爆破振动监测技术探讨
2015-05-08
一、爆破地震效应及监测过程
炸药爆炸会产生冲击波，该波在岩石中传播会逐渐衰减为应力波，能量逐渐减小。当其再破坏岩石，只能引起岩石质点的弹性振动，便形成地震波。地震波的能量只占爆炸总能量的2-6%。根据地震波传播路径的不同，可分为两类:一类是沿着岩体内部传播，称为体波；另一类是沿岩石表面传播，称为面波。体波又可分为纵波和横波，面波可分为瑞利波和拉夫波。其中，瑞利波频率低、衰减慢、振幅大，周期和扰动时间长，所携带能量很大，是造成爆破地震的主要因素。
1、爆破地震安全评价的方法
主要有三种方法：爆破地震烈度法、动力分析法和单一参数法。前两种方法或精度不够或理论不够完善，均很少采用。单一参数法控制指标有地面质点最大振速、最大加速度、最大位移、能量比等，其中质点最大振速法最为方便，各国大多采用其为安全评定标准。
我国《爆破安全规程》(GB6722-2003)中地面建筑物的爆破振动判据，采用保护对象在地点峰值振动速度和主振频率。质点振动速度可由相互垂直度的水平径向速度、水平切向速度和垂直速度合成，其中水平径向速度、水平切向速度均较小，所以我们只需测得垂直速度即可。
2、爆破振动监测一般过程
2.1 测点的选取
地面建筑物和构筑物为保护对象。根据已有研究成果，爆破时基础的速度峰值大于柱子的速度峰值；柱子的速度峰值大于墙体、屋面板和圈梁的速度峰值；基础上表面的速度峰值大于下表面的速度峰值；墙体下方的速度峰值大于墙体上方的速度峰值。因此，测点选取基础上表面；若基础埋于土层下，则选择最靠近基础且坚实的散水作为测点。
2.2 探头的布置
一般来说，若地质情况不变，离爆源近的点振速大于远离爆源的点。故保护对象选择离爆源最近的建筑。探头置于转角处基础上，通过延长线，可使一台仪器同时测得三点处的振速，以便更全面的了解爆破对整座建筑的影响。探头需要使用石膏与基础粘结牢固。
3、现场监测实施
监测点位置确定后，使用生石膏粉加水调制成浆糊状，将传感器黏结在隧道内平整面的测点上，约10min石膏凝固后即可进行测试。在安装过程中，垂直速度传感器应该尽量保持与水平面垂直；水平速度传感器的安装应该与水平面平行，水平速度传感器的水平方向有一气泡，如安装处于水平状态时气泡应该在刻度的中间位置。如采用三相速度测试（垂、径、切向）,用垂直传感器测量垂向的速度，用两只水平传感器分别测量径向、切向的速度。安装径向水平传感器应该水平指向爆心，切向水平速度传感器则与径向垂直并且和地面保持水平。
二、爆破震动监测中应注意事项
爆破震动监测点的选取应注意下列几点：
(1)为了确保隧道结构的安全，需要在隧道内合理布设测点。
(2)测点数目要足够多，以便有足够的数据分析地面震动传播的衰减规律以及和爆心距等参数的关系。
(3)应考虑不同地貌、地质条件的影响，便于了解分析这些因素条件对爆破震动效应的影响规律。
(4)测点数目及布设可根据实际情况进行调整。
三、测试结果分析
(1)波形分析
爆破振动波形的特征是短间隔多次振动，因为一次爆破通常都是分段起爆，每段爆破将根据药量和爆破条件的变化（如夹制条件、炮孔分散性、装药结构等不同）而产生不同的振动峰值，因此在波形分析中根据不同时刻的峰值变化，首先将不同起爆段分别对应的峰值振速查找出，这样一次爆破测振可获得更多的比例距离条件下的峰值振速信息，增加了振动数据统计分析的可靠性、准确性，也提高了振动测试的效率。
(2)主振频率
现今振动测试仪配套软件中都已带有FFT分析工具软件，今后需要提供小波分析、HHT分析等多种分析方法，选取所关心的振动波形段进行频谱分析是测试结果分析的重要部分，频谱分析需要作统一规定。
(3)振动持续时间
爆破振动持续时间分为一段振波持续时间和全部爆破振动持续时间。一段振波可分成主振段和尾振段。从初至波到幅值衰减到A=Amax/e以为主振波，主振波历时为段振波持续时间。根据段振波持续时间可确定合理微差起爆间隔时间，可分析介质的阻尼特征等。全部爆破振动持续时间指振动波初始到结束的持续时间，大多数情况下对全部爆破振动持续时间并不关心，但它也是反应爆破振动强弱的重要指标之一，在考虑振动疲劳破坏时有一定意义。
(4)地震波传播速度(Vw)
利用地震波波形时标，可以读出振波初至该测点的时刻，计算出不同测点初至波的时差(tW=tB-tA)，以及不同测点至爆源的距离差(RW=RB-RA)，地震波波速VW=RW/tW。当测点距离太近时，由于时差太小，若采样频率过低，地震波波速计算精度低、误差大。因此需作波速计算时应使两点间距加大，并且保证两测点同时触发记录。
四、工程实例
某隧道是某市改善进入某风景区的交通条件而新建的一条城市公路隧道，它连接南山路和中山南路，处于某湖东侧，穿过山体。在隧道拱顶上方有一建筑群。
隧道设计净宽15m、全长739.99m，里程桩号为k0＋365.738～k1＋159.728。其中穿越建筑群段全长303m，其里程桩号为k0＋717～k1＋020。建筑群房屋为砖混结构。根据《爆破安全规程》（GB6722-2003）的规定要求，在施工爆破掘进该隧道建筑群段的过程中，需要对其房屋地面质点振动速度进行监测，在监测数据的指导下进行爆破施工作业。
1、爆破振动监测
1.1监测的仪器和方法
本次爆破振动监测采用了由DSVM-4C型振动测试仪、891－Ⅱ型拾振器、计算机、打印机等组成的测试系统进行监测。
该测试系统中的拾振器1、2、3分别测量振动速度的水平径向分量Vr、水平切向分量Vτ和垂直分量VZ。量测过程中振动测试仪自动采集、存储相关数据。每次测量结束后，及时对结果进行分析，指导下次爆破方案设计。
由于爆破震动效应随着传播距离的增大逐渐衰减，因此，每次测试时基本上是在离爆破点较近的测点进行测试。每次测量结束后，立即对测试结果进行整理分析，并参照监测数据，结合隧道的埋深、周边建筑物分布情况确定下一次爆破的参数、施工进度，从而确保了爆破作业顺利、安全地进行。
1.2监测点的布置
根据建筑群与隧道的空间位置及距离，在建筑群房屋地面共布置了22个监测点。其中，进口端从k0＋700到k0＋880分别在大约每间隔12～16m的地方布置了13个测点；出口端从k0＋900到k1＋040也分别在大约每间隔15～18 m的地方布置了9个测点。
1.3监测的结果
共获79组数据。
2、爆破振动监测结果的回归分析
在监测初期根据所测得的数据对爆破地震波传播衰减监测结果进行了2次回归分析，第1次是根据施工到k0+567位置时所测得的数据进行回归分析；第2次是根据施工到k0+679位置时所得的数据进行回归分析，将为及时调整爆破设计方案提供依据。
2.1.回归数学模型
根据我国《爆破安全规程》（GB6722-2003）及国内外的一些研究成果，在中国和前苏联地区爆破振动传播与衰减规律普遍都采用萨道夫斯基的经验公式。
已有的研究表明，在预测中考虑了传播介质条件、炸药量和爆心距测点的距离等主要因素，但忽略了测点距爆心的高差距离、爆破振动主频等因素；而这些因素在某些特定的条件下也是影响质点振动速度的主要因素；又由于各测点之间的高差不在0.5m～1.5m范围内，那么就必须考虑高程差对地震波传播的影响。因此，在隧道开挖爆破施工中，为了使预测爆破振动更准确、符合实际情况，在质点振动速度预测公式中应增加高差影响系数。
2.2回归结果分析
从监测的数据来看，在未进入建筑群段前，在隧道爆破点正上方地面测得的振动速度基本上在1～6cm/s之间；而进入建筑群段后，通过爆破监测的信息反馈，逐渐调整装药量使在建筑群房屋地面测得的振动速度值均小于1.5cm/s，且95%以上小于1.0cm/s，并符合《爆破安全规程》（GB6722-2003）关于砖房地面质点振动速度不得超过2～3cm/s的要求。其信息化爆破施工监测较好地指导了后续阶段隧道的爆破作业。
3、爆破振动控制技术
3.1选择合理的爆破时差
对于本研究的短进尺的隧道施工爆破工程，对低段位各排炮孔之间采取了合理的时差间隔，并保证了主震动频率不接近于被保护建筑物的自振频率，同时使地震波之间不产生叠加。因此，为了不使后一段地震波与前段相叠加，故应适当增加使用的非电导爆管(或电雷管)段数，使前后段爆破时差≥100～150ms，从而确定了合理的微差时间。
3.2控制段最大装药量Q
通过本次爆破振动监测表明，当降低起爆药量时，可以使质点的振动速度减小，达到减振的目的。
3.3采用微差起爆
在爆破施工中，通过适当布置起爆顺序，采用跳段起爆，多次分批起爆，将首先破坏被爆岩石的拱形结构使其具有自坍趋势，达到了减少装药量的目的。
3.4控制掘进进尺
为控制总装药量的单段药量，在立交段的进尺控制在1m以内，其它地段的爆破进尺控制在1.5m以内，并采用分台阶分部小导洞掘进，从而控制了单段药量，使爆破震动效应控制在较低的水平。
3.5采用预裂爆破
实践表明，预裂爆破降震率大都在30 %以上，效果好的预裂爆破降震率可达50 %以上，预裂爆破已成为常用的有效降震措施。因此，对于本研究的爆破工程可以适当采取预裂爆破，以减低爆破振动。
五、结束语
只有在进入建筑群段前经过反复的爆破实验并根据监测数据及其回归分析，进一步优化调整了爆破参数，采取了控制掘进进尺、控制单段最大装药量、多次分批引爆以及分台阶分部小导洞掘进等措施，从而将爆破震动效应控制在较低的水平，来确保地表建筑群的安全和爆破作业的安全。
