岩土开挖爆破震动效应安全判据的探讨

刘之强

摘要：岩土开挖爆破作业引起的振动，影响邻近结构的地基，影响结构的安全。所以，爆破振动效果必须控制在安全范围内，合理确定爆破振动效果的安全判据十分重要。

关键词：爆破；振动速度；频谱；作用时间；安全判据

通过理论分析和爆破振动监测数据的影响，最后讨论了爆破地震波的频谱，作用时间的影响建立爆破振动安全判据的影响，提出了基于粒子振动速度峰值和辅助，地震波频谱和时间尺度的安全标准和确定合理的爆破参数、爆破参数来减少地震强度、频谱，行动时间危害建议。

一、普遍采用的爆破震动效应安全判据

目前，爆破振动效果的安全判据通常用单一的爆破振动强度因子(颗粒振动位移、速度和加速度)来描述。大多数学者认为，颗粒振动速度与建筑物(结构)的破坏和结构失稳关系最为密切，颗粒振动速度在建筑物(结构)的破坏中起着重要作用。因此，采用颗粒的峰值振动速度来评价爆破振动效果。它的优点是爆破地震波所携带的能量与产生的地应力有关，与结构中产生的动能和应变(应变)力有关。有学者建议用颗粒的振动加速度来评价爆破振动的效果。其原因是颗粒的振动加速度与爆破振动产生的惯性力密切相关，便于爆破振动荷载的转换和结构应力的分析。规定的代码中地面粒子的振动速度峰值的建筑(结构)的建筑应该作为标准评价爆破振动效应是否安全，和主要的标准价值类型的建筑(结构)建筑物(称为安全振动速度的代码)应该被指定。根据波动理论，爆破地震波可以合理地假定为由不同振幅和不同圆频率的简谐波组成。爆破地震的各强度描述因子(位移、速度和加速度)是频率和时间的函数，各物理参数相互关联。对于特定结构，其振动响应由结构本身的峰值、谱组成、振动持续时间和振动特性参数决定。广泛应用于当前工程峰值质点振动速度控制爆破振动安全判据的影响，使得过去的爆破地震波传播规律的研究，往往只注意峰值质点振动速度的衰减，爆破地震波的分布频率和时间，爆破地震波衰减规律研究的作用。虽然简单地将颗粒的振动峰值速度作为爆破振动效果的安全判据简单易行，但经过大量的爆破振动效果监测，仍存在一些不足。

表1爆破震动效应监测异常现象观测结果

表2爆破震动效应监测部分超标数据

二、工程实践上的必要性

结构对爆破震动的反应与频率特性的关系也十分密切。当建筑物地基输入的地震动的主要周期接近建筑物的自振周期时，由于共振作用，将产生更大的振动，容易引起建筑物的破坏。我们在爆破工程中时有发现，炸药爆炸时，在其它相同条件下，距爆源近的建筑物未受破坏，而距爆源远的却遭受了破坏。这是因为建、构筑物种类繁多，结构各异，爆破类型很多，起爆方式不一，爆破条件和爆破地震波通过的介质情况复杂。在地面质点振动速度值相同的情况下，建(构)筑物将会出现不同的振动频率和振动持续时间。即使相同的建、构筑物在振速相同的条件下，不同的振动频率和振动持续时间，对建、构筑物的结构动力影响也是不一样的。

三、爆破震动效应监测结果和分析

在某市地铁小十字车站工程、黄花园大桥工程、鹅公岩大桥工程、轻轨较新线工程施工中，为严格控制岩土开挖爆破在周边相邻建(构)筑物产生的震动效应，采用了DSVM-4C型振动测试仪器、891-型拾振器等组成的测试系统，严格按照规程的有关规定进行了爆破震动效应的跟踪监测，在监测数据的指导下进行炮破作业，从而使这些工程岩土开挖爆破所产生的震动效应总体上得到了有效的控制，所测得的质点振动速度峰值97%。以上均未超过规程所规定的安全振动速度值，较好地确保了周边相邻建(构)筑物的安全。这说明了采用规程所规定的安全振动速度值作为爆破震动效应安全判据，能够较好地确保被保护建(构)筑物的安全。但是也出现了质点振动速度峰值未超过规程所规定的安全振动速度，房屋出现墙体开裂、抹灰脱落等破坏异常现象(见表1)。

同时也出现了质点振动速度超过了规程所规定的安全振动速度，房物没有出现任何破坏的现象(见表2)。

分析表1、表2数据可见，表1中所示的振动持续时间较长，主振频率与被保护的建(构)筑物的固有频率相近，显著频率段包含了被保护的建(构)筑物的固有频率或者显著频率段的低端与被保护建(构)筑物固有频率很接近。而表2中所示的振动持续时间较短，主振频率远离被保护建(构)筑物的固有频率，显著频率段也远离被保护建(构)筑物的固有频率。这说明了被保护建(构)筑物的破坏不但与质点振动速度峰值有关，而且与爆破地震波的能量有关，爆破地震波的频率和持续时间在其中起着重要的作用。所以，爆破震动效应安全判据必须全面考虑和兼顾爆破地震波的各参数，协调各参数的取值，同时工程和环境因素以及建(构)筑物本身的结构物理力学特征也不容忽视。在确定安全判据时，应结合被保护建(构)筑物的固有频率考虑爆破地震波主振频率，在主振频率远离被保护建(构)筑物固有频率的情况下，可适当放宽对质点振动速度峰值的限制，在持续时间不长或爆破规模不大的情况下也是如此。反之，则应严格限制质点振动速度峰值。同样，结合爆破规模考虑的地震波的持续时间，爆破规模不大时可允许放宽对持续时间的限制。另外，在爆破震动效应安全判据中宜详尽列举各种建(构)筑物的类型，并针对各种类型建(构)筑物采用诸如加权值法等方法调整判据值大小。通过对各种爆破方式和监测条件下近1000点.次的爆破震动效应监测资料的统计分析发现，在爆破与监测条件相同或相近的条件下，爆破引起的地震波主频率与药量、距离成反比关系;地震波作用时间与爆破药量成正比，而与距离成反比关系。这说明爆破地震波频率特征、作用时间与药量大小、爆心距和介质体物理力学性质及传播途径有关。在设计爆破方案时，应合理确定爆破规模、爆破参数，从而尽量使爆破地震波能量集中的显著频率段避开被保护建(构)筑物的固有频率，并尽可能缩短地震波的作用时间，减少地震波的强度。另外，监测结果同时表明，由于爆破和测试的环境差异，质点振动速度的水平径向分量(Ve)、水平切向分量(Vt)和垂直分量(Vz)中，有时垂直分量的峰值最大，有时水平径向或水平切向分量峰值最大。从被保护建(构)筑物的结构响应角度讲，水平方向的振动趋于控制建(构)筑物垂直墙体和上部结构体的水平响应，而垂直振动趋于控制水平板状结构体的垂直响应。质点振动速度的峰值应是3个正交分量的矢量和峰值(实际最大值)，而不是3个分量峰值(可能不在同一时刻)的矢量和(名义最大值)，监测结果显示后者比前者通常大30%~40%，而一般情况下3个分量矢量和的峰值比各单分量峰值大10%~20%。因此，有时从实施的便利性出发，只测试质点振动速度的垂直分量或者垂直分量和一个水平分量，以测得的分量峰值中的最大值来评估爆破震动效应是否安全的方法有不合理和不适宜的一面。只强调安全判据工程应用的便利性，就会使所确定的安全判据不能真实、全面地反应爆破震动效应的危害性。安全系数偏小可能会造成工程事故甚至是灾难性后果;而安全系数偏大，势必导致工程成本增加。

总之，在相同或相似的爆破试验条件下，地震波的主频率与装药量和距离成反比，地震波的强度和作用时间与装药量成正比，与距离成反比。因此，爆破规模和爆破参数应该根据周围的环境条件，合理确定，这样重大的频带，爆破地震波能量集中的固有频率远离保护结构，地震波的作用时间和地震波的强度应尽可能缩短。

参考文献

[1]黄亮.岩土开挖爆破震动效应安全判据的分析.2017.

[2]霍宏宇.爆破震动效应及安全评定方法.2017.