考虑高程差影响下的水下爆破对邻近建筑物的安全风险影响研究

张杰友

(广西壮族自治区交通运输工程质量监测鉴定中心，广西 南宁 530031)

0 引言

为满足水运行业发展需要，西江航运干线贵港至梧州航道正在进行扩能升级，将现有2 000吨级航道升级建设为3 000吨级航道，而建设施工中最重要的环节之一就是水下爆破炸礁工作。水运航道周围分布有民房、办公场所等建筑物，而这些建筑物与爆破区域之间存在一定的高程。现阶段研究发现，在一定的范围内，高程对爆破地震波的传播具有较大影响，容易产生爆破振动的高程放大效应，危害爆区周围建筑物的安全[1-4]。其中爆破施工导致房屋上层的居民认为震感强烈引发投诉的问题较为常见。

目前，爆破监测工程中通常是根据现场振动监测结果用萨道夫斯基公式进行回归分析，然后基于回归分析得到的萨道夫斯基公式预测爆破振动速度的量值[5-9]。多数工程试验证明，萨道夫斯基公式在平整地形条件下预测地面的爆破振动质点速度具有较高的精度，但由于该公式未考虑测点与爆心之间高差的影响，因此诸多学者开展了关于高差影响的研究：例如卢文波等[10]基于多种应力波理论对质点峰值振动衰减公式进行改进；李杰、蒋楠[11-12]等人对影响爆破振动衰减规律的物理量进行量纲分析，得到了考虑爆破振动高程放大效应的预测公式；唐海等[13]研究了考虑高差的数个经验公式的误差；文建华等[14]和史秀志等[15]采用遗传算法，徐全军等[16]和夏梦会等[17]采用人工神经网络的方法开展了考虑高差的爆破的数值研究。

综上所述，现阶段爆破高程效应的研究方法主要为理论分析、经验公式和数值模拟，结合现场实时监测数据的研究相对较少。研究对象主要集中在矿场、隧道等陆地环境，对传播介质复杂的水下爆破工程的研究相对较少。因此，本文将结合实际水下爆破工程引发邻近建筑物内部墙面开裂问题和现场监测数据，研究高程经验公式的合理性和高程放大效应主要影响的爆破振动参数。本次研究结果对于改善水下爆炸振动控制措施和降低邻近建筑物振动的影响具有重要意义。

1 工程概况

本次研究的工程整治段为西江航运干线贵港至梧州3 000吨级航道二期工程施工一标段一工区的龙圩水道段水下钻孔爆破施工。K0+600～K1+957段所在的浔江河段南北两岸已建防洪堤，岸坡较为稳定，北岸河堤堤顶一侧为090乡道，乡道沿线为村庄民房，南岸堤顶一侧为沿江路，沿江路一侧为居民住宅。经卫星地图实测，K0+600～K1+957段爆区区域距东岸防洪堤最近距离为开挖终点K1+957处约110 m，爆破区域最近点距江南明珠小区256 m，距龙翔百汇小区244 m，距水岸名都小区190 m，其中龙翔百汇小区对爆破振动造成房屋开裂处较多。因此，本次研究将结合该小区的现场监测数据对水下爆破引起房屋开裂的问题进行分析。

2 爆破监测点位置与试验设备

2.1 水下爆破监测点位置

根据当前水下爆破施工阶段与项目监测重点，选择相对距离最近、房屋裂缝损坏较严重的乙小区作为监测研究对象。在该小区最靠近航道内爆破区且是唯一受爆破振动影响的楼房的底部和顶部各布置一台仪器，对一个月内监测的多次爆破振动进行实时监测，其中房屋楼底测点为A，楼顶测点为B，其中爆破点与测点的水平距离用D表示。监测的建(构)筑物测点与爆破点的相对位置如图1所示。

图1 爆破点与监测点相对位置示意图

2.2 试验设备介绍

本次现场试验采用多台TC-4850振动测试仪，频率范围为5～300 Hz，量程为0～35 cm/s，分辨率为0.01 cm/s，读数精度为0.1%，触发电平范围是0～10 V(0～35 cm/s)，可任意调节。设置电平值(触发阀值)为0.02 cm/s，触发后单次采样时长为2 s。安装时须注意的是，首先确定传感器水平轴方向与爆破点方向一致，然后用手掌平压三矢量传感器，并在用力过程中左右带动传感器，能有效防止粘连不均匀、传感器与石膏之间存在气泡等现象，保证传感器与被检面的刚性连接。TC-4850振动测试仪具有抗震动、抗电磁干扰、高灵敏度、高可靠性等特点，是集自带电源、自动触发、自动采集等优点于一体的先进仪器，适合各种野外的复杂环境振动波测试，配套软件Blasting vibration analysis具有计算、分析、绘图等功能，保证了测试结果的准确性和及时性。

高差影响下的爆破振动监测见下页表1。

表1 现场监测数据表

3 高差对爆破振动参数的影响分析

3.1 高差对振速的影响

根据《爆破安全规程》(GB6722-2014)[18]，爆破振动影响下建(构)筑物的振速是衡量影响建(构)筑物安全的重要指标。为研究高差对各方向质点振动速度大小的影响，将仪器原始的x、y、z三个方向的质点振动速度归纳为水平方向(x和y)的振动速度、铅锤方向(z)的振动速度以及矢量合方向的振动速度。在航道水下爆破现场进行爆破振动实时测试，得到了大量的爆破振动监测数据，通过对比实际水下爆破正常施工时同一次爆破振动影响下楼房底部与顶部的振速差异，分析得到x、y和z三个方向的放大系数K1，根据放大系数K1值的大小判别高差对振速的影响，其中放大系数为楼顶和楼底的差值比楼底的振速值。如图2所示，分析发现，高差影响下的各方向的放大系数K1普遍均>0，这说明高差对各方向的质点振动速度均有放大效应，其中铅垂向和合方向的放大系数接近，并且均远大于水平向的放大系数K1，这就说明高差导致的放大效应实则主要是对铅垂向质点振动速度的增大，其放大系数K1约为1.6～4.5；对水平方向(x和y)的振速的影响相对较弱，放大系数K1主要集中在0.5左右。

图2 高差影响下放大系数K1与振速的关系图

3.2 高差对质点频率的影响

根据国内外研究成果分析总结可知，建(构)筑物在爆破地震作用下，其破坏程度与爆破地震引起的地面质点振动速度成正比，与频率比(即地面震动频率与结构物自振频率入之比)的常用对数成反比。因此在爆破过程中对质点频率的研究也显得至关重要。对高差影响下频率的放大系数K2分析与前文相似，通过现场实时监测的有效数据发现，频率放大系数K2<0的次数相对较多，这说明在实际爆破施工中，较多次数的爆破振动频率因高程的增大反而减小。根据相关研究发现楼房的固有频率一般不超过10 Hz[19]，而爆破引起的质点振动频率一般大于楼房的固有频率，自振频率与爆破引起的质点振动频率越是接近，越容易发生共振现象[20-21]，因此这种高程影响下频率降低的结果实则会导致爆破振动对楼房的危害风险增大。高差影响下的频率分布规律如图3所示，以K2=0作为衡量高程影响下的放大效应的指标，对应的K2<0时，说明在高差影响下楼顶测点的振动主频率相对降低；反之，振动主频率相对增大。通过多次实时监测的有效数据可以发现，x、y和z三个方向的振动频率在高差影响下，x、y和z的放大系数K2大部分分布在<0的位置，其中y方向主频率的降低概率明显大于x和z方向，说明随着高程的增大，x、y和z三个方向的主频率大小有较大概率的降低，这说明高程的增加会增加频率降低的概率，从而增加爆破振动导致建(构)筑物共振的风险。

图3 高差影响下爆破振动频率与放大系数K2的关系图

3.3 高差对持时的影响

随着爆破工程领域研究的精进与发展，爆破振动持续时间对安全性的影响逐渐得到了国内外学者的热切关注，有学者认为爆破振动持续时间会导致振动叠加，从而可能影响结构动力响应特征[22]，影响建(构)筑物安全性。其中爆破持续时间的选取为触发初始时刻0至合速度衰减至触发阀值0.02 cm/s对应时刻的时长。如图4所示，绘制的每次监测爆破持续时间的放大系数K3都>0，这说明随着高程的增大，爆破持续时间也随之增大，根据监测期间的多次爆破振动数据的放大系数K3恒>0，可推断高差对爆破持续时间的放大效应几乎必然存在，因此可认为高差在一定程度上增大了振动对建(构)筑物累计损害的风险。

图4 高差影响下爆破振动持时与放大系数K3的关系图

4 考虑高程效应的爆破振速公式

4.1 萨道夫斯基公式

根据《爆破安全规程》(GB6722-2014)可知在爆破工程中，爆破振动衰减规律受到多重因素的影响，如振速、频率以及单段最大药量等。由爆破工程经验可知，振速与单段最大药量Q成正比，与爆心距R成反比，具体表达式如式为：

(1)

式中：K——与岩石性质、爆破参数和爆破方法有关的场地系数；

Q——爆破最大段药量，kg；

R——爆心距，即爆破中心与测点的距离，m；

α——爆破振动衰减系数。

4.2 考虑高差因子公式

多数工程试验证明，萨道夫斯基公式在平整地形条件下预测地面的爆破振动质点速度具有较高的精度，但由于该公式未考虑测点与爆心之间高差的影响，当爆破场地的地形地貌变化较大时用该公式预测爆破振动精度较差。基于这一认识，近来不少学者对有高程变化的爆破振动进行了研究。有学者[23-24]认为测点与爆破中心之间的相对高差对振动有很大的影响：高差为正(大于爆源的高程为正)振动效应增大，反之降低。相关学者[25-26]在考虑爆破振动波传播的高程效应时，提出加入高程差因子的质点振动速度公式为：

(2)

式中：K——与岩石性质、爆破参数和爆破方法有关的场地系数；

Q——爆破最大段药量，kg；

R——爆心距，即爆破中心与测点的距离，m；

H——高程，m；

α、β——爆破振动衰减系数。

将式(1)和式(2)左右两边同时取对数变化，分别得到式(3)和式(4)：

(3)

(4)

5 结语

本文结合西江航运干线贵港至梧州航道水下爆破的现场监测数据，对高程差影响下的振动、质点频率及爆破持续时间的放大效果进行了分析，并对比了常用国家工程规范中的萨道夫斯基公式和引入高程差因子的公式，通过总结分析得出：

(1)高程对水下爆破振动的振速、质点频率及爆破持续时间三种因素都有较为显著的放大效应，其中高程对振速和爆破持续时间有显著的放大效应，都随高程的增大而增大；对频率的影响与方向有关，对y方向频率的放大效应比x和z方向更显著。

(2)仅通过我国《爆破安全规程》(GB6722-2014)的爆破振动安全允许值和萨达夫斯基公式来判定环境复杂的水下爆破对邻近建筑物的影响显然较为粗略，通过对比传统的萨达夫斯基公式和考虑地形高差因子的公式发现：在爆心距相差不大且高程差相差较大的情况下，传统萨达夫斯基公式已经无法拟合并预测；而考虑高程差因子的拟合精度较高，这主要是因为加入了高差修正因子，更符合实际的水下爆破工程施工现场周围的环境，可为我国爆破工程行业规范标准的制定与修正提供参考。