基于层次分析法对桩井爆破效果影响因素分析.pdf

第 33 卷 第 1 期 2016 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol 33 No 1 Mar 2016 doi 10 3963/ j issn 1001 -487X 2016 01 011 基于层次分析法对桩井爆破效果影响因素分析* 赵昌龙 1， 2， 3， 张义平1， 2， 池恩安1， 2， 3 （1 贵州大学 矿业学院， 贵阳 550025； 2 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室， 贵阳 550025； 3 贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵阳 550002） 摘 要 桩井爆破因自由面单一、 狭小， 工程实践中爆破效果不理想， 为了改善桩井爆破效果， 需要确定其 主要影响因素。以某安置房桩井爆破工程为例， 建立了影响桩井爆破效果主要因素的层次分析模型， 应用层 次分析法进行定量分析。结果表明 主要影响因素为岩石性质、 炸药单耗、 地质构造、 断面大小， 权重值分别 为 28 04、 1192、 1137、 81。选取炸药单耗与桩井断面大小两个主要影响因素在工程现场进行实 验， 二者中炸药单耗对桩井爆破效果的影响更大， 证明了层次分析法定量分析结果的正确性， 对桩井爆破的 设计施工有一定的指导意义。 关键词 层次分析法；桩井爆破；影响因素 中图分类号 TD235 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2016） 01 -0055 -06 Influence Factors of Pile Well Blasting based on AHP ZHAO Chang-long1， 2， 3， ZHANG Yi-Ping1， 2， CHI En-an1， 2， 3 （1 College of Mining， Guizhou University， Guiyang 550025， China； 2 Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic mineral resources， Guiyang 550025， China； 3 Guizhou Xinlian Blasting Engineering Co Ltd ， Guiyang 550002， China） Abstract The effect of pile well blasting is always not good enough in the practice because of the single and narrow free face， therefore， it is important to determine the main factors to improve the pile well blasting effect Tak- ing a pile well blasting of resettlement housing as example to establish the AHP model of influencing factors， and the quantitative analysis was also taken by analytic hierarchy process Results show that the main factors includes nature of the rock， specific charge， geological structure and section size， of which the weight values were 28 04， 1192， 1137 and 8 1， respectively The experiment of specific charge and the pile well size were pered in project site， and the specific charge made greater impact on the pile well blasting effect than the factor of pile well size The AHP analysis was verified to be feasible and to play certain significance on pile well blasting design Key words analytic hierarchy process （AHP） ；pile well blasting；influence factors 收稿日期 2015 -11 -06 作者简介 赵昌龙 （1990 - ） ， 男， 硕士研究生， 从事工程爆破研究， （E-mail） hblongyu163163 com。 通讯作者 张义平 （1970 - ） ， 男， 教授、 博士， 主要从事岩土灾害控 制、 采矿工程及爆破技术等研究，（E-mail） mec ypzhanga gzu edu cn。 基金项目 国家自然科学基金 （507641001） ； 贵州省科技厅项目黔科 合 GY 字 （2013） 3046 在我国铁路、 机场码头、 水中航道、 大型水电枢 纽等工程基础及防护建设中普遍采用人工挖孔桩技 术， 目前开挖手段主要有人工冷凿开挖、 旋挖钻机械 开挖、 膨胀剂静态破碎开挖及爆破开挖。爆破开挖 具有成本低、 效率高、 能够满足施工进度要求等优 点， 在实际施工中具有不可替代的地位与较高的技 术经济价值。同时随着爆破器材的不断更新与爆破 技术的日益成熟， 爆破法应用于桩井掘进施工中的 优越性较其它开挖方法日趋显著 ［1-3］。 桩井爆破只有一个自由面， 断面面积小， 受到周 围岩石夹制作用大， 大量的试验结果和现场统计分 析证实， 岩体爆破效果在很大程度上取决于爆破相 关参数、 岩石力学性质等多种因素 ［4-7］， 而每一个因 素的影响程度不同。目前针对露天爆破的研究较 多 ［7， 8］， 缺少对桩井爆破开挖效果影响因素的定量 分析， 因此利用层次分析法建立分析模型， 计算出各 影响因素的权重， 再进行一致性检验， 对计算结果进 行排序 ［9， 10］， 得出影响爆破效果的主要因素和次要 因素。对影响桩井爆破效果的因素进行定量化分 析， 为桩井爆破的设计施工提供有力的理论支撑。 1 桩井爆破效果影响因素层次分析 层次分析法将一个复杂的系统目标逐步分解成 准则层、 指标层。先对准则层指标的重要程度进行 两两定性比较， 再对同一准则层分解出的指标层指 标进行两两定性比较， 比较结果形成判断矩阵。计 算矩阵的最大特征值和特征向量， 得到各层次不同 因素的权重值， 通过权重值从高到低排序比较， 即得 到不同指标的重要性程度， 据此确定主要影响因素， 为决策分析提供定量依据。 1 1 建立桩井爆破效果影响因素层次分析模型 某安置房施工场区为薄至中厚层状石灰岩， 节 理裂隙发育， 岩石坚固性系数 8 10。该项目 1楼 有  1 2 m 圆形人工挖孔桩 119 个， 设计深度 6 15 m， 岩石部分采用爆破法开挖。 孔桩爆破开挖设计钻孔孔径  40 mm， 周边孔 深度 Lz1 0 m， 掏槽孔 Lt 1 2 m， 钻孔间距 a 0 50 0 70 m， 设计单耗 q 1 0 kg/ m3， 单孔装药量 Q 0 3 kg， 填塞长度 Ls≥0 6 m， 采用粘土、 细砂混 合物填塞。钻孔垂直布置， 周边孔距孔桩护壁 0 1 0 2 m均匀布置， 保证围岩的稳定性及避免超 挖。掏槽孔、 周边孔孔内分别采用 1 段、 5 段非电毫 秒导爆管雷管。起爆方法是非电雷管激发针激发起 爆， 采用胶皮网 （2 层以上） 覆盖防护。 根据现场勘察及桩井爆破的实践分析， 其影响 因素 （A） 包括地质条件 A1、 炸药性能 A2、 桩井参数 A3、 爆破参数 A4， 组成评价体系的准则层 ［10， 11］。 （1） 地质条件 A1。在岩石爆破过程中， 岩石性 质是决定爆破效果的主要内部因素， 其取定于岩石 的地质条件、 岩石成分、 岩石结构和后期的地质构 造。因此， 地质条件 A1的指标层包括岩石性质 a11、 地质构造 a12、 水文地质 a13。 （2） 炸药性能 A2。炸药本身的性能是影响爆破 作用及效果的最基本因素， 炸药性能指标包括炸药 密度 a21、 炸药爆热 a22和炸药爆速 a23。 （3） 桩井参数 A3。由于桩井爆破只有桩井底部 是自由面， 周围岩体的夹制作用较大， 因此， 桩井的 断面大小 a31、 断面形状 a32及护壁厚度 a33会影响最 终的爆破效果。 （4） 爆破参数 A4。爆破参数较多， 影响桩井爆 破效果的参数主要有 钻孔参数 a41、 掏槽方式 a42、 炸药单耗 a43、 装药结构 a44、 起爆顺序 a45、 填塞质量 a46、 起爆点位置 a47。 综上， 构造桩井爆破效果影响因素指标体系层 次分析结构图如图 1 所示。 图 1 桩井爆破效果影响因素层次分析结构图 Fig 1 AHP structure chart of influence factors of pile well blasting 1 2 构造判断矩阵 对某个准则目标下的任意两个因素进行比较， 根据两两之间的重要性程度按 1 9 赋值 （见表 1） 。 构造判断矩阵时分别列出各准则相关的因素 表， 根据大量工程实例并结合专家询问的方式完成 判断矩阵的填写， 这是构造判断矩阵最重要的环节， 关系到分析结果的准确性。准则层各项指标两两比 较得到目标层与准则层的判断矩阵 A， 准则层对应 的 4 个指标层各项指标分别两两比较得到准则层与 指标层的判断矩阵 A1、 A2、 A3、 A4。 65爆 破 2016 年 3 月 A 1432 1/411/21/5 1/3211/4 1/2541 ， A1 135 1/311/3 1/51/31 ， A2 11/31/5 311/3 531 ， A3 135 1/313 1/51/31 ， A4 11/21/34223 211/25234 3216345 1/41/51/611/31/21/2 1/21/21/33122 1/21/31/421/212 1/31/41/521/21/21 表 1 各级重要性标度含义 Table 1 Meaning of important scale 标度值含义 1表示两因素前者比后者同样重要 3表示两因素前者比后者稍重要 5表示两因素前者比后者明显重要 7表示两因素前者比后者极其重要 9表示两因素前者比后者强烈重要 2， 4， 6， 8表示上述相邻判断的中间值 倒数表示两因素前者比后者标度的倒数 1 3 计算评价指标的权值 对判断矩阵进行归一化处理， 然后求解矩阵的 特征值。以判断矩阵 A 为例计算特征向量 WA（W1， ， Wn） T （0 4402， 0 0791， 0 1271， 0 3537） T， 再 计算最大特征值 λmax 1 n ∑ n i 1 （AW） i Wi 4 1389， 同理 可得 A1、 A2、 A3、 A4的特征向量及最大特征值。 1 4 一致性检验 （1） 同上， 以判断矩阵 A 为例， 一致性指标 CIA （λmax- n） / （n -1） （4 1389 -4） / （4 -1） 0 0463。 同理可得 A1、 A2、 A3、 A4的 CI 值。 （2） 根据计算结果查找相应的平均一致性检验 指标 RI。对于 n 1， 2， ， 15 美国运筹学家 Saaty TL 给出了 RI 值， 如表 2 所示。 表 2 1 15 阶矩阵平均随机一致性检验指标 RI 值 Table 2 Value of the average stochastic coincidence test indicators nRInRInRI 1061 2494111 5156 2071 3450121 5405 30 514981 4200131 5583 40 983191 4616141 5579 51 1185101 4874151 5894 （3） 一致性比率 CR CI/ RI ＜0 1 时， 认为主观 判断矩阵的一致程度在容许范围之内， 构造的判断 矩阵合理有效， 否则， 需要重新构建矩阵。判断矩阵 A 一 致 性 比 率 CR CI/ RI 0 0463/0 9831 0 0471 ＜0 1， 即一致程度在容许范围之内。同理可 得 A1、 A2、 A3、 A4的一致性比率分别为 0 0374、 0 0374、 0 0374、 0 0173， 全部小于 0 1， 判断矩阵合 理有效。 1 5 层次总排序及一致性检验 根据上述步骤计算得到各指标权重及排序结果 见表 3。 表 3 计算结果及总排序 Table 3 Results and total sort 因素 A1 0 4402 A2 00791 A3 0 1271 A4 0 3536 总排序权值总排序 岩石性质 a110 6370///0 28041 地质构造 a120 2583///0 11373 水文地质 a130 1047///0 04618 炸药密度 a21/01047//0 008316 炸药爆热 a22/02583//0 020412 炸药爆速 a23/06370//0 05047 断面大小 a31//0 6370/0 08104 断面形状 a32//0 2583/0 032810 护壁厚度 a33//0 1047/0 013315 钻孔参数 a41///0 15150 05366 掏槽方式 a42///0 22310 07895 炸药单耗 a43///0 33720 11922 装药结构 a44///0 03980 014114 起爆顺序 a45///0 11260 03989 填塞质量 a46///0 07890 027911 起爆点位置 a47///0 05680 020113 75第 33 卷 第 1 期 赵昌龙， 张义平， 池恩安 基于层次分析法对桩井爆破效果影响因素分析 利用层次总排序一致性比率计算总排序的重要 性系数 CRc CIc RIc a1CI1 a2CI2 amCIm a1RI1 a2RI2 amRIm 式中 m 为层次数目；（a1， a2， ， am） 为重要性排序 系数。 若 CRc＜0 1， 则说明建立的层次结构合理， 建 立的判断矩阵有效， 计算结果可靠， 可以按照此计算 结果进行分析决策， 否则需要重新建立模型或重新构 造判断矩阵。本模型中总排序的重要性系数 CRc 0440201925 0079101925 0127101925 0353600233 0440205149 0079105149 0127105149 033613450 0 0256 ＜0 1， 总排序一致性检验通过。 通过一致性检验得出检验层次分析模型相关参 数， 计算结果见表 4。 表 4 检验层次分析模型相关参数计算结果 Table 4 Inspection analytic hierarchy process model parameters 矩阵λmaxCI 值RI 值CR 值结论 A4 13890 046300 983100471符合 A13 03850 019250 514900374符合 A23 03850 019250 514900374符合 A33 03850 019250 514900374符合 A47 14000 023331 345000173符合 CRc0 0256 ＜0 1符合 1 6 结果分析 综上所述， 在桩井爆破中影响爆破效果的主要 是地质条件和爆破参数， 权重值分别为 44 02、 3536； 指标层各因素的权重从大到小排序依次 为 岩石性质、 炸药单耗、 地质构造、 断面大小、 掏槽 方式、 钻孔参数、 炸药爆速、 水文地质、 起爆顺序、 断 面形状、 填塞质量、 炸药爆热、 起爆点位置、 装药结 构、 护壁厚度、 炸药密度， 前 7 项权重值均大于 5， 7 项影响因素权重所占比例达到 7772。 2 实验分析 根据排序结果， 在某安置房工程现场地质条件 确定 （即工程范围内岩石性质、 地质构造基本一致） 的情况下， 选择另外 2 个主要影响因素 炸药单耗及 断面大小进行实验， 统计不同单耗与不同断面下爆 破后的循环进尺， 计算钻孔利用率， 通过统计分析证 明层次分析结果的合理性。各实验爆破参数及实验 结果见表 5。 不同炸药单耗、 不同断面大小圆形桩井爆破钻 孔利用率之间的统计关系见图 2。 爆破时利用 TC-4850N 型爆破振动测试仪在临 近桩井的护壁表面进行了爆破振动监测， 最大值为 4 050 cms -1， 爆破振动测点质点峰值振动速度波 形见图 3 所示。根据 2014 新版 爆破安全规程 ［12］ 对龄期 37 d 新浇大体积混凝土 （C20） 的爆破振 动安全允许振速为 5 0 7 0 cms -1， 爆破振动未 超过标准要求。同时通过观察， 在实验中没有发现 爆破后桩井护壁出现明显开裂， 对护壁影响不明显。 表 5 圆形桩井爆破实验参数及实验结果统计表 Table 5 Statistical table of circular pile well blasting experimental parameters and experimental results 编 号 桩型 （直 径） / m 周边孔 辅助孔 掏槽孔 孔深/ m 孔数/ 个 单孔药 量/ kg 段 别 孔深/ m 孔数/ 个 单孔药 量/ kg 段 别 孔深/ m 孔数/ 个 单孔药 量/ kg 段 别 理论 单耗/ （kgm-3） 实际 单耗/ （kgm-3） 循环 进尺/ m 钻孔 利用 率/ SX111 040201////1110 3051 402 300 6161 SX211 050201////1110 3051 662 470 6767 SX311 040301////1110 4552 102 800 7575 SX411 050301////1110 4552 483 140 7979 SX511 040451////1110 4552 873 410 8484 SX611 050451////1110 4553 443 820 9090 SD121 11002011240 331230 3051 191 890 6963 SD221 11202011250 331230 3051 392 010 7669 SD321 11003011240 331230 4551 612 160 8275 SD421 11203011250 331230 4551 872 330 8880 SD521 11004511240 331230 4552 042 410 9385 SD621 1120 4511 250 331 230 4552 392 6010192 85爆 破 2016 年 3 月 本实验选取炸药单耗与桩井断面大小进行实验 分析， 由图 2 可得 炸药单耗越高、 桩井断面越大其 钻孔利用率越大， 爆破效果越好。炸药单耗增加 6 13时钻孔利用率增加 5 8； 断面面积 增加 300时钻孔利用率增加 25 32， 说明炸 药单耗对桩井爆破效果的影响大于断面面积对其的 影响程度， 证明了排序结果是合理的。 图 2 不同炸药单耗、 不同断面大小桩井爆破 钻孔利用率关系 Fig 2 Pile well blasting drilling utilization curves on different specific charge and different section size 图 3 实测垂直方向、 水平切向、 水平径向质点振动速度 Fig 3 Measured vertically、horizontally tangential、 horizontal radial particle vibration velocity 3 结语 运用层次分析法对桩井爆破中影响爆破效果 的因素进行定量分析， 主要影响因素为岩石性质、 炸药单耗、 地质构造、 断面大小等。炸药单耗、 桩 井断面大小与爆破效果之间的关系实验证明炸药 单耗对桩井爆破效果的影响程度更大， 与层次分 析结果一致， 因此运用层次分析法定量分析是合 理可行的。在地质条件既定的情况下， 可通过适 当增加炸药单耗达到优化桩井爆破效果的目的。 在桩井爆破设计施工中应充分考虑岩石性质、 地 质构造及桩井的断面大小， 合理设计炸药单耗， 选 择合适的爆破参数， 有利于加快施工进度， 保证施 工安全， 达到良好的经济效果。 参考文献 （References） ［1］ 梁开水， 王玉杰， 唐 楷， 等 基础桩井岩石开挖爆破 ［j］ 爆破， 1997， 4 （3） 48-51 ［1］ LIANG Kai-shui， WANG Yu-jie， TANG Kai， et al Rock blasting of building foundation pile well ［j］ Blasting， 1997， 4 （3） 48-51 （in Chinese） ［2］ 蒲传金， 郭王林， 廖 涛， 等 桥桩爆破对埋地天然气 管道影响控制措施分析 ［j］ 爆破， 2015， 32 （3） 172- 175 ［2］ 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