基于萨式公式的冻结法爆破振速和安全药量控制研究

李晓飞，李鹏宇，冯志敏

(1.新疆阿克苏地区阿克苏市公安局治安大队，新疆 阿克苏 843000；2.新疆阿克苏地区公安局治安支队，新疆 阿克苏 843000)

隧道掘进施工中，钻爆法以施工速度快、成本低、施工效率高等优势受到广泛应用[1]。炸药起爆后，爆破能量会引起周边介质及建(构)筑物的振动，当振动达到一定强度时，会直接造成建(构)筑物的损伤和破坏[2]。爆破振动的影响一直是科研人员关注的热点问题[3-8]，许多学者对此进行了研究。熊代余等[9-10]研究发现地震波具有持时短的特点，远离爆源监测区域的地表建(构)筑物的爆破振动强度会发生明显的降低现象。D.P.BLia等[11]研究了垂直柱状药包在弹塑性条件下的爆破地震波传播，发现在靠近爆源的区域，地表振动强度表现为先增大至临界值而后减小的现象。C.M.Sagers[12]研究发现地震波在层状岩体的传播不仅与岩体的渗透性有关，而且还与岩体结构的性质有关。张自光等[13-14]研究了爆破振动对隧道周边动力响应的影响，认为岩体结构与地震波的衰减存在一定的相关性，测点振速与最大单段药量成正相关性。郑强等[15-16]研究发现，爆破振动不仅与装药量和爆心距有关，而且与振动主频密切相关。

通过以上研究不难发现，在地下工程爆破掘进过程中，爆破振动在传播过程中会发生衰减现象，而且还会对周边建(构)筑物产生一定的振动影响。一般来说，减少装药量可以有效降低爆破振动，但减少装药量又影响施工效率且导致施工成本的增加，如何平衡施工效率和爆破振动效应成为工程必须解决的问题。基于此，本文通过对某斜井隧道项目的钻爆振动测试，研究爆破地震波的传播规律，同时对药量进行安全控制。

1 萨式公式待定参数确定

在工程爆破中，萨式公式经常应用于对爆破振动进行预测，是广泛应用的爆破振动经验公式之一，萨式公式表征了爆破振动速度v与爆心距R和最大单段药量Q的关系[17]：

(1)

式中：v为爆破振动速度，cm/s；Q为单段最大装药量， kg；R为爆心距，m；K、α为与地质、地貌有关的系数。

将式(1)变为线性形式y=axb并取对数得：

(2)

将其变为一元线性形式：

Y=bX+a

(3)

式中：

在具体的爆破工程中，通过实际试验可以获得大量的爆破振动速度v、单段最大装药量Q和爆心距R的统计数据，使用回归分析的方法确定地质地貌参数K和α。

2 安全药量控制

由式(1)可知，爆破振动速度v与单段最大装药量Q和爆心距R密切相关，对于具体的爆破工程，爆心距R为固定值，可以通过控制单段最大装药量Q来控制爆破振动速度v。所以可将式(1)变为药量形式：

(4)

式中：v为爆破振动速度，可由爆破安全规程确定；Qi为x、y和z方向的安全控制药量。

对具体的爆破工程进行爆破振动测试时，可以分别得到x、y和z方向的爆破振动速度v、单段最大装药量Q和爆心距R的关系，对其进行回归后，可以使用式(5)分别得到x、y和z方向的安全控制药量。为了最大程度的对建(构)筑物进行保护，取三分量药量最小值进行控制是合理和可靠的。

安全药量控制为

Q安全=min(Q切向，Q径向，Q垂向)

(5)

3 工程应用

3.1 工程概况

某矿主斜井采用冻结法爆破施工，斜井倾角为16°，总长度为1 770.8 m，掘进断面面积35.8 m2。主斜井井筒开挖区域上方距地表冻结管主干管10 m左右，井筒穿越正上方的冻结管需要保护，测试现场工程概况如图1所示，冻结管如图2所示。

图1 工程概况

图2 冻结管

现场监测以爆源为起始点，沿未开挖区方向在隧道正上方采用不同间距布置测点，测点布置采用对数等间距原则，尽可能地减小数据处理带来的误差。在实际布置测点时，测点前方时常遇路边停车的影响或者部分居民建筑物的遮挡。应视实际情况对测点位置作出相应调整。但整体偏差应控制在0～5 m以内。现场测点布置如图3所示。

图3 现场测点布置

在隧道上方沿隧道开挖方向进行了5次测试，共得到20组有效数据(见表1)，统计单段最大装药量Q和爆心距R及x、y和z方向的爆破振动速度。

表1 爆破振动参数

续表1

3.2 爆破振动速度规律

对表1中测试的爆破振动数据进行回归分析，可以分别得到x、y和z方向的爆破振动速度与比例距离的关系，水平切向爆破振动速度与比例距离如图4所示。

图4 水平切向爆破振动速度

由图4可知，本场地的水平切向爆破振动速度可以表示为

(6)

水平径向爆破振动速度与比例距离如图5所示。

图5 水平径向爆破振动速度

由图5可知，本场地的水平径向爆破振动速度可以表示为

7)

垂直方向爆破振动速度与比例距离如图6所示。

图6 垂直方向爆破振动速度

由图6可知，本场地的垂直方向爆破振动速度可以表示为

(8)

3.3 安全药量控制

将萨式爆破振动速度变为药量形式，可以分别得到x、y和z方向的安全控制药量计算公式。

水平切向爆破安全控制药量为

水平径向爆破安全控制药量为

垂直方向爆破安全控制药量为

本工程中，开挖面掘进至冻结管正下方时，需要采取措施严格控制爆破振动对冻结管的影响。查阅《爆破安全规程》[7]可知，冻结管的爆破振动速度阈值为10 cm/s。经过计算，在冻结管下方进行爆破施工时，水平切向的安全控制药量为29.49 kg, 水平径向的安全控制药量为27.79 kg, 垂直方向的安全控制药量为20.73 kg。为了最大程度的对冻结管进行保护，由式(6)可知，在冻结管正下方进行钻爆法施工时，安全控制药量不能超过20.73 kg。

4 结论

1)萨式公式中，K和α的回归精度决定爆破振动速度的预测精度，在冷却管正下方进行爆破掘进施工时，垂直方向爆破振动速度最大，水平径向爆破振动速度次之，水平切向爆破振动速度最小。

2)在冷却管正下方进行爆破掘进时，以《爆破安全规程》中的冷却管振速阈值为标准，计算的水平切向安全控制药量最大，水平径向安全控制药量次之，垂直方向安全控制药量最小。为了最大程度的对冻结管进行保护，在冻结管正下方进行钻爆法施工时，安全控制药量不能超过20.73 kg。

3)基于萨式公式的爆破振动速度计算和安全药量控制可以在保证爆破效率的前提下，同时保证了建构筑物的安全，可以为类似的隧道爆破掘进施工提供参考。