物最大允许垂直振动速度。以最大允许垂直振动速度为标准值，不考虑质点的振动频率。

v=v0FbFmFdFt

(2)

式中：v为最大允许垂直振动速度；v0为未经校正的允许垂直振动速度，mm/s；Fb为建筑物系数；Fm为材料系数；Fd为距离系数；Ft为作业时间系数。

未经校正的允许垂直振动速度v0取值如表3所示，不同结构的建筑物系数、材料系数分别如表4、表5所示。

表3 不同基础上的未校正垂直振动速度

表4 不同结构的建筑物系数

表5 建筑物材料系数

距离系数通过公式计算得到，距离小于10 m时，Fd=1.91·d-0.28；距离为10～350 m时,对于不同基础类型，分别为黏土Fd=1.56·d-0.19，砂质Fd=1.91·d-0.29，石质Fd=2.57·d-0.42；当距离超过350 m时，黏土、砂质和石质对应的距离系数分别为0.50、0.35和0.22。距离系数可以用双对数坐标表示(见图3)。

图3 未校正振动速度与距离关系

作业时间系数有2个，对于隧道、地下空间工程、道路开挖、基础工程和类似的建筑项目Ft=1.0；对于如采石场和矿山的固定设施Ft=0.25。

2.4 爆破安全规程GB 6722

我国《爆破安全规程》(GB 6722-2014 )中虽然明确了爆破振动控制标准[11],但是没有给出与之对应的安全允许质点振动速度与频率关系曲线图，因此不能够确定在对应频率区间内安全允许质点振动速度是否和频率成线性关系。如果假设安全允许质点振动速度与频率成线性关系，且假设频率上限为100 Hz时(标准中露天浅孔爆破和地下深孔爆破推荐的频率上限为100 Hz)，根据我国《爆破安全规程》(GB 6722-2014)爆破振动控制标准可以得到频率与安全允许质点振动速度关系如图4所示。

图4 安全允许质点振动速度与频率关系

但是对于矿山巷道和永久性岩石高边坡2种保护对象，第2段和第3段频率区间(以50 Hz为界)有重叠部分，可能会出现高频振动安全允许质点振动速度低于低频振动安全允许质点振动速度的现象。如对于矿山巷道，32 Hz的安全允许质点振动速度约为220 mm/s，55 Hz的安全允许质点振动速度仅为205 mm/s。如果假设频率上限为300 Hz时(标准中地下浅孔爆破推荐的振动上限为300 Hz)，第3段频率区间(大于50 Hz)曲线的斜率比上限100 Hz的斜率要低，所以，在相同频率下，不同频率上限对应的质点允许振动速度不同。这一点与西班牙和德国标准有所不同。从参照标准控制爆破振动的角度考虑，标准中的数值应该是准确唯一的，这一方面我国标准还有进一步完善的空间。

对于一般民用、工业和商业建筑，德国的标准对振动要求较高，西班牙标准相对较低，我国标准居中。

3 质点振动速度确定方法

3.1 西班牙UNE 22381标准

UNE 22381标准中通过图例的方式说明了爆破引起振动的波形形态，振动传感器的测量方向，并规定可采用傅里叶变换(FFT)或信号响应谱的方法对振动信号进行处理。采用信号响应谱方法时，可用半周期方法确定频率，即按照式(3)计算峰值频率：

(3)

没有规定采用FFT进行信号分析时采用何种窗函数，仅在标准中给出了采用FFT和信号响应谱方法处理信号的图例。

标准中同时规定了振动传感器的固定方式(见图5)。

图5 振动传感器固定方式

加速度小于0.2g的振动，用传感器下方设置方形底座的方式固定传感器；加速度大于0.2g的振动，对于松软的土地用长探针固定传感器，对于坚硬的土地用销钉固定传感器。

3.2 德国DIN 4150标准

DIN 4150标准中通过附录举例的方式说明了获取振动频率的方法。首先确定峰值振动速度位置，然后将峰值振动速度附近乘以如式4所示的汉宁窗函数，最后对处理后的数据进行傅里叶变换，得到峰值频率。

hw(t)=

(4)

3.3 瑞典SS 4604866标准

SS 4604866标准中给出了振动传感器的固定要求，尽量进入建筑物内部测量振动，传感器要尽量连接到建筑物的支撑部位。标准中还给出了振动传感器的性能要求，测量范围1.0～250 mm/s，测量精度高于10 mm/s，80 Hz下误差不超过5%等。

3.4 爆破安全规程GB 6722

《爆破安全规程》中没有对振动传感器的安装方法和爆破振动信号的处理方法做出规定。但在中国爆破行业协会《爆破振动监测技术规范》中对振动传感器的安装及爆破振动信号的处理进行了相关规定[12-13]。《爆破振动监测技术规范》标准中提出通过矩形窗的傅里叶变换确定质点振动速度，并给出了振动传感器的固定方法。

4 结语

1)西班牙、德国和瑞典振动标准的保护对象主要是针对爆破作业对外部一般建筑物等做出的规定，对于如矿山隧道、岩石边坡等未做规定。我国标准涵盖的保护对象范围更加广泛。

2)西班牙和德国振动标准中不同类别的安全允许振动速度在不同频率下取值是唯一的，便于比较、判别振动速度是否超过安全允许振动速度。瑞典振动标准虽然没有考虑频率，但不同情况下安全允许振动速度取值也是唯一的。我国标准中只标明了安全允许振动速度的范围，但没有明确振动频率与振动速度的对应关系图，这会导致相同振动频率、振动速度条件下可能会做出符合或不符合安全允许振动速度两种不同的判别，这一点上我国标准还应该进一步完善。

3)西班牙和德国振动标准都提出了质点运动速度确定方法，德国振动标准给出了窗函数的形式，西班牙振动标准给出了振动传感器的安装方法。瑞典标准给出了传感器的性能要求。我国《爆破安全规程》中虽然没有提出质点振动速度确定方法，但在最近颁布的《爆破振动监测技术规范》中提出了相应的确定方法和传感器固定方法，这对《爆破安全规程》是一个很好的补充。