岩质深基坑爆破振动放大效应测试研究.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 006 岩质深基坑爆破振动放大效应测试研究* 余 敏 1，2， 林从谋1，2， 常方强1，2， 殷榕鹏1，3 （1.华侨大学岩土工程研究所， 厦门361021；2.福建省隧道与城市地下空间工程技术研究中心， 厦门361021； 3.诏安碧桂园房地产开发有限公司， 漳州363500） 摘 要 为分析岩石深基坑爆破振动沿基坑边坡的传播规律， 研究基坑坡顶不同位置处的高程放大效应， 以嘉晟国际基坑爆破开挖工程及其对邻近瑞达基坑的影响为实例， 在瑞达基坑坡顶边缘位置及两基坑坡顶 中间位置分别布置两个测点， 监测嘉晟基坑不同开挖深度下两个测点的振动效应， 对振动测试数据进行回归 分析， 并结合实际工况对瑞达基坑坡顶边缘位置质点振动速度进行模拟。结果表明 一定高差范围内， 瑞达 基坑坡顶边缘质点振动速度峰值与主频随高差增加逐渐增大， 超出一定高差范围后则逐渐衰减， 利用现场实 测与数值模拟数据对基坑边坡进行分区， 爆破振动速度增大与衰减的高差临界值分别为6. 21 m，8. 36 m； 两 基坑坡顶中间位置处质点无高程放大效应； 考虑高程效应的振动速度预测公式精确度优于传统的萨氏公式。 研究结论对今后类似工程具有一定的借鉴意义。 关键词 岩质基坑；爆破振动；高程放大效应；回归分析 中图分类号 TD235. 1 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0027 －06 Research on Amplification Effect of Blasting Vibration in Rock Deep Foundation Pit YU Min1， 2， LIN Cong-mou1， 2， CHANG Fang-qiang1， 2， YING Rong-peng1， 3 （1. Institute of Geotechnical Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China； 2. Fujian Tunnel and Urban Underground Space Engineering Technology Research Center， Xiamen 361021，China；3. Country Garden Real Estate Development Company Limited， Zhangzhou 363500，China） Abstract In order to analyze the propagation behavior of blasting vibration along the slope of foundation pit，the elevation amplification effect in different slope height and influences on neighbor Ruida foundation pit was investiga- ted on Jiasheng foundation pit blasting excavation engineering. Two measuring points were arranged in the edge posi- tion of Ruida foundation pit and the middle position of two foundation pits to monitor the vibration effect in different excavation depths of Jiasheng foundation pit，and then vibration test data was treated by regression analysis. Besides， vibration velocity of measuring point in the edge position on slope of Ruida foundation pit was simulated according to actual condition. The results show that in a certain height range，the peak vibration velocity and frequency of measur- ing point in the edge slope of Ruida foundation pit gradually increased with the increasing of height，then decreased beyond a certain height. The slope of foundation pit was partitioned with field measurement and numerical simulation data. The critical height between blasting vibration velocity increasing and attenuation was 6. 21 m and 8. 36 m，re- spectively. There was no elevation amplification effect in the middle positions of two foundation pit. Considering the altitude effect，the accuracy of vibration velocity prediction ula was better than traditional Sadaov＇s ula. Key words rock foundation pit；blasting vibration；elevation amplification effect；regression analysis 万方数据 收稿日期2017 －08 －14 作者简介余 敏（1991 －） ， 男， 硕士研究生， 主要从事岩土力学与 工程方面的研究工作， （E-mail）1076527809＠ qq. com。 通讯作者林从谋（1957 －） ， 男， 教授、 博士， 主要从事岩土工程与地 下结构的科研及教学工作， （E-mail）cmlin＠ hqu. edu. cn。 基金项目福建省自然科学基金计划资助项目（项目编号2014 J01197） ； 华侨大学研究生科研创新能力培育计划资助项 目（no. 1511304009） 边坡岩体爆破开挖过程中， 爆破振动的高程放 大效应是边坡上振动速度传播规律的重要研究内容 之一［ 1］。杨风威等通过现场爆破振动监测［2］， 发现 爆区上方马道内侧质点振动速度随高程增加存在放 大效应， 且水平径向较垂直向更为显著； 蒋楠等采用 LS-DYNA软件建立边坡爆破数值模型并计算分 析［ 3］， 认为高程对边坡坡体内监测点振动速度具有 一定的放大效应， 且以垂直方向为主， 而对于边坡坡 面监测点， 水平、 垂向振动速度均随高差增加逐渐衰 减， 不存在放大效应； 陈明等结合理论分析与数值模 拟［ 4］， 并针对工程实例进行分析， 认为在“鞭梢效 应” 作用下， 台阶边沿岩体的振动速度放大， 而在坡 形相近的条件下， 台阶坡脚处的振动速度随高程增 加逐渐衰减， 不出现振动速度高程放大效应； 郭学彬 等通过分析现场爆破振动测试数据［ 5］， 认为高程放 大效应实际是一种坡面效应， 且仅适用于坡面近区， 随着至坡面距离的增加， 高程放大效应减弱； 廖涛等 对桩井开挖爆破振动速度进行现场测试［ 6］， 分别比 较台阶坡脚和台阶边缘两个测点三个方向振动速度 及主频率大小， 发现台阶边部存在振动速度及频率 放大效应， 且爆破地震波的放大效应具有方向性， 以 垂向为主。 爆破地震波沿边坡的传播与地形、 地质条件等 多个因素有关， 现有研究成果对爆破振动高程放大 效应的认识并不一致， 且大多关注于露天矿、 水电工 程高边坡爆破开挖时地震波沿迎坡坡面的传播规 律， 而在城市深基坑不同深度爆破开挖对邻近基坑 边坡影响方面的研究相对较少。李兴华等对采集的 爆破振动信号进行分析后的结果表明， 高程对爆破 振动峰值的放大效应具有一定的方向性和范围 性［ 7］； 李新平等对竖井爆破振动进行研究， 认为振 动速度同时受高程放大和衰减两种作用， 一定高差 范围内， 振动速度放大系数随高程增高而增大， 超出 高差范围后， 衰减因素起主要作用， 放大系数不再增 大［ 8］。基于这一思想， 通过对岩石深基坑爆破振动 进行现场监测及相同工况下的数值模拟， 分析基坑 坡顶不同位置处质点振动速度及主频随高差的变化 规律， 对边坡爆破振动进行分区， 并结合实测数据， 对考虑高差影响的爆破振动速度预测公式与萨道夫 斯基公式的精确度进行了对比。 1 岩石深基坑爆破振动现场测试 1. 1 工程概况 嘉晟国际基坑土石方爆破工程位于厦门市思明 区观音山片半屏山路与环岛干道之间虎仔山路北 侧， 开挖深度为17. 8 19. 1 m， 多为中微风化花岗 岩地质。基坑北侧与已开挖完成的瑞达基坑邻近， 最小距离为16 m， 为使瑞达基坑边坡在嘉晟基坑爆 破开挖引起的振动作用下保持稳定， 在瑞达基坑边 坡顶部和两基坑之间位置分别布置测点， 实时监测 振动值。图1为已开挖完成的的瑞达基坑及坡顶 测点。 图1 瑞达基坑及坡顶测点 Fig. 1 Ruida foundation pit and the top testing point 1. 2 基坑爆破参数与测点布置 为使瑞达基坑边坡保持稳定，开挖基坑北侧 20 m内区域采取浅孔控制爆破的方式， 并使用多段 位毫秒延期雷管进行延期， 根据开挖前的小炮试验， 该区域内单段最大药量需控制在20 kg之内。采用 成都中科测控有限公司生产的TC-4850爆破测振 仪以及配套的三向传感器， 对紧靠嘉晟基坑开挖边 界区域的爆破振动进行监测， 基坑位置及测点布置 示意图如图2所示， 测点1位于瑞达基坑边坡顶部， 测点2位于两基坑之间与测点1相隔5 m处位置。 选取不同高差下药量接近、 测试结果较理想的8组 爆破振动数据， 单段最大药量及水平距离、 爆心距等 相关参数见表1。 2 测试结果分析 监测得到的测点1与测点2在不同高差下的8 组爆破振动数据见表2。 2. 1 振动速度分析 由表1可知， 所选取的8组爆破振动数据中单 段最大药量Q为16. 4 18. 6 kg， 取立方根后， 其值 为2. 54 2. 65， 可假设其保持不变。随着基坑不断 开挖， 爆心距R与高程差H均逐渐增大， 为研究高 82爆 破 2017年12月 万方数据 程差H对振动速度的影响， 根据表2中的爆破振动 测试数据分别绘出测点1， 测点2三个方向上爆破 振动速度峰值随高差变化的曲线图， 如图3所示。 图2 基坑位置及测点布置示意图（ 单位m） Fig. 2 Location of foundation pits and arrangement of testing points（unitm） 表1 爆破参数 Table 1 Blasting parameters 组别／ 组 最大单响 药量Q／ kg 测点 编号 高差 H／ m 水平距离 D／ m 爆心距 R／ m 116. 8 1 2 1. 3 1. 3 16. 1 11. 1 16. 15 11. 18 216. 4 1 2 4. 2 4. 2 16. 3 11. 3 16. 83 12. 06 316. 8 1 2 5. 6 5. 6 16. 4 11. 4 17. 33 12. 70 417. 6 1 2 8. 5 8. 5 16. 6 11. 6 18. 65 14. 38 518. 0 1 2 10. 8 10. 8 16. 6 11. 6 19. 80 15. 85 618. 4 1 2 13. 8 13. 8 16. 8 11. 8 21. 74 18. 16 718. 0 1 2 15. 4 15. 4 16. 9 11. 9 22. 86 19. 46 818. 6 1 2 17. 3 17. 3 17. 2 12. 2 24. 40 21. 17 表2 不同高差下基坑爆破振动测试数据 Table 2 Blasting vibration test data of foundation pit in different depths 测点1径向测点1切向测点1垂向测点2径向测点2切向测点2垂向 组别／ 组 振速／ （cms －1）主频 ／ Hz 振速／ （cms －1）主频 ／ Hz 振速／ （cms －1）主频 ／ Hz 振速／ （cms －1）主频 ／ Hz 振速／ （cms －1）主频 ／ Hz 振速／ （cms －1）主频 ／ Hz 13. 729. 54. 4727. 24. 1380. 06. 9925. 05. 5940. 06. 3246. 0 24. 2020. 53. 1164. 54. 0158. 84. 9113. 54. 0416. 34. 7129. 9 34. 3937. 73. 4253. 34. 6570. 25. 0215. 44. 3116. 34. 9983. 3 44. 5941. 73. 6129. 04. 9547. 14. 3321. 23. 8028. 64. 3035. 3 54. 3126. 53. 8444. 94. 5963. 54. 4229. 93. 7149. 44. 0252. 6 62. 9743. 72. 8729. 94. 2960. 13. 2225. 73. 1334. 64. 4137. 8 73. 1323. 22. 9430. 53. 5650. 02. 1419. 63. 2516. 83. 1745. 9 81. 7318. 12. 3011. 13. 2347. 62. 0324. 41. 9224. 02. 8933. 0 图3 爆破振动速度峰值随高差变化曲线 Fig. 3 The curve of peak velocity of blasting vibration with height change 由表2及图3可知， 随着高差H增大， 除个别异 常点外， 测点2的振动速度峰值在3个方向上均呈 逐渐减小的趋势， 这与平整地形条件下的爆破振动 速度变化趋势相吻合， 高程对爆破振动无放大作用； 92第34卷 第4期 余 敏， 林从谋， 常方强， 等 岩质深基坑爆破振动放大效应测试研究 万方数据 若去除第一个点， 测点1的振动速度峰值在3个方 向上随高差增加逐渐增大， 超出一定高差范围后， 随 高差增加逐渐减小。高差较小时， 由于测点2离爆 源较近， 振动速度相对较大， 而随着高差逐渐增大， 测点1逐渐缩小与测点2振动速度值的差距并超过 测点2的振动速度值。分别比较两个测点三个方向 在这8次爆破中平均振动速度的大小， 可知测点1 的平均振动速度值在径向、 切向、 垂向上分别为测点 2值的0. 88、0. 89、0. 96倍， 若去除第一次爆破振动 数据， 则这一倍数分别为0. 97、0. 91、1. 03。 分析表明， 随着高差增加， 两基坑之间位置处质 点的振动速度逐渐减小， 不出现随高差增加而增大 的放大效应； 一定高差范围内， 高程放大对瑞达基坑 边坡顶部位置处质点的振动起主要作用， 质点振动 速度随高差增加逐渐增大， 而超出一定高差范围后， 振动速度的衰减起主要作用， 质点振动速度随高差 增加逐渐减小； 考虑到测点1较测点2离爆源较远， 瑞达基坑边坡顶部位置质点振动速度相对两基坑之 间间位置质点振动具有一定放大作用， 其中垂向最 明显。 2. 2 主频率分析 分别比较8组数据中三个方向上两个测点主频 率的大小， 可知8次爆破中测点1的主频大于测点 2主频的次数在径向， 切向， 垂向分别为5次，4次和 7次； 分别比较两个测点三个方向在8次爆破中平 均主频率的大小， 可知三个方向上测点1的平均主 频率分别为测点2平均主频率的1. 27、1. 29、 1. 31倍。 分析表明， 瑞达基坑边坡顶部质点的振动频率 相对两基坑之间位置质点的振动频率在三个方向上 均出现一定程度的放大效应， 其中垂向最明显， 这与 质点振动速度的放大效应相一致。 3 边坡放大区域探讨与误差分析 3. 1 岩石深基坑边坡放大区域探讨 反映高程差放大效应的爆破振动公式已有不少 研究［ 3，9-12］， 文献［ 9］通过量纲分析， 得到了反映凸 形地貌高程变化的爆破振动公式， 并与已有的公式 进行了对比， 得出其误差最小， 能较准确的反映正高 程差放大效应的结论。为进一步确定瑞达基坑边坡 顶部位置质点出现随高差增加振动速度增大现场时 的高差范围， 并以此为标准将边坡分为爆破振动放 大区与衰减区， 引入文献［9］中通过量纲分析得出 的爆破振动速度计算模型 V ＝ k1k2 3 √Q J r β1 H J r β2 （1） 式中Q、r、H分别为单段最大药量、 爆心距、 高 差；k1为平整地形条件下的场地系数；k2为边坡等 凸形地貌影响系数；β1为爆破振动衰减系数；β2为 高差影响系数。 通过上述分析得知垂向爆破振动速度放大效应 最为明显， 故以垂向振动速度为例进行分析。采用 萨道夫斯基公式V ＝ K 3 √Q J r β1（ K，α意义同式（1）中 k1、β1， 其它符号同前）对基坑开挖前进行的小炮试 验数据进行拟合［ 13］， 得出 K（k1）＝ 75. 7，α（β1）＝ 1. 56。代入公式（1）并结合表1中数据， 对表2中 测点1的垂向振动速度进行拟合， 得到k2＝ 1. 57， β2＝0. 218。 将拟合得出的k1、k2、β1、β2代入公式（1） ， 得到 瑞达基坑边坡顶部质点垂向振动速度预测公式 Vz＝ 118. 85 3 √Q J r 1. 56 H J r 0. 218 （2） 式中H ＝ Dtan γ；r ＝ Dsec γ， 代入式（2） ， 变形得 Vz＝ 118. 85 3 √Q J D 1. 56（ cos γ） 1. 56（ sin γ） 0. 218（ 3） 式中D为爆源到测点的水平距离；γ为爆源和 测点连线与水平线的夹角， 如图2所示， 其它符号 同前。 嘉晟基坑边坡坡脚角度接近90， 可设水平距 离D的值随高差增加保持不变， 取中位数16. 6， 上 文已假设8次爆破中最大单段药量Q保持不变， 故 水平单位药量 3 √Q D 保持不变， 质点垂向振动速度Vz 的增减性只和角γ相关， 求出角γ的范围即求出了 边坡爆破振动放大区与衰减区范围。 随着基坑向深处开挖， 高差H增大， 角γ增大， 通过数学求解得出Vz增大和减小时角γ的区间分 别为（0，20. 5） ， （20. 5，90）（角度制） 。由图2几何 关系知H ＝ Dtan γ， 相对应H的区间为（0，6. 21） ， （6. 21，17. 3） （ 单位m） ， 即嘉晟基坑边坡振动放大 区域为边坡顶部以下6. 21 m范围内， 超出该范围继 续向下开挖后， 瑞达基坑边坡顶部质点振动速度开 始衰减。得出的结论与表2及图3（c） 基本吻合。 3. 2 数值模拟 参照嘉晟基坑石方爆破开挖工程实际工况， 采 03爆 破 2017年12月 万方数据 用ANSYS／ LS-DYNA软件建立数值模型， 以邻近的 瑞达基坑边坡顶部测点（测点1）为研究对象， 对其 垂向峰值振动速度在嘉晟基坑不同开挖深度下的变 化趋势进行分析。为简化计算， 以炮孔中轴线为对 称轴建立1／2个模型， 并采用单孔药量等效代替最 大单段多炮孔总药量， 结合无反射边界条件， 除两基 坑坡顶、 已开挖部分边坡、 基坑底部为自由边界， 其 他均为无反射边界， 数值模型见图4（ 以高差10. 8 m 为例） 。 图4 数值计算模型（ 高差10. 8 m） Fig. 4 Numerical model（Height 10. 8 m） 根据实际工况， 不同开挖深度的药量均规定为 18 kg， 假设岩土体为单一均匀介质， 采用ALE算法， 结合现场地勘数据及试算结果确定介质弹性模量 E ＝11 GPa， 密度ρ ＝ 2340 kg／ m3， 泊松比υ ＝ 0. 16， 并在不同深度的开挖阶段保持不变。爆破的起爆压 力采用JWL状态方程为 p ＝ A 1 － ω R1 J V e－R1V＋ B 1 － ω R2 J V e－R2V＋ ωE V （4） 式中p为爆炸产生的压力；E为单位体积的内 能；V为比容；A、B、R1、R2、ω为状态方程参数。各参 数的取值见表3。 表3 状态方程参数取值 Table 3 Parameters of state equation 参数A／ GPaB／ GPaR1R2ωE／（Jm －3） 数值84. 090. 984. 51. 50. 40. 09E ＋10 通过数值计算， 得到测点1在不同高差下的垂 向峰值振动速度， 并与现场实际监测数据进行对比， 见图5。 图5 数值模拟值与现场实测值对比 Fig. 5 Comparison between numerical simulation and field measurements 采取3. 1中的方法对测点1的垂向峰值振动速 度数值模拟值进行拟合， 并得到其增大及减小时高 差H的区间分别为（0，8. 36） ，（8. 36，17. 3） （ 单位m） ， 与采用现场实测值拟合得到的结果趋势 相同， 且临界值值误差较小。考虑文章篇幅， 对放大 效应的数值模拟分析将另文阐述。 3. 3 误差分析 分别采用萨道夫斯基公式和公式（2）按表1中 参数对两个测点垂向振动速度进行预测， 并与实测 值对比， 如表4所示。 表4 预测公式精度对比 Table 4 Accuracy comparison of prediction ula 测点1 测点2 组别／ 组 实测值Vz／ （cms －1） 萨氏公式 式（2） 实测值Vz／ （cms －1） 萨氏公式 式（2） 预测值／ （cms －1）误差 ／ ％ 预测值／ （cms －1）误差 ／ ％ 预测值／ （cms －1）误差 ／ ％ 预测值／ （cms －1）误差 ／ ％ 14. 134. 2843. 8866. 327. 60206. 350 24. 013. 9614. 60154. 716. 67426. 0829 34. 653. 83184. 7114. 996. 23255. 8016 44. 953. 50294. 6364. 305. 26225. 0417 54. 593. 23304. 4434. 024. 57144. 4511 64. 292. 82344. 0164. 413. 74153. 7016 73. 562. 58283. 7243. 173. 3253. 314 83. 232. 37273. 4572. 892. 9622. 973 注 相对误差为 V预测－ V实测 V实测 100％ 13第34卷 第4期 余 敏， 林从谋， 常方强， 等 岩质深基坑爆破振动放大效应测试研究 万方数据 由表4可分别计算出萨道夫斯基公式与式（2） 在8组数据中的平均误差 萨氏公式在测点1和测 点2的平均误差分别为21. 4％、18.1％； 式（2）在测 点1和测点2的平均误差分别为6％、12％。可见 无论对于瑞达基坑边坡顶部质点还是两基坑之间位 置质点， 考虑高程影响的式（2）预测精确更为准确； 且对边坡顶部质点振动速度的预测精确较两基坑之 间位置质点更高， 说明高程放大效应在边坡顶部质 点更为显著， 与上述分析吻合。 4 结论 通过对现场采集的不同高差下的爆破振动数据 进行分析， 并结合数值模拟结果， 得出以下结论 （1） 瑞达基坑边坡顶部质点相对于两基坑之间 位置质点， 振动速度峰值与主频率在径向， 切向， 垂 向上均出现一定程度的放大效应， 其中以垂向最明 显； 两基坑之间位置质点振动速度峰值与主频不出 现随高差增加逐渐增大的高程放大作用。 （2） 瑞达基坑边坡顶部质点振动速度同时受高 程放大与衰减两方面共同作用。一定高差范围内， 高程放大起主要作用， 质点振动速度随高差增加逐 渐增大； 超出一定高差范围后， 衰减起主要作用， 质 点振动速度随高差增加逐渐减小。以现场实测的瑞 达基坑边坡顶部质点振动速度为标准对边坡进行分 区， 高差6. 21 m范围内为爆破振动放大区，超出 6. 21 m以后为爆破振动衰减区； 采用LS-DYNA软件 对瑞达基坑边坡顶部质点振动速度进行模拟， 则振 动速度增大与衰减的临界值为8. 36 m； 数值模拟与 现场实测得出的爆破振动速度变化趋势一致， 且临 界值误差较小。 （3） 在具有高程的地形条件下， 考虑高程影响 的公式（1） 的预测精度明显高于目前应用较广的萨 道夫斯基公式， 且对于基坑边坡顶部质点的预测精 度更高。 参考文献（References） ［1］ 付 波， 胡英国， 卢文波， 等.岩石高边坡爆破振动局 部放大效应分析［J］.爆破，2014，31（2） 1-7. ［1］ FU Bo，HU Ying-guo，LU Wen-bo. et al. 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