爆破振动监测范文

爆破振动监测范文（精选9篇）

爆破振动监测 第1篇

凌源市国丰矿业有限公司现有两个石灰石采场, 即东坡采场和西坡采场。为避免爆破生产作业时爆破振动对矿区周围群众的生产生活造成影响, 辽宁工程技术大学受国丰矿业有限公司的委托, 对石灰石爆破开采过程中引起的地面振动进行监测, 并根据实际监测结果, 对民房在爆破振动作用下的安全性给出安全评估报告, 同时为凌源市国丰矿业有限公司爆破设计确定安全合理的最大单段药量提供实际依据。

2 工程概况

矿区工程地质条件简单, 矿体顶底板围岩均为灰岩, 普氏坚固性系数f=7~8, 属坚固岩石, 岩石稳定性较好。矿体周边部节理不甚发育, 上部矿体完全裸露地表, 适宜于露天开采, 开发利用条件良好。区内地层主要为古生界寒武系中统 (∈2) , 主要岩性为中厚层灰岩。走向北东, 倾向南东, 倾角400。

3 振动监测

3.1 测试要求

本次爆破振动监测本着严肃认真的原则, 对东坡和西坡采场爆破作业分别进行, 并要求国丰矿按照平时爆破作业的最大装药量进行爆破。

3.2 测试仪器

本次爆破振动监测采用四台IDTS3850型双通道振动速度测试仪。其测试精度为0.1cm/s。

3.3 测点布置

本次爆破振动监测的测点布置在距爆心100~300m范围内。布置测点时, 为保证测点上的传感器与地面紧密接触而获得真实可靠的监测数据, 利用黄甘油作为耦合剂。每次爆破布置四个测点。东坡放炮时, 距爆区最近的两个民房院内各布置一台测振仪。测点位置如图1、图2所示。

4 爆破振动监测结果

此次爆破振动观测工作共对四次爆破进行了监测, 爆破振动监测数据见表1。

从爆破振动监测结果可以看出:a.西坡总药量为2000kg的爆破:单段最大药量为750kg、爆心距为200m时, 地面质点爆破振动速度峰值为0.8841cm/s;单段最大药量为800kg、爆心距为250m时, 地面质点爆破振动速度峰值为0.4857cm/s。b.东坡总药量为120kg的爆破:瞬发雷管同时起爆, 爆心距在80~300m点处的测振仪均未触发, 即地面质点振动速度峰值小于0.1cm/s。c.东坡总药量为360kg的爆破:采用1段和3段2个段别的微差雷管一次起爆, 单段最大药量180kg, 爆心距在100~300m点处的测振仪均未触发, 即地面质点振动速度峰值小于0.1cm/s。

5 结果分析

5结果分析根据我国《爆破安全规程》 (GB672222003) 及国内外的一些研究成果, 利用爆破振动传播与衰减规律普遍采用的萨道夫斯基经验公式:

式中v——峰值质点振动速度, cm/s;k——与爆破场地条件有关的系数;Q——最大单段装药量, kg;R——安全距离, m;α——与岩性、地形、地质等因素相关的衰减系数。

根据式 (1) 对现场预裂爆破实测数据进行回归分析。求得K=145.127, α=1.310。该值与我国《爆破安全规程》[1]所提供的参考值相符。

因此, 可以给出现场爆破条件下的最大单响药量估算公式:

以及最大安全距离估算公式:

式 (3) 中的K=145.127, α=1.310对所得*、A值进行检验, 设计西区最大总装药量为3000 kg, 依式 (1) 预测100 m处岩石峰值质点垂直振速为1.8723 cm/s, 而实际测量振速为3.2025 cm/s, 误差大于50%, 这说明单纯遵照式 (1) 会产生一定的误差, 经过多次调整药量与现场实测及施工进度要求, 对萨氏公式推导出式 (2) 添加修正系数l, 即

式 (4) 中的l取值范围为0.55~0.75。

6 结论和建议

根据此次爆破振动的监测结果, 参照中华人民共和国《爆破安全规程》 (GB6722-2003) 规定的爆破振动安全允许标准, 得出以下结论和建议:

6.1西坡放炮总药量为2000kg、单段最大药量800kg、爆心距为250m处测点的地面质点振动速度峰值为0.4857cm/s, 表明在该条件下进行爆破开采, 距离爆源270m处, 所引起的地面爆破振动强度完全满足中华人民共和国《爆破安全规程》 (GB6722-2003) 规定的爆破振动安全允许标准, 不会危及附近民房的安全;

6.2东坡进行爆破生产作业时, 当总药量为120kg齐发爆破时, 所引起的爆破振动不会对距爆区80~270m处民房的安全性产生影响;当放炮总药量为360kg、两个段别的微差雷管一次起爆 (单段最大起爆药量为180kg) 时, 所引起的爆破振动不会对距爆区100~270m处民房的安全性产生影响;

6.3建议西坡放炮最大总药量为3000kg, 采用多段ms微差雷管进行分段起爆 (最少四个段别雷管) , 减少一次爆破的单段最大起爆药量 (小于800kg) , 以达到降低爆破振动强度的目的;

6.4建议东坡放炮最大总药量为360kg, 采用多段ms微差雷管进行分段起爆 (最少三个段别雷管) , 以减少一次爆破的单段最大起爆药量 (小于150kg) , 确保周围民房在爆破振动作用下的安全。

参考文献

无线遥测爆破振动的解决方案 第2篇

无线遥测爆破振动的解决方案

本文阐述了四川拓普测控科技有限公司的无线遥测爆破振动产品在工程爆破振动信号测试中的应用,详细的`论述了系统功能特点、组成结构及工作原理.该系统通过采用USB接口便携式爆破振动记录仪、无线遥测模块及配套的虚拟仪器应用软件,在工程爆破现场完成爆破振动信号的多测点遥控遥测及数据的读取、分析,充分展示了无线遥测爆破振动产品及技术在工程爆破振动测试中的作用.

作 者：许强 Xu Qiang 作者单位：四川拓普测控科技有限公司,成都,610031刊 名：国外电子测量技术 ISTIC英文刊名：FOREIGN ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY年，卷(期)：27(9)分类号：O6 TN92关键词：工程爆破振动测试 便携式数据采集 无线遥测 自动化测试 数据处理

对隧道爆破振动响应的研究 第3篇

摘要：随着公路投资的增加，目前不少单线公路正改建成为复线，但是由于受地质条件限制，新建隧道与既有隧道的间距较小，这时新建隧道施工，特别是爆破作业，可能影响既有隧道的安全性，危及既有隧道衬砌结构的稳定。为了探讨隧道爆破振动响应，本研究采用现场监测与数值分析两种方法，对该命题进行了有益的分析与探索。

关键词：新建隧道；既有隧道；爆破振动；振动响应

随着经济社会的发展，公路建设加速，在不少公路线路施工和改造过程中，由于受地形地质条件制约，既有隧道与新建隧道之间的距离较短，在施工中，经常破坏既有隧道结构的安全性。在新建隧道爆破作业时，爆破振动可改变原有围岩的应力分布，同时也对中硬岩以上围岩隧道产生影响。为了不影响既有隧道的安全性和稳定性，在施工中应对隧道爆破振动进行监测和分析，本研究以某隧道隧道为例进行了分析。

一、参数计算与基准控制

在本文中，笔者所做的工作，主要是分析不同间距条件下，既有隧道衬砌迎爆侧最大振速、最大主应力及安全性评价。

爆破振动荷载计算，以公路隧道为例，假定：爆破振动荷载均匀分布于隧道洞壁上，以动压力形式施加，垂直于隧道壁面；荷载为三角形，峰值压力P为3.6MPa，加载12ms，卸载时间100ms。本文计算以III类围岩为主，隧道施工方法为台阶法[1]。

III类围岩物理学指标及支护结构参数，详见表1、表2。

而爆破振动的基准控制，首先需要了解既有隧道的健全度、振动速度容许值。本文既有隧道的变异显著容许振动速递为2cm?s-1、有变异容许振动速度为3cm?s-1、无变异容许振动速度为5cm?s-1。由于该既有隧道中为出现变异情况，所以本研究的容许振动速度取值为5cm/s。在动载作用下，混凝土极限强度：C30混凝土动载极限抗压强度为23MPa、动载极限抗拉强度为2.4MPa[2]。

二、对计算结果的分析

（一）既有隧道迎爆侧振动速度

本研究既有隧道衬砌最大振速，详见表3。

由表3可知，新建隧道爆破振动对既有隧道边墙影响最大，如新建隧道施工方法为台阶法，则爆破振动对既有隧道下台阶开挖影响大于上台階开挖影响。在上台阶爆破时，间距<6m时，既有隧道边墙、拱肩振速超出极限值，会造成破坏；在下台阶爆破时，间距<15m时，既有隧道边墙振速超出极限值，可能产生破坏[3]。

（二）既有隧道衬砌主应力分析

在爆破振动作用下，既有隧道的应力值将发生较大改变，迎爆侧的应力状态将会大幅上升，且间隔一定时间。从计算结果可知，迎爆侧衬砌内侧主应力大于外侧。本研究的计算结果显示，如间距<6m，下台阶、上台阶开挖的拉应力，均超出极限值，既有隧道可能会产生裂缝，而其墙脚出不会产生拉应力，未超出极限值；既有隧道拱肩处间距<6m，开挖上台阶时，拉应力未达到极限值，开挖下台阶无拉应力。同时，与振速对比可知，在监测爆破振动过程中，振动指标为重要指标之一，应力指标相对宽松[4]。

三、现场测量结果情况

复线隧道长度为600m，既有隧道与新建隧道平均间隔为15m，隧道内的岩石类型以III类围岩为主，且围岩的完整性良好、地表无岩溶发育，存在地下水发育。由于既有隧道通车频率较大，混凝土外观粗糙，且出水点较多，混凝土存在局部开裂现象。

在布置测点时，可将振速指标作为控制标准，并行严格的监测。因为临近隧道迎爆侧爆破振动速度大，在选择布置测点时，应选择在靠近新建隧道一侧，选择4个端面，共计12个测点，以找出迎爆侧的最大振动方向及部位，行长期监测。本研究的爆破振动测试均采用DSVM-4C型振动测试仪。测点装药量与振速值，详见表4。

通过对实测结果进行分析，笔者总结出以下几点：第一，采用台阶法开挖新建隧道过程中，进行下台阶底板眼爆破时的爆破振动最大，与计算结果相一致；第二，如果新建与既有隧道间距为15m，则既有隧道边墙最大振速为5cm/s，与计算结果相差无几；第三，在震源距离较远条件下，既有隧道迎爆侧边墙中上部振动速度值较大，而如果震源距离较近，则中下部振动速度较大，与计算结果相符；第四，爆破振动沿掘进方向传播，可为施工安全性提供指导；第四，对同一测点的测速表明，在环向、纵向及径向上，径向振速最大[5]。

结语：

综上所述，根据本文分析，可获得以下结论：一是复线隧道的施工，如新建隧道岩石类型为硬岩，则爆破振动可危及既有隧道结构的稳定性，且其边墙受到影响最大，所以应作为施工监测的重点；二是在监测过程中，由于振速指标相对比较严格，可作为监测指标；三是如果新建隧道施工采用台阶法，且为III类围岩，则开挖下台阶时的爆破振动，比上台阶开挖爆破振动对既有隧道衬砌结构影响大；四是对于III类围岩，上台阶爆破时，隧道间距<6m，既有隧道边墙、拱肩振速超出极限值；下台阶爆破时，间距<15m，边墙最大振速超出极限值，所以在新建隧道施工中，如果处于该影响范围，需加强对既有隧道衬砌的保护，确保施工的安全性；五是III类围岩既有隧道边墙部位，爆破动载产生的拉应力较大，如间距<6m，拉应力超出极限值；拱肩间距<6m，开挖上台阶时拉应力未超出极限值，而开挖下台阶时未出现拉应力。

参考文献：

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爆破振动监测 第4篇

关键词：地铁隧道,爆破开挖,炮孔深度,爆破振动

随着我国的城镇化进程的不断推进,各大城市的地铁工程建设也进入了一个新的时期。由于一些城市的地表土层较薄,在进行地铁隧道和车站基坑修建的过程中不可避免的会遇到大范围的坚硬岩体,进行爆破开挖即成了必然的途径。

地铁的修建多在城市繁华地区,人流量大,周围建筑物密集。隧道和车站基坑初期爆破开挖时爆破振动和爆破噪声对环境安全的影响很大,必须对爆破引起的爆破振动进行实时监测,总结爆破振动的衰减规律,控制爆破振动速度在安全范围内,以减小爆破振动对地面建筑物的影响[1—7]。已有的研究表明,影响爆破振动峰值速度的主要因素有炸药量和传播距离,减小装药量和掘进循环进尺无疑会减小爆破振动对周围建筑物的损害。然而从提高循环进尺、增加爆破效率的角度出发,人们又期望增加装药量和炮孔深度,以按时完成工程进度,提高经济效益。因此,如何减小爆破对周围建筑物的扰动,同时加快循环进尺,保证良好的爆破效果,是当前爆破施工的重点和难点[8,9]。以深圳地铁7 号线皇岗村—福民站区间隧道爆破开挖为工程背景,通过理论计算和现场试验相结合的手段,根据试验调整并优化施工方法及相关的爆破参数,在确保爆破振速满足设计要求的同时,加大了循环进尺,降低了掘进成本,实现了隧道爆破开挖的高效施工。

1 工程概况

皇岗村—福民站区间隧道为深圳地铁7 号线7304 - 2 标段,沿福民路段呈东西走向布置。隧道采用矿山法施工,起点为皇岗村站,下穿既有4 号线福民站,终点为福民。区间左线长392. 3 m,右线长395. 9 m,区间隧洞的最大埋深为16 m。皇—福区间隧道穿越砾质粘性土、全风化、强风化泥岩、中风化和微风化花岗岩等地质条件,地下水丰富,隧道距离最近建筑物的地下室仅16 m左右,施工难度较大。

区间隧道与皇岗村车站基坑相连处,基坑宽度为23. 9 m,深度为24. 8 m; 开挖隧道共有大断面和小断面两种形式。其中开挖左线隧道大断面采用CRD法施工,断面宽度为12. 1 m,高度为9. 49 m。施工时,按照Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区的顺序开挖,Ⅰ区首先进洞开挖5 m后暂停,进行右线小断面隧洞开挖和支护,保持左右线开挖掌子面间距20 m的安全距离,然后再进行左线隧道开挖,两种断面的上下台阶要求距离在3 ~ 5 m。同时左线大断面的左洞和右洞之间的掌子面前后要错开不小于5 m的距离。右线小断面采用上下台阶法施工,断面宽度为6. 4 m,高度为6. 6 m。隧道施工顺序的平面图和左线隧道大断面CRD法施工顺序图分别如图1 和图2所示。

施工现场根据不同的围岩情况采取不同的开挖和支护方法。基于皇岗村车站与基坑相连处的“上软下硬”的特殊地质条件,隧道的上台阶采用机械开挖; 下台阶由于是中风化和微风化花岗岩,则必须采用爆破法施工。

2 爆破振动测试

2. 1 爆破振动监测方案

主要研究左线区间隧道大断面爆破开挖对周围建筑物的影响,因此爆破振动监测方案共分为两部分: 第一部分是观测爆破振动波的衰减规律; 第二部分则是监测爆破对特殊保护建筑———庄氏祠堂的影响。庄氏祠堂属于古建筑类房屋,根据相关规定,其临界爆破振速为0. 5 cm/s。基于以上两个原则并结合工程实际,第一部分的监测点选择布置在左线区间隧道开挖的地面上,其中第一台爆破振动测试仪安放在隧道掌子面的正上方,剩下的测振仪以10m为间隔沿掘进方向依次布置,共设置4 个监测点;同时,在庄氏祠堂处布置一台爆破测振仪,用来监测爆破对庄氏祠堂的影响。爆破振动监测点的布置如图1 所示。

2. 2 监测结果及分析

在我国,研究爆破振动速度传播与衰减规律一般均采用萨道夫斯基经验公式。

式( 1) 中,V为质点的振动速度,cm/s; K、α 为与地形、地质条件等因素有关的系数衰减系数; Q为与振速相对应的最大一段起爆药量,kg; R为测点与爆心的直线距离,m。

萨道夫斯基公式是基于概率统计分析得到的预测公式,通过对监测得到的爆破振动数据进行回归分析,求出相关系数K和 α 的值,得出在相应传播介质和起爆方式条件下的分析公式。

根据萨道夫斯基公式可以反推在临界振速条件下,单次爆破允许的最大单段药量为

本次监测采用了TC-4850 爆破测振仪,爆破开挖初期,每一次爆破后都要结合现场情况和周围建筑物的分布对爆破参数进行相应的调整,共进行了15 次爆破振动测试,剔除了2 个奇异点后,将剩下的13 组数据进行指数拟合,得到了符合现场工程实际的回归分析曲线,如图3 所示。其中纵轴代表了爆破振动峰值速度v; 横轴代表了比例距离

根据拟合得到的回归曲线,可以得到相关系数K = 196. 1,α = 1. 943 5。从曲线上可以清晰的观察到,爆破振动速度随着距离的增加而不断减小。这是由于炸药产生的能量在介质中不断被消耗,爆破振动应力波随着距离的增大而不断衰减所致。由于在区间隧道的范围内地质条件变化很小,因此得到的爆破振动回归曲线具有指导后续爆破施工的实际意义。

3 爆破开挖方案

3. 1 爆破开挖原始方案

左线大断面进行CRD法施工时,先进行左半部分开挖,Ⅰ区采用人工和机械开挖,待掘进5 m后,再进行Ⅱ区的爆破开挖。根据地勘资料,Ⅱ区隧道围岩等级为Ⅴ、Ⅵ级围岩,根据“短进尺、弱爆破”的减振措施,爆破采用浅眼掘进控制爆破,上部开挖出露段作为临空面,爆破单循环进尺为1 m。掘进眼和辅助眼均平行于隧道的中线,炮孔直径为42 mm;周边眼则朝向轮廓外线斜角打眼,外斜角度1. 7° ~2. 5°,外斜率为3% ~ 4% ,眼底落在轮廓线外10 mm左右。根据式( 2) 计算爆破最大单段药量,取v =0. 5 cm / s。由于下台阶顶部距离地面为20 m,且隧道下台阶已经掘进15 m,此时下台阶掌子面距离庄氏祠堂的地面距离经计算为35 m,则最终可得爆破振动距离R = 40 m。将以上数据带入公式( 2) ,可以算出临界单段最大药量Q = 6. 3 kg。随着隧道的掘进,爆破掌子面距离庄氏祠堂越来越近,临界单段最大药量也会不断减小。为了安全起见,取最大单段药量为3. 0 kg。最终设计的爆破参数如表1 所示。

根据以上爆破设计参数和原则,具体炮孔布置和现场情况如图4 所示。

按照上述设计,每次爆破的开挖方量约为28m3,单位体积炸药耗药量约为0. 7 kg /m3。

爆炸产生的各能量波中,纵波传播速度较快,且在介质中呈Z方向( 垂向) 振动,测振仪中Z方向先触发; 同时一般情况下三向振动速度中垂直方向振速最大,因此选取庄氏祠堂处Z方向( 垂向) 的爆破振动波形进行分析,如图5 所示。

现场爆破使用了8 个段别的雷管,采用跳段的方式从1 段至15 段按奇数项选用布置。1、3 和5段处的爆破由于微差时间间隔较近,振动波形产生了复杂的叠加; 而后5 段由于起爆间隔时间较长,振动波形较为清晰。本次爆破振动峰值速度为0. 22m / s,远小于庄氏祠堂处要求的临界速度。这是因为下台阶爆破时,上台阶已经开挖并创造了良好的临空面,1 段掘进眼起爆时,随着炮孔自由面的增加,岩体的夹制作用降低; 其次下台阶顶部和拱顶之间存在的4 ~ 5 m的空腔起到了较好的隔振作用; 再次本次爆破的总装药量和单段装药量较少,控制了整体的爆破能量,从而减弱了爆破振动强度,因此下台阶爆破产生的振速较小。图6 爆破震动信号的功率谱密度与频率的关系,从图中可知,信号的主频为48 Hz,除了主频能量较高外,低频和高频成分都很小,属于典型的“窄带频谱”。且20 Hz以下的低频成分很小。由于建筑物的自振频率一般在10 Hz以下,可知设计的原始爆破方案不会对周围建筑物造成破坏。

3. 2 爆破开挖优化方案

工程现场经过几个循环进尺后发现,虽然爆破振速满足设计要求,但是由于炮眼深度较小,使的单循环进尺低,导致每个循环的装药、通风、出渣和清底等辅助工作时间增加,掘进效率低下,而进尺较短无疑也增加了炸药的用量和对隧道周围岩体和支护结构的损伤,使的整体成本显著增加。因此,在现场跟踪监测一段时间后,决定在原方案的基础上对爆破参数进行优化。

由于原方案爆破振动速度控制的较好,因此决定在不改变装药量的前提下,加大炮孔深度,降低单耗。经过现场的几次尝试后,最终将循环进尺调整为1. 5 m,炮孔布置无需改变。优化后的爆破参数如表2 所示。

观察图7 可以发现,振动波形图明显的分为了8 个段位,能清楚的找到掘进眼、辅助眼和周边眼的起爆时间点,说明各段位起爆后产生的能量和应力波基本无重叠增大现象,按照爆破设计的分段起爆方式可以有效的减少各段位的爆破能量叠加,达到了减振的效果。

图8 为对爆破参数优化后的信号频谱,再进行新方案的设计时隧道又掘进了约6 m,监测点距爆源的距离变小,爆破信号的主频率变大,为64 Hz,这和以往的研究结果是一致的。同时,20 Hz以下的低频成分依然很小,可知优化后的爆破方案对周围建筑物的振动影响在安全标准范围内。

对比优化前后的爆破振动波形图可发现,优化爆破参数后,爆破振动速度整体上有小范围的增加,爆破振动峰值达到了0. 3 cm/s,但仍然在规定的临界爆破振速以下。爆破振动速度略有增大可能是由于炮孔加深后,堵塞的长度也相应的增加,从而延长了爆破产生的能量和爆生气体对岩体的作用时间,增加了炸药爆炸后能量的利用率。同时,从优化前后的频谱图可知,两种方式的爆破振动主频率远高于建筑物共振频率,对建筑物的影响很小。经现场试验证明,该方法切实可行,爆破后的岩体破碎率较好,无需进行二次破碎。在确保爆破振速满足设计要求的前提下,降低了掘进成本,实现了隧道爆破开挖的高效施工。

4 结论

结合深圳地铁7 号线皇福区间隧道爆破开挖的工程实际,通过现场试验的方法,根据试验调整并优化施工方法及相关的爆破参数,同时控制因爆破振动对周围建筑物的扰动,取得了良好的施工效果,得到了一些规律和结论如下。

( 1) 根据现场的爆破开挖情况设计了相应的爆破振动监测方案,通过监测得到了适用于现场地质条件的振动质点速度衰减规律,获得了爆破振动回归分析曲线,确定了符合现场实际的K值和"值及相应的爆破振动预测公式,为后期的爆破设计及施工提供了理论依据。

( 2) 对初始爆破方案进行了优化,在不改变装药量的前提下,加大掘进循环进尺,降低爆破单耗。经现场实验证明,该方法切实可行。在确保爆破振速满足设计要求的同时,降低了掘进成本,实现了隧道爆破开挖的高效施工。

参考文献

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爆破振动监测 第5篇

目前我国正处城镇快速发展和基础设施建设的高潮,爆破工程在煤矿、金属矿、铁路、水利水电建设等领域发挥着越来越重要的作用。随着矿产资源开采的不断进行,使得施工现场周围的环境越来越复杂,山坡露天开采逐步转入深凹露天开采,开采区域离居民居住区也越来越近。爆破所引起的一系列负面效应,特别是爆破地震波的负面效应也越来越受到人们的关注和重视。爆破产生的地震动不仅会改变结构的渗透性,导致建筑物的损坏,而且会降低岩石的节理强度,造成岩石破裂或者块体失稳等等。在公民环保和社会意识的不断提高的今天,加强对爆破振动危害效应的监测与控制,采取合理有效的措施降低爆破振动产生的危害效应,保证爆区周围的人员财产安全,已成为当地政府对施工单位的一项强制要求。国内外许多爆破工作者也对此进行了广泛而深入的研究[1,2,5,3,4,5,6,7,8,9],学者们在大量研究的基础上提出了各种不同的爆破振动安全评判标准与控制措施[10,11,12]。

放马峪铁矿位于密云县城东北约45km处,现已建成四个采矿场(鞍子沟采矿场,四合采矿场,萝卜峪采矿场和谣亭采矿场),总储量达900万吨,年采剥总量400多万吨,矿石产量100万吨,属于小型露天矿山。矿山采场离民房较近,矿山周围环境复杂。当地政府要求企业必须对其爆破振动产生的危害效应进行实时监测分析与安全评价,并制定合理有效的措施保证周围环境的安全。根据放马峪铁矿的实际情况,中国工程爆破协会为其制定了分区爆破的开采方案,根据民房距爆源的远近进行爆破性分区,在不同的爆破性分区内,采用不同的爆破参数和爆破方法,进行毫秒延时分段起爆,并委托首都经济贸易大学对爆破产生的振动进行了实时监测。监测区域分别为离厂部4km的鞍子沟采矿场,离厂部12km的四合采矿场和离厂部21km的萝卜峪采矿场。

1 监测内容与方法

爆破地震效应监测的主要内容为,监测不同装药量和不同距离条件下,露天台阶爆破产生的地震波振动速度和振动频率,通过对监测结果的处理,得到爆破地震波传播的规律性。

1. 1 监测仪器

为了获得好的监测效果,选择精密准确的监测仪器非常关键。监测仪器为四川拓普测控科技有限公司生产的UBOX—20016型爆破振动记录仪,该地震仪是一台高分辨率、高采样速度、输入信号频带宽、多通道、量程可调、无需布线的数据采集设备。其主要硬件指标如下:最高采样率为200KSps/CH;A/D分辨率为16Bit;量程为±1V、±2V、±5V、±10V程控;输入阻抗为1兆欧;输入电容≤25PF;输入信号带宽为0-100KHz;直流精度误差≤±0.2%;通道间相位差平坦响应频率带内≤0.3°(0-20KHz);带内波动≤±0.05dB;信噪比≥76dB;通道间隔离度≥100dB。

爆破振动速度监测传感器采用与UBOX-20016数据采集设备配套的振动速度传感器,传感器PS—4.5(垂直方向速度)和PSH—4.5(水平方向速度),其主要技术指标如表1所示。

1.2 监测方法

监测方法及步骤如下:

(1)监测点的选择。选择的地点应地表平整、区内无大的地质构造、基岩出露方便安置传感器,监测点的交通要便利、通视条件要好。测线布置应根据爆破现场具体的地质地形,选择基岩作为传感器的布置地点,方向可在爆区的任意方向,测点尽量呈直线形分布。若实际条件受到限制可适当调整布点方向。

(2)仪器参数设定。根据爆破规模,监测点与爆区距离,设定地震监测仪的监测电压、触发门槛值、数据采样速率、采用负延时、仪器触发方式。

(3)传感器的安放。在选定的监测地点安装传感器之前,应清除地表浮土、浮石、疏松物以及各种不利于粘接的物质。然后用强力快粘粉将传感器与基岩进行良好的耦合粘接。三个传感器彼此相互垂直,分别用于监测垂直振动速度、横向水平振动速度和纵向水平振动速度。将传感器连接到UBOX-20016型爆破振动记录仪。传感器现场安置粘结如图1所示。

(4)爆破前开机。打开UBOX-20016型爆破振动记录仪的电源开关,如果有爆破振动信号传来,记录仪将自行工作,记录数据。

(5)当爆破振动信号达到设定的触发值时,记录仪开始纪录。此时POWER灯继续亮,ACQ灯亮,TRIG灯先灭,表示正在记录数据,然后ACQ灯灭,表示一次数据采集完成。

(6)爆破完成后,关掉UBOX-20016爆破振动记录仪电源开关,将其带回与计算机连接读取数据。

2 数据处理与分析

2.1 数值分析

在放马峪铁矿爆破现场测得了120多组数据[13,14]。在进行线性拟合前,应先剔除数据中的异常值,由于本文同时监测的爆破振动的数据中每组都包含三向爆破振动数据,所以在剔除异常值时应将该组数据全部剔除,以便进行三向振动衰减规律的对比分析。剔除异常值后得到106组数据,将其输入Origin8.0进行回归分析,分别求出三向振动的K、α值,从而建立相应的爆破振动速度预测公式。

2.1.1 垂直向振动速度分析

将垂直向爆破振动数据输入Origin8.0进行回归分析得到分析结果如图2所示。

根据分析结果建立垂直向振动速度预测公式如下:

$v{}_V=45.67\times \left(\frac{\sqrt[3]{Q}}{R}\right){}^{1.43}$ (4)

2.1.2 水平径向振动速度分析

将水平径向爆破振动数据输入Origin8.0进行回归分析得到分析结果如图3所示。

根据分析结果建立水平径向振动速度预测公式如下:

$v{}_L=52.22\times \left(\frac{\sqrt[3]{Q}}{R}\right){}^{1.54}$ (5)

2.1.3 水平切向振动速度分析

将水平切向爆破振动数据输入Origin8.0进行回归分析得到分析结果如图4所示。

根据分析结果建立水平切向振动速度预测公式如下:

$v{}_{{\rm T}}=59.76\times \left(\frac{\sqrt[3]{Q}}{R}\right){}^{1.48}$ (6)

2.2 线性回归结果分析

(1)三个回归公式的相关系数分别为:0.66055、0.64805、0.66179。这说明用于线性回归的爆破振动速度实际监测数据具有一定的相关性,据此建立的预测公式可用于爆破振动速度的预测,但其离散型较大,在实际过程中应以预测值为参考,适当增加安全系数,以确保周围环境的绝对安全。根据回归公式,对不同药量、不同距离处爆破振动速度进行预测。选择单响最大药量Q=100、200、300kg,R=50m、150m、250m时的三向爆破振动速度的预测值如表2所示。

根据《爆破安全规程》(GB6722-2003)中规定民房的爆破振动的最大允许速度为2cm/s,以垂直振动速度做为衡量爆破地震效应的依据则:当爆破区域距离建筑物60m时,最大一段起爆药量应控制在100kg以内;当爆破区域距离建筑物100m时,最大一段起爆药量可增加至300kg;当爆破区域距离建筑物150m时,最大一段起爆药量到达800kg及以上也是相当安全的。因此放马峪铁矿采取的爆破分区方案是安全可行的。

说明:冗余值为计算值增加30%的安全系数后的修正值。

(2)三相回归公式中的K,α值分别为45.67,1.43;52.22,1.54;59.76,1.48。这与《爆破安全规程》(GB6722-2003)中提供的参考值(坚硬岩石中K取50-150,α取1.3-1.5)相比,K值较小、α值较大,这说明放马峪铁矿的爆破振动的数值较小,衰减较快。分析认为主要是因为放马峪铁矿采用毫秒延时爆破,波形相互干扰叠加,加快了地震波能量的耗散,从而起到了良好的降振效果。

(3)通过对三相回归公式的K,α值的对比分析可以看出,垂直向的K值和α值最小,分别为45.67、1.43;水平径向的α值最大为1.54,K值居中;水平切向的K值最大,为59.76。这说明垂直向的爆破振动速度的衰减较慢,其在近区数值较小,远区数值较大;水平径向的衰减速度最快,其爆破振动数值最小;水平切向爆破震动速度的衰减居中,但其K值最大,说明其在近区爆破振动速度最大,随着距离的增加其爆破振动速度的值将小于垂直向爆破振动的数值。因此在评价爆破振动产生的破坏时,不应单一选取爆破振动速度的垂直分量作为评判标准。

3 结论

(1)通过对放马峪铁矿爆破振动的106组数据分析,分别得出了其垂直向、水平切向、水平径向的K、α值,建立了爆破振动预测公式。通过预测分析认为放马峪铁矿采取的爆破分区方案是安全可行的,符合《爆破安全规程》(GB6722-2003)的规定。

(2)爆破振动的三相回归公式中的K,α值与《爆破安全规程》(GB6722-2003)中提供的参考值相比,K值较小、α值较大,说明了放马峪铁矿的爆破振动的数值小,衰减快。这为毫秒延时爆破能够加快地震波的能量耗散,起到干扰降振作用的理论提供了有力论据。

(3)同一次爆破中,爆破振动速度的垂直向分量不一定总是最大,在评价爆破振动产生的破坏时,不应单一选取爆破振动速度的垂直分量作为评判标准,而应选择建构筑物所处位置振动速度分量中的最大值。

摘要：对放马峪铁矿三个采矿场分区爆破的振动速度进行了监测,在剔除异常值后得到了106组三向振动的峰值速度,然后对三向振动速度分别进行回归分析。分析结果表明:放马峪铁矿采取的爆破分区方案是安全可行的,符合《爆破安全规程》(GB6722-2003)的规定;爆破振动的三相回归公式中K值较小、α值较大,说明了毫秒延时爆破能够加快地震波的能量耗散,从而起到干扰降振的作用;同一次爆破中,爆破振动速度的垂直向分量不一定总是最大,在评价爆破振动产生的破坏时,不应单一选取爆破振动速度的垂直分量作为评判标准,而应选择建构筑物所处位置振动速度分量中的最大值。

爆破振动监测 第6篇

目前,隧道扩建主要有隧道的新建和原位扩建两种形式[1]。对于新建隧道,由于早期既有隧道施工已使得地应力场分布发生改变,因而新建隧道的施工过程实质上是一个在新平衡的基础上对围岩的再次扰动过程[2]。隧道原位扩建是在既有隧道的基础上再次施工,首先打破原有隧道结构,然后将既有隧道扩挖至设计轮廓面[2]。隧道工程施工过程中,钻爆法是应用最为广泛的方法,这种施工方法施工机械比较简单,工艺成熟可靠,而且炸药价格便宜来源广泛。但是,钻爆法施工会带来一些不利影响,爆破振动会引起岩体内部和地表产生强烈的地震效应,危及周边结构的稳定。隧道改扩建过程中,往往会因为地质条件、路线规划、保护耕地等原因使得新(扩)建隧道与既有老隧道间距较近。这种情况下,掌子面爆破施工时会对既有隧道的稳定性产生很大影响[3]。

本文以福建漳龙高速后祠隧道工程为依托,进行爆破振动现场监测与控制技术研究,为指导隧道扩挖施工,确保既有隧道的安全稳定提供理论依据。

1 工程概况

漳龙高速公路后祠隧道位于龙岩市适中镇上郑村与新祠村之间,为双洞四车道普通分离式隧道,于2001年完工并投入运营。由于受到高速公路扩建的需要,该隧道拟扩建为三洞九车道隧道,具体扩建方案为:在既有隧道左侧新建三车道隧道,并且利用原左洞,同时将既有右侧二车道隧道原位扩建为四车道隧道。其扩建施工组织为新建三车道隧道先行施工,施工期间既有左右老洞维持通车,新建隧道通车后,再扩建既有右洞,最终形成独特的三洞九车道大断面隧道群。图1为后祠隧道洞室位置关系图。其中,左线新建三车道隧道净空14.00 m×5.0 m(宽×高),右线净空9.25 m×5.0 m(宽×高)。左侧老洞桩号K130+468~K132+015,全长1547 m;右侧老洞桩号YK130+530~YK131+528,全长998 m。

后祠隧道采用新奥法施工,遵循“管超前,严注浆、短开挖、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则。进出口同时进洞,利用自制式简易开挖作业台架,采用湿钻法,人工手持风钻钻眼,预裂或光面爆破。利用正装侧卸式装载机配合自卸车出碴,压入式通风。衬砌采用液压衬砌台车一次性拱墙衬砌成型,混凝土采用商砼或拌和站集中拌制,混凝土罐车运输,混凝土泵车泵送入模。喷射混凝土采用湿喷工艺,防水板施工采用无钉铺设。主要采用台阶法施工,根据围岩情况,必要时预留核心土,上下台阶距离控制在10~15 m,及时初喷混凝土封闭围岩,必要时喷射混凝土封闭掌子面。根据监控量测及施工观测、超前地质预报等反馈信息及时调整支护参数及施工方法,加快仰拱闭合时间,减少其临空时间,确保施工安全并控制地表下沉。图2为台阶法炮眼布置图。

2 爆破振动监测

2.1 监测方法及原理

隧道爆破振动现场监测采用TC-4850爆破测振仪,该仪器能对爆破振动和冲击信号进行长时间现场采集、记录和存储,如图3所示。图4为TC-4850爆破测振仪工作原理图,整套仪器由现场速度或加速度传感器、采集记录仪和分析处理软件组成。仪器通过信号接口与传感器直接相连,放置于振动测试点,采集现场振动信号并保存,通过通讯接口与PC机连接,分析处理软件读取记录仪内保存数据,并进行显示。

2.2 测点布置

由于既有右洞的原位扩建工作尚未开展,因此仅对新建隧道爆破施工的振动效应进行监测,测试地点位于左侧老洞,距离洞口120 m(V)、240 m(IV)、370 m(V)、490 m(IV)处。爆破振动在掌子面前后的主要影响范围约20 m,因此掌子面前后布置5个测点,各测点间距10 m[1,4]。小净距隧道爆破施工对相邻隧道产生的最大振动速度出现在迎爆侧的边墙和拱部,拱部的最大振动速度稍小于边墙处,爆破振动测试主要在既有左侧隧道迎爆侧边墙部位进行[[6]]。图5所示为爆破振动测点布置示意图。

2.3 监测结果分析

现场监测共得到有效振速数据4组共622段,其中,振速大于10 cm/s的数据为0段;大于6.8cm/s的数据为11段;大于5 cm/s的数据为25段;大于3 cm/s的数据为64段;其余数据为522段。表1为爆破振动安全允许振速。根据表1,新建隧道爆破施工对左侧老洞的振动影响没有超出《爆破安全规程》和爆破公司的允许峰值振速;此外,共计11段数据(占比1.768%)超出爆破公司的设防振速。综上所述,新建隧道爆破施工不会对左侧老洞的安全造成重大威胁,而部分监测结果偏大的原因在于:(1)炮孔布置未严格按照设计要求;(2)部分区域单循环开挖进尺较大;(3)现场地质条件与《工程地质勘察报告》不完全吻合。

第一组监测结果振动效应较显著,现选取该组数据探讨爆破振动沿掌子面前后的衰减规律。桩号分别为:K130+870、K130+880、K130+890、K130+900、K130+910,图6为监测结果(其中红色框选位置为爆破掌子面对应位置)。由图6可知,新建隧道爆破施工时,左侧老洞的振动响应在掌子面前方先增后减,掌子面后方一直衰减,振速最大值出现在掌子面前方10 m左右位置处。

3 隧道爆破控制技术研究

由2.3节可知,新建隧道爆破施工不会对左侧老洞安全产生重大影响,但是仍有部分区域振动响应较为强烈,后续施工过程中将出现构造破碎带等不良地质作用;与此同时,既有右洞原位扩建时围岩质量较差且中夹岩厚度普遍较小,国内关于原位扩建隧道的工程经验还不够丰富。因此,有必要对爆破方案及参数展开优化研究,进一步降低爆破振动效应(尤其是原位扩建隧道应采取较为保守的爆破方案),笔者针对爆破施工步序、掏槽爆破延时时间展开讨论。

本文基于ANSYS/LS-DYNA软件,建立实际隧道工程模型,模拟新(扩)建隧道爆破施工过程,开展隧道爆破施工步序及延时时间优化研究。

针对隧道爆破施工步序优化问题,计算模型左右侧边界取60 m,上侧取至山顶,下侧边界取60 m,掌子面前后各取50 m,最终形成165 m×128 m×100 m的立方体模型,如图7所示为已建立的三维数值模型。根据前期地质勘察报告,后祠隧道洞身围岩以中-微风化花岗岩为主,总体围岩以Ⅳ级为主,地表层为Ⅴ级围岩。本文采用材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC来模拟岩体的非均质、非连续、各向异性等特性,并使用DruckerPrager屈服准则来判断塑性屈服,同时将岩体简化为三种材料(微风化花岗岩、中风化花岗岩和全风化花岗岩),表2为其物理力学参数。模拟过程中,将爆破荷载简化为三角形荷载直接施加在等效弹性边界上[9]。

针对隧道爆破延时时间问题,计算模型左右侧边界取60 m,上侧取至山顶,下侧边界取60 m,建立二维数值模型,并将爆破荷载直接施加在炮孔壁上,图8所示为掏槽孔布置示意图。

3.1 隧道爆破施工步序优化

图9为原位扩建隧道爆破开挖程序示意图。首先在开挖断面轮廓线上进行预裂爆破,即图示中的工序(1);然后采用上下台阶法开挖,依次开展工序(2)、(3)、(4)、(5),其中开挖步(2)将产生较大的振动响应[4]。该方案的优点是掏槽爆破位置与左侧老洞距离较远,缺点是爆破时的炮孔夹制作用较强。

国内外的研究工作充分表明炮孔夹制作用对爆破振动效应的影响更显著[[10]],因此笔者提出新的开挖步序,如图10所示。与原方案相比,该方案将开挖步(2)、(4)调换。新的开挖方案在上台阶爆破施工时增加一个临空面,炮孔夹制作用减弱,缺点是掏槽爆破位置与左侧老洞距离较近。

本文选取典型监测断面K131+120、K131+130、K130+990、K131+030进行分析,图11所示为新旧开挖方案下左侧老洞轴向的振速对比情况,表3所示为新旧开挖方案下左侧老洞横断面的振速对比情况。

由图11、表3可知:(1)右侧老洞原位扩建爆破施工时,既有左洞横断面动力响应规律为:迎爆侧边墙>拱顶>拱底>背爆侧边墙;既有左洞轴向动力响应规律为:轴向振速最大值位置紧邻掌子面且基本等于掌子面处的振动速度,掌子面前后振动速度随距离逐渐递减,主要影响范围为掌子面前后20 m。(2)新方案下,左侧老洞横断面各位置处的振动速度得到显著降低,优化率普遍大于30%,轴向各控制点的振动速度也得到明显降低。(3)由于左侧老洞迎爆侧边墙动力响应最为显著,轴向振速最大值基本等于掌子面处的振动速度,笔者将原位扩建隧道爆破施工时左侧老洞掌子面位置迎爆侧边墙振速作为评判指标,新方案下爆破振动效应降低30%以上。

3.2 隧道爆破延时时间优化

原方案5个掏槽孔爆破时同时起爆,而已有研究表明毫秒微差爆破可以显著降低爆破振动效应[11—13],因此笔者拟提出合适的爆破延时时间。

李存国等[14]概括总结了国内外关于微差爆破作用机理的几种假说:(1)新自由面假说:自由面越大越多,爆破振动对邻近结构物的影响越小,微差爆破产生了更多的自由面,爆破振动效应因此得到控制;(2)残余应力假说:先爆炸的药包产生爆生气体,这就使得介质处于准静压状态,建立了残余应力场,而且对裂隙起着楔子和膨胀作用,其后爆炸的药包就是利用这种残余应力来改善爆破质量;(3)应力波干涉假说:土岩被抛出去之前,因为应力波和爆生气体共同作用,周围介质都处于准静压状态,生成裂隙并且不断扩展,如果延时时间间隔选取恰当,那么后爆炸的药包将在残余应力场消失之前产生新的应力场,新产生的应力场与先前产生的应力场叠加在一起,增大对介质的作用,显著提高土岩破碎效果,并减小土岩块度;(4)地震效应假说:合适的微差间隔时间能够使先后爆破的两药包所产生的能量在空间和时间上相互错开,尤其是地震波的两个主震相,这样才能显著降低地震效应,与此同时地震波之间的相互干扰同样会降低地震强度;此外,微差爆破使得爆区总药量分散开来,可以控制单段最大装药量所产生的爆炸能,因此可以降低爆破地震效应。

现阶段国内外学者主要从两个角度来研究最佳爆破延时时间:(1)设置足够大的爆破延时时间,使各个炮孔炸药爆炸时产生的振动波形完全分离,最终的振动效应类似于单孔起爆;(2)设置适当的延时时间,使得前后爆破引发的两个波形正好是波峰、波谷相遇,这样就最大程度地降低了振动效应,理想情况下该方案引起的振动效应会低于单孔起爆[11]。

苏波等[3]认为第2种方案建立在地震波是非常理想的正弦波的基础之上,然而事实上地震波复杂多变,振动周期并不固定,降振的效果很难达到预期;第一种方案较为可靠,但是需要注意延时时间过大时会造成不良影响。

因此,本文以新建隧道开挖断面ZK130+880为例进行分析,拟提出合适的延时时间使各个炮孔炸药爆炸产生的振动波形完全分离。笔者设计了7种延时时间方案:0、1、3、5、10、15、20 ms,如图12所示为不同延时时间条件下振动速度时程曲线(其中A表示左侧边墙、B表示右侧边墙、C表示拱顶、D表示拱底)。

(1)如图12(a)所示为掏槽孔单孔起爆振动速度时程曲线,最大振动速度为2.393 cm/s,进行该项模拟以与多孔起爆不同延时时间的振动效果做对比。

(2)如图12(b)所示为掏槽孔同时起爆振动速度时程曲线,最大振动速度为8.682 cm/s,波形出现一对主要的波峰、波谷,表明五个掏槽孔的振动效应几乎全部叠加在一起,振动速度较大。

(3)如图12(c)所示为掏槽孔各孔间延时1 ms振动速度时程曲线,最大振动速度为7.363 cm/s,与同时起爆相比振动速度已经有所降低,但是波形依然出现一对主要的波峰、波谷,表明五个掏槽孔的振动效应依然明显地叠加在一起,振动速度较大。

(4)如图12(d)所示为掏槽孔各孔间延时3 ms振动速度时程曲线,最大振动速度为2.56 cm/s,与同时起爆相比振动速度下降明显,波形中出现两对主要的波峰、波谷,表明5个掏槽孔的振动叠加已经明显减弱,振动速度较小。

(5)如图12(e)所示为掏槽孔各孔间延时5 ms振动速度时程曲线,最大振动速度为2.384 cm/s,与图12(d)相比振动速度再次小幅度减小,波形中出现3对主要的波峰、波谷,表明五个掏槽孔的振动叠加效应进一步减弱,振动速度进一步减小。该振速小于单孔起爆振动速度,表明波形存在反向叠加,降低了爆破振动效应。笔者认为这样降振效果是不可控的,应当进一步设置延时时间使得振动波形完全分离。

(6)如图12(f)所示为掏槽孔各孔间延时10 ms振动速度时程曲线,最大振动速度为2.391 cm/s,小于单孔起爆振动速度,表明波形也存在反向叠加,降低了爆破振动效应,波形中出现五对主要的波峰、波谷,但是前一个波尾与后一个波头粘连在一起,应当继续加大延时时间使得爆破波形完全分离。

(7)如图12(g)所示为掏槽孔各孔间延时15 ms振动速度时程曲线,图中最大振动速度为2.393cm/s,波形中出现五对主要的波峰、波谷,并且前一个波尾与后一个波头分离,表明五个掏槽孔的振动效应在该时刻基本分离,爆破振动效应类似于单孔起爆。

(8)如图12(h)所示为掏槽孔各孔间延时20ms振动速度时程曲线,最大振动速度同样为2.393cm/s,与图12(g)相比,振动波形进一步分离。

为了进一步分析不同延时时间的差异,本文将各延时时间振动速度峰值列表显示,同时列出不同延时时间条件下的优化率,详细情况如表4所示。由表4可知:(1)延时时间≥15 ms时,爆破振动效果相当于单孔起爆,振速曲线基本完全脱离,不再产生波形叠加;(2)延时时间为5 ms时,爆破振动曲线存在反向叠加,振动效应得以减弱,低于单孔起爆振速,国内外学者认为这种降振效果是不可控、不稳定的,不适用于具体施工过程[11];(3)延时时间≤3 ms时优化效果对延时时间非常敏感,延时时间>3 ms时优化效果对延时时间的敏感度减弱。

考虑到延时时间过大会对爆破进程产生不利影响,笔者建议将掏槽孔各孔间延时时间定为15 ms。

苏波等[3]认为对于某一固定的延时时间,爆破近区波形分离,随着爆心距的增大波形逐渐叠加在一起。上述研究内容选取的隧道断面是ZK130+880,其中夹岩厚度是26 m,而后祠隧道中夹岩厚度为22~120 m,有必要进一步探讨不同中夹岩厚度条件下延时15 ms的降振效果。由于中夹岩厚度很大时爆破振动效应较弱,本文只需在拟定的延时时间15 ms下确保中加岩厚度为22~40 m位置振动波形完全分离。因此,分别对中夹岩厚度为22、26、30、40 m的开挖断面进行验证,如图13所示为不同中夹岩厚度条件下振动速度时程曲线。

由图13可知:各振速时程曲线基本不发生明显叠加,都出现五对主要的波峰、波谷,表明掏槽孔各孔间延时时间15 ms是合理的,可以应用于整个施工过程。

4 结论

(1)现阶段新建隧道爆破施工不会危及既有左洞的安全稳定,掌子面前方振动速度先增后减,掌子面后方一直衰减,振速最大值出现在前方10 m左右位置处。

(2)右侧老洞原位扩建爆破施工时,既有左洞横断面动力响应规律为:迎爆侧边墙>拱顶>拱底>背爆侧边墙;轴向动力响应规律为:振速最大值位置紧邻掌子面且基本等于掌子面处的振动速度,掌子面前后振动速度随距离逐渐递减,主要影响范围为掌子面前后20 m。

(3)既有右洞原位扩建时应当首先开挖左侧岩体,初始起爆的炮孔夹制作用明显减弱,爆破振动效应较原方案降低30%以上。

爆破振动信号分析技术研究 第7篇

现代爆破技术越来越广泛地应用于矿山、水利、交通、隧道开挖等工程。在完成岩石爆破破碎的同时, 必会伴生爆破飞石、地震波、噪音、粉尘等爆破公害。爆破地震波对周围建筑物的影响即爆破地震效应产生的破坏作用可谓爆破公害之首, 爆破振动危害控制一直是国内外爆破安全技术的重要研究课题。爆破振动信号的分析技术又是研究爆破振动控制的基础和前提。对实测的爆破地震波采用各种数字信号处理技术进行分析和处理, 提取信号的时频特征, 一直是爆破振动信号分析的主要研究方向之一。

爆破地震波作为一种由爆炸应力波转换而来的、在岩土介质中传播的能量逐渐衰减的扰动, 所产生的振动信号具有短时、突变快等特点, 是一种典型的非平稳随即信号[1]。基于平稳信号理论的傅里叶变换在爆破振动信号分析中存在极大的局限性, 目前已出现了很多信号分析方法。本文将简单介绍现代爆破振动信号分析中常用的傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、小波包变换以及HHT变换在爆破振动信号处理中的应用, 并从时频局部化和分辨率等方面较为详细地阐述各种方法的优缺点。

2 傅里叶变换 (FT)

FT是信号分析的基础和处理中的经典技术, 是处理平稳信号最常用也是最主要的方法。函数f (t) ∈L2 (R) 的连续FT的定义为

FT是时域和频域之间相互转化的工具, 其实质把原信号f (t) 分解成许多不同频率的正弦波的叠加, 即得到f (t) 的频谱图。

FT具有良好的频域分辨率, 基函数易于分解, 且计算方便, 同时由于库利和图基开创了快速算法, 使其在爆破振动信号分析中的得到了广泛地应用。宋熙太[2]通过FT对大型洞室爆破实验进行分析, 指出爆破远区爆破振动波的各种成分可在时空上彼此分离;并认为远区波谱地震波的传播是一线性过程。E D Siskind论述了频谱成分和响应谱在采矿爆破振动中的应用。张奇等通过FT指出爆破地震波频谱特性与测点距离、传播路径、装药量等有一定的相关性。

但FT有以下不足:FT中的傅里叶系数都是常数, 不随时间变化, 因而只能处理频谱成分不变的平稳信号, 不能适用于非平稳信号;它是全时间域上的加权平均, 反映的是整个信号全部时间下的整体频域特征, 不能提供任何局部时间段上的频率信息, 即存在时频域的局部化的局限性。

基于以上不足, 可以对FT进行改进: (1) 将变换系数视为随时间变化的, 级数求和由一重变为两重; (2) 使用能反映局部信号的变换。这就是以后的短时傅里叶变换和小波变换等的思想来源。

3 短时傅里叶变换 (STFT)

为克服FT的不足, Gabor于1946年引入了STFT。

STFT的基本思想是假定f (t) 在g (t) 的一段时间间隔内是平稳的, 用g (t) 去截取f (t) , 并将截下来的局部信号做FT, 即可得到b时刻的FT。不断移动窗函数g (t) 的中心位置b, 即可得到不同时刻的FT。这些FT的集合就是STFTf (ω, b) 。

马瑞恒和钱汉明等利用STFT讨论了时频分布在爆破振动信号处理中的应用。

STFT中只要基本窗函数g (t) 确定, 则时频分辨率也就固定了, 即STFT实质上是具有单一分辨率的分析。而要改变分辨率, 只能重新选择窗函数。但根据Heisenberg测不准原理, 时间分辨率和频率分辨率不能同时任意小。因此STFT中要取得较高的时间分辨率就要牺牲频率分辨率, 反之亦然。而对于爆破振动信号这样的非平稳信号, 在信号变换剧烈时, 必然含有迅速变化的高频分量, 这就要求较高的时间分辨率, 而在变化平缓时刻, 则要求较高的频率分辨率。STFT不能兼顾两者。这使得其在分析爆破振动信号时受到很大的限制。

4 小波变换 (WT)

为克服STFT分辨率上的单一性, 法国地质物理学家J.Morlet于20世纪80年代初提出了WT的概念。

对于任意的函数的WT为:

其中, 为小波基函数, a为尺度因子, τ为平移因子

WT同STFT相类似, 其出发点是一个基本小波 (即母小波) , 通过伸缩和平移变换处理, 派生出一系列的小波基函数, 将小波基函数作用于待分析信号, 就形成了WT。

WT能提供一种“自适应变化”的时频窗结构, 即窗口面积不变但时窗和频窗都可变的时频局部化分析方法。WT具有多分辨率特性, 通过适当地选择基本小波, 可以使WT在时频两域都具有表征信号局部特征的能力, 且能在时域和频域内同时得到较高的分辨率。

利用WT对爆破振动信号进行分析已引起了众多研究学者的关注。何军首先将小波分析理论应用到了爆破振动信号分析中。赵明阶应用WT-FT对爆破振动信号进行时频域分析, 从爆破振动信号中分离出真实的振动信号, 并对其频率特征进行精心分析。凌同华、李夕兵运用WT模极大值和时能密度法识别微差爆破中的实际延迟时间。

5 小波包变换 (WPT)

WPT是在WT的基础上进一步提出来的, 其基本思想是把WT中没有分解的高频部分也同样分解为高、低频部分。

设n是一个倍频程细化的参数, 则小波包可以简略地记为:

其中 称 为具有尺度指标j、位移指标k和频率指标n的小波包。将它与WT中的ÁÁÂ (t) 对比发现, WPT中增加了一个频率参数n, 正是n的作用, 使WPT克服了WT在时间分辨率高时频率分辨率低的缺陷。

WPT在爆破振动信号分析上应用极为广泛, 宋光明采用WPT对不同矿山中的深孔爆破数据进行分析, 得出了不同的爆破条件、传播介质、爆心距等对爆破振动信号的时频特征的影响。娄建武运用WPT对爆破地震波测试信号特征量提取, 分析了爆破地震波不同频带下小波包系数的衰减规律, 建立了基于不同频带小波包系数的爆破地震波预报模型。中国生利用WPT分析实测爆破振动数据, 建立了能考虑爆破振动强度、频率和齿数时间及受控建筑物本身的动态响应特性等因素综合的安全判据。

WT及WPT是目前分析爆破振动信号的最有效方法之一。但WT和WPT本质上是一种窗口可调的FT, 其窗内的信号必须是平稳的;小波基的有限长会造成信号能量的泄漏, 使信号的能量-频率-时间分布很难定量给出;小波基函数的选择具有多样性, 不同的小波基分析同一问题会产生不同的结果。

6 希尔伯特-黄变换 (HHT)

HHT是1998年由美国宇航局美籍华人Huang等提出的。HHT由EMD (经验模态分解) 法和Hilbert变换两部分组成, 核心是EMD。HHT变换从本质上讲是对一个信号进行平稳化处理, 即将时间信号经过EMD分解, 使真实存在的不同尺度的波动或趋势逐级分解出来, 产生一系列具有不同特征尺度的系列 (IMF, 本征模态系数) , 然后对每个IMF进行Hilbert变换, 从而进一步得到该信号的Hilbert谱、时频能量谱等。

HHT是近些年提出的适合处理平稳信号和非平稳信号的有效方法, 是对以FT为基础的信号处理方法的一大突破。HHT较之以前的信号处理方法具有诸多优点:它较依赖于先验函数基的FT及WT等更适合于处理非平稳信号, 是一种自适应的时频局部化分析方法, 没有固定的先验基底;它能精确地做出时间-频率图;它引入了瞬时频率的概念, 定义为相位函数的导数, 不需要整个波来定义局部频率, 因而可以实现在低频信号中辨别出奇异信号, 较WT有了明显的进步;第一次给出了IMF的定义, 指出IMF的幅度允许改变, 突破了传统的将幅度不变的简谐信号定义为基底的局限, 使信号分析更加灵活。

国内的一些学者已将HHT引入到了爆破振动信号分析当中, 张义平和李夕兵介绍了HHT的原理, 并用HHT对爆破振动信号进行滤波、消噪、时频分析等分析处理, 并与WT进行对比研究, 发现HHT法在分析爆破振动信号时较WT更具有适应性。陆凡东在分析石方爆破噪声产生机理的基础上, 利用HHT分析了有关爆破噪声记录, 探讨了石方爆破噪声的时频特性。

HHT比FT、WT等在处理爆破振动信号方面有了很大的改进与提高, 但由于其提出的时间不长, 在许多方面还存在问题:如何解决包络线不完全包络和因三次样条插值引起的过冲和欠冲;如何减少分解中由于端点摆动而引起的污染;如何保证EMD分解效果的唯一性和分解收敛标准的取值问题;以及如何解决其在高频区频率分辨率不高, 低频区出现不合理频率成分的问题等。

7 结论与展望

本文对FT、STFT、WT、WPT和HHT的原理进行了简略介绍, 并对几种方法的优缺点进行了比较, 并对其在爆破振动中的应用研究进行了概述。可以发现随着信号分析技术的不断发展, 采用先进的信号分析技术可以得到比以往更准确、详尽的信息数据, 对爆破振动信号和震动效应的认识也更加深刻, 从而可以建立更加准确的爆破震动效应的安全判据。

现代爆破信号分析处理技术对爆破震动效应的研究取得了一定的成果, 但尚有许多问题需要进一步的研究:

(1) 由于测量仪器和测量手段的限制, 目前实测的爆破振动数据都是爆源中远区的数据。因此可以研制更先进的工具以获取爆源近区的振动数据, 开展爆源近区地震波的传播规律研究。对爆破安全技术的发展和改善爆破效果具有重要的意义。

(2) 实测的爆破振动信号由于测量仪器和周围环境的干扰, 需要进行消噪处理, 但现在的消噪技术都不能有效地去除所有噪声同时保证不丢失有用成分。因此可对信号检测和滤波消噪技术进一步改进, 提高实测信号的精确度。

(3) 现在应用信号分析处理技术研究爆心距、单段装药量等因素对爆破振动的影响都是定性分析, 没有有关的具体参数形成一个综合考虑各种影响因素的安全判据表达式。确定统一判据的有关具体参数、爆破振动破坏新标准的建立有待以后更深入的研究和大量的实测资料的检验。

摘要：由于爆破振动信号具有短时非平稳的特点, 传统的傅里叶变换不能满足爆破振动信号的研究, 现已出现了很多信号分析方法。本文结合现代爆破振动信号分析常用的傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、小波包变换、HHT变换的原理分析了各种方法的优缺点, 并简述爆破振动分析技术的研究现状。

关键词：爆破振动信号,傅里叶变换,技术

参考文献

[1]Worsey P, Rupert G.Vibration monitoring and control of blasting as-sociated with the construction of a highway next to a show care[C].In-ternational Society of Explosive Engineers, Proceedings of the Twenty-third Annual Conference on Explosives and Blasting Technique.Las.Vegas, Nevada, 1997:111～120.

爆破振动监测 第8篇

钻孔爆破是岩体开挖施工最重要的手段,也是目前隧洞开挖的主要方式。岩石爆破诱发的爆破地震负面效应,往往会对周围建(构)筑物和设施的安全形成威胁,越来越受到关注和重视。近年来,由于工程建设需要,出现较多隧洞上下近距离交叉布置的情况,存在施工洞对既有洞的振动影响问题,已成为一个得到广泛关注的工程难题和研究热点[1,2,3,4,5]。在福建晋江实施的第二通道引水隧洞工程就存在与既有洞超近距交叉现象,通过现场监控和施工实践,在弱振动爆破控制技术和隧洞振动特性方面取得了一定的经验和认识。

1 隧洞弱振动钻爆施工技术

1.1 工程概况

晋江第二通道引水隧洞是保障福建晋江市及后期台湾金门岛供水安全的重点项目。该引水隧洞全长1 277m,断面为城门洞型,地处于残丘地貌,主要穿过的地层为黑云母花岗岩,80%围岩为IV级及V级,下穿既有石狮二期引水工程金鸡山隧洞(上洞)。下洞拱顶距离上洞底板仅6.4m,属于超近距离范围,如图1所示。对于下洞与上洞交叉段及其边缘的下穿爆破施工,必然会引起上洞强烈震动,造成上洞底板、边墙及顶拱的开裂,严重危及上洞的安全。为此,在隧洞交叉段采用了弱振动爆破施工技术,结合爆破振动监测,依据监测信息反馈,调整爆破参数并制定相应的控制措施,既确保了上洞的安全,也实现了下洞的顺利下穿。

1.2 钻爆施工方案

钻爆施工所引起爆破振动,对周围建筑的影响程度主要由振动荷载及特定建筑物抗振特性决定。振动荷载的大小由振幅、持续时间及频率等反映,主要取决于爆破参数、炮孔周边岩体受力状态及地层条件等因素。因此,对于下洞在交叉段的施工,分析隧洞特点并参考相关隧洞钻爆施工技术,尤其是前期上洞开挖经验[6,7],主要采用的减弱爆破振动施工控制措施为:①将开挖断面进行分部施工,按上下两部分依次分序钻爆,如图2所示。考虑下台阶各炮孔与上洞的距离相对较大,首先进行下部台阶的爆破开挖。②尽量采用多时序微差起爆网路来控制最大单响药量,以减小总体爆破振动能量。③随着断面靠近隧洞交叉段,结合振动监测数据反馈,对开挖循环进尺进行调整,通过循环进尺的减小,控制地震能量向岩层中的传播。

1.3 爆破振动监测

鉴于超近距上洞的存在及振动安全方面的严格要求,为及时掌握每次爆破震动影响程度,在爆破施工过程中采取紧密的爆破振动跟踪监测。针对上洞的结构特点及振动响应分布特征,将振动监测仪器分别布设于上洞底板、边墙底侧等部位,在施工中根据隧洞开挖断面的变动及时调整测点位置,确保涵盖振动响应最强烈的部位。

在施工中,以国家相关规范的建议值[8]为指导,结合类似工程施工经验及相关研究成果,将质点峰值振速[V]=7cm/s作为爆破振动安全控制标准,即当实测振速接近或大于这一值时,按弱振动方案及时调整相关爆破参数与施工工艺。针对整个爆破施工过程进行动态跟踪,从而掌握隧洞振动响应特点,并对其振动安全作出评定。

2 爆破振动响应及特性分析

2.1 爆破振动响应

由于下洞爆源处和上洞测点位置之间所具有的特殊空间关系,爆破质点振动速度的衰减规律与自由场情况下差别较大。通过分析现场实测的爆破振动监测数据,由下洞爆破在上洞各特征处的爆破振动响应有如下特点:

(1)隧洞开挖断面距离交叉部位较远时,在金鸡山隧洞边墙及底板测得的各方向质点振速基本相同。如对距离隧洞交叉中心40m处断面所进行下台阶爆破振动监测,得到水平径向、水平切向、竖直向振速分别为2.45、1.94、2.94cm/s,主振频率分别为146、145、105 Hz。各方向最大振速均出现在第一起爆段,即振动峰值振速由掏槽孔段炮孔爆破引起。掏槽孔引起的爆破振动量稍微大于其他段别,但并未明显抬升,如图3所示。爆破产生的主振动频率为100~150 Hz,明显高于露天深孔爆破振动频率[9]。

(2)在隧洞开挖至交叉段边缘时,下台阶爆破采用斜孔掏槽,孔深为1.0m,最大单响药量2.4kg。在上洞底板迎爆侧测得3个方向质点振速分别为2.22、2.47、4.61cm/s,主振频率分别为321、215、159 Hz。水平径向最大振速出现在第9起爆段,而另外两个方向的最大振速则出现在掏槽段,且前者最大振速持续时间明显大于后二者。更多的监测数据显示:随着开挖断面靠近交叉段中心区域,竖直向振速可达另二向振速的2~5倍,相对振动明显增强。爆破主振频率均呈现随振速增大而减小、爆心距减小而增大的特征。

(3)上台阶爆破时,孔深为1.0m,最大单响药量1.8kg,分9段微差起爆。在上洞底板与掏槽孔中心部位之间距离为8.4m,至周边孔拱顶部位约为6.7m时,监测结果显示,竖直向振速为12.29cm/s,远超出控制标准,而水平径向及水平切向振速较小,如图4所示。竖直向振速约为水平切向振速7倍,为水平径向振速的3.6倍。对比各分段可知,由掏槽孔引起振速均明显高于其他段位。显然,只有通过更多的分段起爆及严格控制掏槽孔最大单响药量才可能将振动量控制下来。

2.2 上洞爆破振动特性分析

分析爆破振动响应特点,上洞的质点振动特性与下洞开挖断面位置、爆破参数及工艺等有显著的关系。

(1)对比远区开挖断面及交叉段边缘爆破上洞振动响应可知,随着开挖断面逼近交叉中心,竖直向振速与另二向振速相差幅度逐渐增大,到交叉段边缘处上台阶爆破形成的这一现象更为明显,其主要原因在于上洞开挖后在山体内部形成了复杂的自由边界。当下部震动波传至隧洞边界时,入射角度逐渐变小,竖直向分量增大,其他方向分量明显减小[10]。而且,波在自由边界处的反射作用往往会加强相应区域的振动量[11],尤其在底板下部爆破时震动波垂直入射所造成的反射作用更为明显,极易造成抗拉强度相对较弱的混凝土或岩石等材料的拉伸破坏,特别是对混凝土与岩石的结合部位破坏作用更为突出。

(2)对于相同的开挖断面,上、下台阶最大单响药量分别为1.8、2.4kg,二者与上部隧洞底板距离分别为11.5、8.4m,上台阶爆破引起的峰值振速远大于下台阶。可知,对于弱振动钻爆施工,在爆破近区振速受爆心距影响较大。分析远、近断面爆破振动实测数据,弱振动爆破开挖引起的地震波在爆源近区衰减较快,而在远处(爆心距大于15m)相对较慢。在各向振速中,竖直向振速随距离减小增加较快。在上台阶爆破施工初期,就因为未掌握此规律并相应调整最大单响药量,出现过超标振速的情况。

(3)实测数据表明,主振频率随着最大振速增大而减小,但两者之间并没有必然的联系,主振频率主要与最大单响药量及爆心距等因素有关[12],而且有随着爆心距增大呈现逐步减小的趋势。考虑到一般结构体固有频率远小于爆破主振频率,因此不会出现结构体共振现象。此外,分析各测次数据,在峰值持续时间方面,最大振速出现在中、后起爆段时较掏槽段更长,相同振速情况下带来的影响更大。

3 爆破施工方案优化

由于隧洞交叉段中心区域的上洞爆破振动安全问题突出,加上已开挖区域存在的空洞效应[13],对钻爆施工的振动控制增加了难度。随着监测数据的反馈和对上洞振动响应及特性的了解,围绕如何将振动速度有效控制在安全允许范围内做了大量工作,为下洞爆破施工方案的优化提供了科学的依据。

(1)改善掏槽孔布孔及起爆方式。由监测成果可知,爆破振动强度主要受掏槽孔爆破的影响,掏槽孔爆破时仅一个临空面,岩石夹制作用明显,控制掏槽孔的爆破振动强度是关键。通过对爆破振动特性分析,将掏槽孔分成多段,进行微差起爆,对最大单响药量进行控制,如图5所示。此外,相关研究[14]表明对于掏槽孔在孔外分段基础上再进行孔内分段,由孔口向孔底依次起爆,可进一步分散爆破振动能量。同时,在掏槽孔间钻打辅助空孔以增加岩体膨胀空间,既有利于岩体破碎,还能减弱爆破振动强度。利用黏土等材料对炮孔进行适当堵塞,能够有效避免爆生气体过早逸出而岩体破碎不完全,造成高段位炮孔周边岩石夹制作用增大。

(2)调整开挖断面单循环进尺。随着开挖断面逼近交叉段中心,上洞振动愈加强烈,对开挖进尺进行调整是控制爆破振动较为有效的措施。根据上洞相同地质条件下不同循环进尺实测数据,如表1所示,在采用相同炸药单耗的情况下将开挖进尺由1.5m减少为1.2、1.0、0.8m时,各峰值振速相对减小15%~30%、34%~51%、47%~61%,减振效果明显。为满足上洞振动安全要求,可将下洞的进尺由1.5m调整为1.2、1.0m等较小进尺。但进尺减小会导致施工效率降低、工期延长,以及钻爆施工成本增加。而且实测数据显示,单循环进尺越小,峰值振速随进尺缩短而减小比例明显下降。因此,在确保上洞安全的前提下,尚需依据进度要求和振动监测等方面对单循环进尺进行动态调整,确保钻爆施工技术的科学性。

cm/s

(3)控制开挖断面分区,合理选择起爆顺序。由表1及数值模拟[15]可知,随着断面分区增加,相应峰值振速明显减小。当断面分为两个台阶不能满足振动控制要求时,可将其分为上、中、下3部分如图5所示或更多进行爆破开挖。鉴于振动控制要求及现场施工的便捷性,对于3个及以上分区的断面,按照先中下部台阶,后上部台阶的爆破顺序,并随着断面与交叉中心之间距离改变,及时调整分区数。

4 结语

通过采用弱振动钻爆方案,结合振动监测对钻爆施工控制措施进行优化调整,在上下斜交叉隧洞复杂环境条件下保证了下洞的顺利施工,未对上洞安全造成影响,并取得如下认识。

(1)在下洞钻爆施工时,上洞振动响应特点随着开挖断面位置移动而改变。当开挖断面距交叉段较远时,各向峰值振速差异较小。随其逼近交叉中心区域,竖直向振速相比另二向有所增大。在交叉段边缘部位,竖直向峰值振速增幅更为显著。因此,实施爆破振动监测时,需对竖直向振速变化加以重视。

(2)无论在交叉段近区或远区,掏槽孔段爆破振速均为最大,原因在于掏槽孔段炸药单耗较高且受周边岩体夹制作用较大。将掏槽孔分不同起爆段进行微差起爆,并设置若干空孔作为辅助,有利于爆破振动的控制。

(3)钻爆施工中,采用减小开挖断面循环进尺、断面分部开挖、增加起爆网路分段数等控制措施,使得爆破振速明显降低,上洞振动得到有效控制。可见,交叉段钻爆施工所采用的方法及解决问题的思路具有供类似工程借鉴参考的价值。

摘要：晋江引水隧洞下穿既有金鸡山引水隧洞,超近距交叉段的下洞钻孔爆破振动会对上洞安全造成严重影响。通过现场爆破振动监测数据分析,对下穿隧洞钻爆条件下上洞振动响应特性进行研究。结果表明:整个钻爆施工过程中,各向峰值振动速度均由掏槽孔段爆破产生;随着开挖断面逼近交叉中心区域,爆破振动主频逐渐增大,振速随爆心距减小增加较快,竖直向振速增幅最为明显。在此基础上,对交叉段钻爆方案及施工工艺进行优化调整,提出了一套以短进尺、多断面、多时序微差起爆为原则的弱振动钻爆技术。

两相邻引水隧洞爆破振动影响分析 第9篇

1.1工程概述

本工程为菲律宾马尼拉拟建的一条引水隧洞(Tunnel 4),新建的引水隧洞与IPO水库至Bigte水池之间已经有的3条引水隧洞平行,且与第一条引水隧洞(Tunnel 1)紧邻,二者距离约25 m。

新设计的4号隧洞全长6 386 m,进口高程96.7 m,出口高程92.3 m,断面为城门洞型,底宽3.6 m,净高4.1 m,衬砌厚度250 mm,隧道的平均埋置深度在100~150 m之间,最深处达到200 m,新建4#隧洞洞底板高程比现有1#隧洞洞底板高8.0 m。

目前,正在运行的1号隧洞全长6 256 m,进口高程86.802 m,出口高程84.226 m,断面为城门洞型,底宽2 m,净高2.1 m,衬砌厚度200 mm,于1977年建成。

鉴于1#、4#隧洞距离比较近,为了避免新建隧洞爆破振动影响既有隧洞,确保1#隧洞的运营安全,根据我国的水电水利工程爆破施工技术规范,水工隧洞的爆破安全允许振动速度为50 mm/s。但是,在投标前,菲律宾方提出补遗,对施工过程中爆破安全控制标准提出了更严格的要求,即爆破过程中既有隧洞的振动速度必须控制在25 mm/s以内。为此,需验证原设计的爆破参数是否满足要求。

1.2隧洞的相关水文地质资料

根据工程相关的水文地质资料,隧洞围岩物理力学参数取值如表1所示。

1.3现场拟采用的施工工法

隧洞开挖按照新奥法原理组织施工,Ⅰ~Ⅲ级围岩地段采用全断面法,每个循环进尺2 m,Ⅳ~Ⅵ级围岩地段采用台阶法施工,循环进尺为0.5~1.2 m为宜。

1.4围岩爆破设计参数

炮眼布置和装药量:采用楔形掏槽方式布眼,共布置炮眼58个,炮眼深度2.4 m,总装药53.3 kg。

在施工过程中,为了满足菲方提出的爆破振动控制基准(振速V≤25 mm/s),根据岩体性状和围岩条件设计了爆破参数,具体如表2所示。

2单段最大段药量的理论分析

在爆破施工中,萨道夫斯基法具有明确的物理意义,应用方便、快捷,可为爆破设计提供理论依据,它至今仍是爆破工程中应用率最高的方法。因此,此次单段最大炸药量的理论分析也借助于此法进行初步计算。

所谓“萨道夫斯基法”,即以传统的爆破振动速度衰减公式——萨道夫斯基公式为基础,给出爆破振动速度随炸药量、爆心距等因素的定量关系。

2.1萨道夫斯基经验公式和关键参数取值

在爆破工程中,爆破振动衰减规律主要是通过介质质点振动速度幅值与装药量和爆心距的变化关系来反映的。一般情况下,振动速度幅值是随炸药量的增加而增加的,随爆心距的增加而减小。这一规律可通过工程中常用的萨道夫斯基公式定量描述,即:

式(1)中:K为场地系数;Q为单段装药量;R为测点与爆破位置的间距。

对于该工程,依据菲方要求的最大振速2.5 cm/s变换萨道夫斯基经验公式可得:

式(2)中:Qmax为单段最大装药量,kg;Rmin为测点与爆破位置间最小距离,m(本工程中约为25 m);K为场地系数;α为衰减系数。

式(2)中关键参数K和α的取值如表3所示。

由于本工程洞室所穿越的围岩跨越Ⅱ~Ⅴ类四个等级,所以,理论分析时,针对不同的围岩类别,应结合引水隧洞穿越的具体地质情况选取不同的K值和α值,具体情况如表4所示(需要说明的是,考虑到工程中岩质条件比较好,所以,Ⅱ,Ⅲ类围岩取值时,分别按坚硬岩石、中坚硬岩石的偏小值选取;考虑到Ⅳ类围岩岩体性状比Ⅱ,Ⅲ类围岩要差,但又好于Ⅴ类围岩,所以,取值时,按中坚硬岩石与软岩石的临界值选取;Ⅴ类围岩因岩体性状较差,所以,取值时按软岩石的中间值选取)。

2.2各级围岩单段最大药量计算

利用式(2)获取各类围岩下单段最大段药量为:Ⅱ级围岩10.69 kg,Ⅲ级围岩8.19 kg,Ⅳ级围岩8.16 kg,Ⅴ级围岩9.16 kg。由计算可知,理论计算的各类围岩下单段最大装药量均大于爆破设计中的掏槽眼单段最大药量,所以,判断爆破设计参数是可行的。

3爆破施工对既有隧洞动力响应的数值仿真分析

3.1数值模拟模型建立说明

根据1#、4#引水隧洞二者间的相对位置关系建立二维数值仿真模型,模型依据隧洞的实际尺寸建立,地表依据现场实际埋深考虑(约150 m)。考虑到本工程以Ⅲ类围岩为主,基本采用全断面法施工,且由于全断面施工开挖面积最大,诱发的振动影响也最为剧烈,所以,数值仿真计算时,以Ⅲ类围岩施工爆破作为重点研究对象。

在数值仿真模型中,岩体物理力学参数的取值按照表1中Ⅲ类围岩选取。数值分析计算爆破对既有隧洞产生的水平x方向振速Vx和竖直y方向振速Vy。

3.2振动监控测点的选取

为了获得爆破施工过程中1#引水隧洞的振动速度,特在拱顶、拱腰、拱脚、边墙、底板等典型部位布置监测点。同时,为了分析爆破振动速度在1#、4#隧洞间地层中的传播规律,获取质点振速与震源距离关系曲线,在相邻两隧洞的边墙上布置测线进行模拟爆破监控和分析。

3.3爆破冲击荷载确定

在数值仿真分析时,爆破的模拟是在新建隧洞上施加爆破冲击荷载来实现的,其大小和位置是由爆破设计资料中掏槽孔等位置综合考虑而得。

在隧洞开展爆破施工的过程中,由于第一段位炸药爆破是在基于一个临空面的条件下进行的,所以,能量损失比较小,而后续爆破时临空面比较多。与第一段位炸药相比,能量损比失较大。一般情况下,第一段位炸药爆破作用在围岩上的能量是最大的,产生的地震波效应也是最大的。因此,本次数值模拟时,主要模拟掏槽孔在设计段药量下爆破产生的振动对既有1#隧洞的影响。

根据爆破振动理论分析,炸药引发的荷载可简化为图1所示的荷载曲线。依据表2的爆破参数设计,爆破冲击荷载的确定过程如下。

在确定爆破峰值荷载时,主要是根据经验公式求解而得。依据Hsinyu low,Hong hao对现有众多爆破荷载峰值公式进行统计分析可知,如图2所示,爆破荷载的应力峰值Pmax(作用在开挖边界)可采用经验公式求解,即:

式(3)(4)中:Z为比例距离;R*为爆心至荷载作用面的距离,m;Q为炸药量,kg。

根据式(3)和式(4)估算Ⅲ类围岩采用全断面工法开挖时掏槽爆破荷载峰值,进尺2 m左右,掏槽眼单段最大炸药量据表3可知为7.8 kg,R*采用等效面积法,近似取1 m,进而得到Z为0.507,爆破荷载峰值Pmax为20.4 MPa。

3.4数值仿真计算结果分析

在计算过程中获取1#既有水工隧洞各监测点最大振速如图3、图4、图5、图6所示。

经过相关分析总结如下:①1#既有隧洞在4#隧洞爆破施工过程中,各个测点最大振速始终处于25 mm/s以下,其中,右拱腰和右边墙相对其他测点测到的最大水平振速Vx略大,达到18 mm/s,但是,仍在25 mm/s的要求线之下,因此,整体处于安全状态。②将最大水平振速与最大竖向振速合成后,获得最大测点振速如图5所示(需要说明的是,水平振速与竖向振速并不一定会同时达到最大,因此,本计算偏于安全)。从图中可以看出,合成后,最大振速为23 mm/s,仍处于25 mm/s的控制线之下,因此,符合安全控制基准要求。③从图6中可以看出,在距离震源10 m之内,质点振速随距离的增大衰减速度十分快,但是,当其超过10 m以后,质点的振速衰减逐渐趋缓。以25 mm/s为控制线,可得在距离震源16 m开外时,所得到的质点振速都符合要求。

4结束语

基于萨道夫斯基公式计算出的各类围岩下单段最大药量均大于爆破设计中的掏槽眼单段最大药量,所以,爆破设计参数是可行的。

爆破设计参数满足安全控制基准的要求,所以,可以按照此参数现场施工。

在数值仿真和理论分析过程中作了适当的简化处理,同时,现有的地勘资料并不能全面反映1#、4#引水隧洞的实际岩体状况,所以,上述分析仅可作为前期施工参考。在施工过程中,应编制详细的爆破振动监控技术方案,并依据施工进度同步监测爆破振动的情况,及时与理论计算结果对比,适时调整爆破参数,以确保工程安全。

参考文献

[1]中国电力企业联合会.DL/T 5135—2013水电水利工程爆破施工技术规范[S].北京:中国电力出版社,2014.