深圳赤湾停车场石方开挖爆破振动安全控制研究.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.010 深圳赤湾停车场石方开挖爆破振动安全控制研究 李r .wr jM,陈明2,李福千庶t1 1.中国水利水电第八局工程局有限公司，长沙410004； ； 2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072； ； 3.深圳市蛇口招商港湾工程有限公司，深圳518000 摘要在城区复杂施工条件下开展的深圳赤湾停车场石方爆破开挖工程，爆破振动对周围建筑物的安全 影响不容忽视。为了分析爆破振动对周围重要建筑物的影响，在石方爆破开挖过程中开展了爆破振动监测， 基于监测数据,对爆破振动衰减规律进行了回归分析。根据爆破振动衰减规律计算了最大允许单响药量，为 有效控制爆破振动的危害提供了参考。爆破振动监测及衰减规律分析结果表明爆区后冲向的衰减参数均 大于对应爆区侧冲向的衰减参数，采用控制最大单响药量、合理调整爆破开挖推进方向以及减小前排抵抗线 等措施，能有效控制爆破振动对周围重要建筑物的彩响。 关键词石方开挖；爆破振动；安全控制；衰减规律 中图分类号TD235.3 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0063 - 05 Research on Blasting Vibration Control during Rock Excavation of Chiwan Metro Parking Lot,Shenzhen U Yu1 ,SUN Peng-chang2 ,L UO J ian-bin3, CHEN Ming2 ,U Fu-qian ,NIE Pan 1. Sin o h y dr o Bu r ea u 8 Co . ,Lt d. , Ch a n gsh a 410004, Ch in a ； 2. St a t e Key La bo r a t o r y o f Wa t er Reso u r ces a n d Hy dr o po wer En gin eer in g Scien ce, Wu h a n Un iver sit y, Wu h a n 430072,Ch in a；3. Sh eko u Mer ch a n t s Ha r bo r En gin eer in g Co . ,Lt d. ,Sh en zh en 518000,Ch in a Abstract During rock excavation of Chiwan Metro Parking Lot, Shenzhen, in order to analyze the influence of blasting vibration on the surrounding important building s, blasting vibration monitoring work was carried out. The vi bration attenuation parameters K and a were obtained based on the monitored data throug h the least square , and then the maximum sing le charg ing weig ht was calculated according to the attenuation law, which offers a refer ence for effectively controlling blasting vibrations. The results of blasting vibration monitoring and attenuation law a- nalysis show that the impact of blasting vibration on important building s can be effectively controlled by limiting max imum sing le charg ing weig ht, adjusting blasting excavation direction and reducing front-row burden. Key words rock excavation ； ； blasting vibration ； ； safely control ； ； attenuation law 收稿日 收稿日 132020-04-29 作者简介李 育 1989 -，男,工程师、交通土建工程学士，从事地 铁工程建设管理研究， ， E-mail285509455 qq. como 通讯作者孙鹏昌1994-,男，博士研究生、水利水电工程学士，主 要从事工程爆破方面的研究，，E-mail sunpch whu. edu. cn0 基金项目国家自然科学基金面上项目No 51779190 随着城市建设的快速发展，城市地铁的建设成 为了缓解城市交通拥堵压力的有效手段,但是地铁 线路沿线大多环境复杂，建构筑物密布,各种管 线纵横交错，使得地铁施工难度增大,对于需要进行 土石方爆破开挖的施工部位，施工安全风险更 大⑴。在城市复杂环境下实施土石方爆破产生的 64爆破2020年9月 振动效应对邻近建（构）筑物的影响不容忽视，爆破 振动可能会对爆区邻近建（构）筑物产生有害影 响⑵，甚至破坏。在土石方爆破开挖过程中开展爆 破振动监测，并基于监测数据对爆破振动衰减规律 进行回归分析，有利于掌握爆破振动的传播特 性⑶羽，从而采取针对性的工程措施控制爆破振动 对爆区邻近建（构）筑物的影响。工程实际中，控制 最大单响药量、开挖减震沟、毫秒微差爆破技术以及 数码电子雷管起爆网路等措施均被证明能够有效控 制爆破振动2切，从而减小爆破振动对邻近建（构） 筑物的影响，保证邻近建（构）筑物的安全。深圳赤 湾停车场石方爆破开挖工程位于深圳市区，爆破施 工环境条件复杂，为了确保邻近建（构）筑物的安 全,在停车场石方爆破开挖过程中开展爆破振动监 测，并分析复杂环境条件下爆破振动的传播特性，从 而提出针对性的爆破振动安全控制措施。 1工程背景 深圳赤湾停车场位于深圳赤湾山西南角，深圳 市南山区赤湾山公园南麓,赤湾路北侧，兴海大道西 北侧。停车场地块基本呈长方形，长约1050 m,最 宽处约370 m,最窄处约90 mo停车场局部场地地 面起伏较大，凹凸不平,上层土方开挖完成后,停车 场场地整体较为平整。停车场场地平整石方（中/ 微风化花岗岩）开挖深度较大，最大约16 m,场平部 分采用深孔梯段微差控制爆破的方案进行开挖。赤 湾停车场周边有兴海大道高架桥、广东耀皮玻璃有 限公司的烟囱、左炮台山上的海事局雷达监测站、工 业厂房和工人住宿楼、中海油基地,以及基地各种设 施和建筑等。爆区周边重要建筑物的平面位置如图 1所示,周边重要建筑物统计表如表1所示。 图1周边重要建筑物平面位置示意图 Fig . 1 Layout of important structures close to the parking lot 表1停车场周边重要建筑物统计表 Table 1 I mportant structures close to Chiwan Metro parking lot 序号 重要建（构） 筑物 与停车场 相对位置 距爆区 最小距离/m 1中海油基地1停车场西北侧100 2文天祥公园停车场北侧160 3雷达监测站停车场西侧560 4中海油基地2停车场西南侧520 5烟囱停车场西南侧75 6厂房住宿楼停车场南侧120 7兴海大道高架桥停车场南侧150 8粮仓停车场东南侧65 2爆破振动监测与分析 2.1爆破振动现场监测爆破振动现场监测 2.1.1 爆破参数 场平部分采用深孔梯段微差控制爆破的方案进 行开挖，每次爆破均布置3〜4排炮孔、炮孔数量20 40个，钻孔装药参数见表2。爆破起爆网路采用孔内 孔外微差起爆网路，孔内均设置两发MS9导爆管雷 管，两孔一段，段间采用MS3导爆管雷管传爆。 表2钻孔装药参数表 Table 2 Blasting parameters 炮孔直径/药卷直径/炮孔炮孔炮孔间排距/堵塞装药单孔 mmmm深度/m超深/mm X m长度/m长度/m药量/kg 1159012.0 〜13.00.84.0X4.04.0-4.58.0 〜采样后能立即预览最大值、频率及 波形等信息。仪器测量的振动速度范围为0.001 35 cm/s,频率范围为5〜300 Hzo现场监测系统 （图2）由振动传感器、信号采集与记录设备、数据处 理系统三部分组成。本次监测采用的振动传感器是 三向振动速度传感器，在具体监测过程中，重点监测 部位同一测点一般布置一台三向速度传感器,传感器 可同时测量竖直向、水平径向和水平切向的振动，用 第37卷第3期李 育，孙鹏昌,罗建斌，等 深圳赤湾停车场石方开挖爆破振动安全控制研究65 石膏固定在所需监测的部位，然后将测振仪与其相 联。爆破振动信号传递到测点时，测振仪自动记录信 号。爆后利用专门编制的爆破振动分析软件将测振 仪采集到的振动信号输入电脑中，进行存储与分析处 理。 图2爆破振动测试系统 Fig . 2 Blasting vibration sig nal acquisition system 2.1.3爆破振动测点布置 重要建（构）筑物主要位于爆破区域的后冲向 和侧冲向，为评价爆破振动对重要建（构）筑物的影 响水平，及现有爆破方案及振动控制措施的可行性, 同时也为后续爆破振动的预测评估提供参考，分别 在爆区后冲向、侧冲向场地监测爆破振动以确定相 应的爆破振动衰减规律。爆区后冲向、侧冲向每次 监测按“近密远疏，对数布置”的原则［⑴，在不同爆 心距布置5〜6个测点，如图3所示。考虑到地形高 差对爆破振动会产生一定的影响卫］,爆破振动各测 点选择布置在平整的区域。 V_______V______V___ 6 5 4 3 2 1 a La y o u t o f bl a st in g vibr a t io n mo n it o r in g po in t s in l a t er a l dir ect io n a 侧冲向测点布置示意图 v_________sz_______v____sz_._v__ 爆 654321 区 b后冲向测点布置示意图 b La y o u t o f bl a st in g vibr a t io n mo n it o r in g po in t s in ba ckwa r d dir ect io n ◎ 图3爆破振动测点布置示意图 Fig . 3 Layout of blasting vibration monitoring points 2.2爆破振动测试结果分析爆破振动测试结果分析 2.2.1 振动测试数据 爆区后冲向典型的爆破振动实测波形如图4所 示。依据水平径向、水平切向和竖直向三个不同方 向，作出爆区后冲向不同测点的质点峰值振动速度 （PPV）随比例距离（R/Q“）变化的散点图，如图5 所示。由图5可知，水平径向、水平切向和竖直向三 个方向的PPV随比例距离增大均呈现指数幕衰减 趋势。对于爆区侧冲向的爆破振动，其卩刖 随比例 距离变化的分布规律与爆区后冲向相似，水平径向、 水平切向和竖直向三个方向的P/V随比例距离增 大呈现指数幕衰减趋势。 图4典型实测爆破振动波形 Fig . 4 Typical blasting vibration waves 2.2.2 爆破振动衰减规律分析 在实际工程中，质点振动速度主要受炸药量、爆 心距影响，对获取的爆破质点振动速度进行分析，剔 除异常值,然后依据萨道夫斯基公式™ （式1）,采 用最小二乘法进行线性回归拟合，以获得爆破振动 衰减参数，即K、。值。 式中V为质点峰值振动速度（PPV） , cm/s ； Q 为最大单响药量或单段药量，炮;人为爆心距,m ； K、 a为与场地及岩石条件、爆破条件及爆区与观测点 相对位置等有关的衰减常数。 对爆破振动衰减规律进行回归分析，得到爆区 后冲向爆破振动速度的衰减规律为 水平径向V 257. 0,r0. 891；水 66爆破2020年9月 竖直向V 134.9 平切向V 204.2,厂二 0. 827； 1. 87 ,r0. 920。 水平径向V 66.1 1.35 ,厂二0. 890；水平 切向7 55.0 1.31 ,厂二0. 891； 对爆破振动衰减规律进行回归分析，得到爆区 侧冲向爆破振动速度的衰减规律为 竖直向2 39.8 1.25 ,r 0. 887 o 0 4 8 2 6 0 4 8 2 6 3 2 1 1 3 2 1 1 s g A d d 0 5 10 15 20 25 Wl /3 a 水平径向 a Ho r izo n t a l r a dia l dir ect io n 6 2 8 4 6 2 8 4 - s g A d d 0 5 10 15 20 25 Wl /3 b水平切向 b Ho r izo n t a l t a n gen t ia l dir ect io n 7 S 7 S g A d dg A d d 2 9 6 2 9 6 3 3 0 5 10 15 20 25 Wl /3 c竖直向 c Ver t ica l dir ect io n 图5爆区后冲向爆破振动峰值分布图 Fig . 5 PPVs of blasting vibration in the backward direction 由上述爆破振动衰减规律回归分析结果可知， 爆区后冲向、侧冲向的爆破振动衰减规律回归分析 结果的相关系数均超过0.8,表明V和Q1/3/R的相 关性较高,拟合结果可靠性强。从爆破振动衰减参 数Kg看，爆区后冲向的衰减参数均大于对应爆 区侧冲向的衰减参数，表明在相同单响药量、相同爆 心距的同一场地条件下，爆区后冲向的爆破振动衰 减更快。 3爆破振动安全控制 3.1爆破振动安全控制标准爆破振动安全控制标准 根据图1、表1可知，受赤湾停车场石方开挖爆 破振动影响较大的建筑物主要为粮仓、烟囱、中海油 基地1、厂房住宿楼和兴海大道高架桥，其余周边建 筑物距离爆区较远,受爆破振动影响相对较小。按 照爆区周边建筑物的使用功能和建筑类型，将厂房 住宿楼和兴海大道高架桥归为民用建筑物，粮仓、烟 囱、中海油基地1等建筑物归为工业建筑物。根据 爆破安全规程GB 67222014［⑶中的相关规 定,一般的民用、工业及商业建筑物的爆破振动安全 允许标准见表3。由于实测爆破振动主振频率分布 在10〜50 Hz之间，且考虑到城区爆破施工环境的 复杂性以及安全控制的严苛性，确定爆区周边民用 建筑物的爆破振动安全允许振速为2.0 cm/s,工业 建筑物的爆破振动安全允许振速为3. 5 cm/so 3.2爆破振动控制措施爆破振动控制措施 3.2.1控制最大单响药量 根据确定的爆区周边建构筑物所允许的爆 破振动安全控制标准，由爆破振动衰减规律求得允 许的最大单响药量,从而对爆破单响药量进行控制O 单响药量计算公式为 式中［Q］为允许最大单响药量,kg；［ F］为允 许安全振动速度,cm/s o 表3爆破振动安全允许标准 Table 3 Safety velocity codes for blasting vibration 保护对象类别 安全允许质点振动速度/cm s 1 /W10 Hz10 Hzv/w50 Hz /50 Hz 一般民用建筑物1.5 〜2.02.0-2.52.5 〜3.0 工业和商业建筑物2.5 〜3.53.5 4.54.2 〜5.0 根据第2节所得的爆破振动衰减参数、表1中 重要建构筑物的最小距离及表3中最小的安全允许 质点振动速度,推算得到赤湾停车场石方开挖爆破 允许的最大单响药量超过150炖，而赤湾停车场现 场爆破施工最大单响药量均控制在150炮以内，说 明停车场正常爆破施工不会对周边民用、工业建筑 产生有害影响。 3.2.2调整爆破开挖推进方向 对于同一次爆破,相对爆源不同方向的振动衰 减规律也是不尽相同的。根据第3节所得的爆破振 动衰减规律，以150炮为单响药量标准，绘制得到如 图6所示的赤湾停车场石方爆破开挖爆破振动速度 随爆心距变化的传播规律。由图6可知，在爆心距 为25〜30 m以内时，在抵抗线后冲向的爆破振动速 度较侧冲向要大,且衰减较快;在爆心距超过25〜 30 m时,在抵抗线后冲向的爆破振动速度较侧冲向 第37卷第3期李 育，孙鹏昌,罗建斌，等 深圳赤湾停车场石方开挖爆破振动安全控制研究67 要小,且衰减较快。由此可见,在爆破中合理布置抵 抗线方向，可以使爆破产生的爆破振动主方向避开 保护对象，达到有效控制爆破振动影响的目的。考 虑到赤湾停车场邻近建（构）筑物距离爆区最近距 离为65 m,因此现场临空面设置朝向东北向有利于 保护距离爆区最近的建（构）筑物。 12 10 8 6 4 2 0 图6爆破振动传播规律 Fig . 6 Propag ation law of blasting vibration 3.2.3 减小前排炮孔抵抗线 每次爆破完成后,应及时出渣，为下一次爆破创 造出新的自由面，从而避免“夹制”爆破。在“夹制” 爆破中，炸药爆炸产生的能量无法释放，一部分能量 用于岩石粉碎和破裂,一部分能量将以地震波的形 式向周围扩散，引起周围建（构）筑物的扰动。所 以，为有效控制地控制爆破振动效应，应尽可能地为 每次爆破清除前沿岩块,减小前排抵抗线。 深圳赤湾停车场石方开挖爆破综合采用了控制 最大单响药量、调整爆破开挖推进方向以及减小前 排抵抗线等爆破振动控制措施,从爆破振动监测资 料及爆破振动传播规律可以看出，爆区周围重要建 （构）物的爆破振动在现有措施下均可控制允许范 围之内。 4结论 深圳赤湾停车场石方爆破开挖施工环境复杂， 爆破振动安全控制要求严格,在爆破施工过程中，开 展了爆破振动监测工作,并基于实测爆破振动数据 进行了衰减规律回归分析，爆破振动监测及衰减规 律回归分析的主要结论如下 （1） 水平径向、水平切向和竖直向三个方向的 爆破振动PPV随比例距离增大均呈现指数無衰减 趋势,爆区后冲向的振动衰减参数（K、a）均大于对 应爆区侧冲向的衰减参数,相同条件下爆区后冲向 的爆破振动衰减更快。 （2） 确定爆区周边民用建筑物的爆破振动安全 允许标准为2.0 cm/s ,I业建筑物的爆破振动安全 允许标准为3. 5 cm/s,赤湾停车场石方爆破开挖允 许的最大单响药量超过150 kgo 3综合采用了控制最大单响药量、调整爆破 开挖推进方向以及减小前排抵抗线等爆破振动控制 措施,在计划工期内安全快速地完成了深圳赤湾停 车场石方开挖工程，且爆区周围重要建构物的爆 破振动均控制在允许范围之内。 参考文献参考文献References [1]祝文化，宋成梓,陈卫雄，等.复杂环境下地铁车站基 坑爆破振动效应的试验研究[J ]爆破,2009,262 99-101,107. 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