引水隧洞爆破开挖对邻近建筑物的振动影响分析.pdf

第 “卷第“期 年月 爆破 “ 0 7 , 4 - . 4 3 - 2 5 , - 0 . 4 “ , , 7 8 - 8 ’ A - B 8 , C DE D - ’ F ’ G 8 -H C I J C 8 8 - J C I 6 B J 8 C B 8， A K , CL C J M 8 - J 7 ， A K , C 0 ，N K J C ,） 3 - 2 7 , -O , 8 D ’ CF - , B 7 J B , P 8 , A - 8 DD , 7 , ’ , 7 J C I，M J - , 7 J ’ C J C 7 K 8 F - ’ B 8 ’ K D - ’ F ’ G 8 - D J M 8 - J ’ C 7 A C Q C 8 , 7 8 R B , M , 7 J ’ C，7 K 8D A , J 7 - 8 I - 8 J ’ C, C , J ’ , 7 7 8 C A , 7 J ’ C8 S A , 7 J ’ C’ , 7M J - , 7 J ’ C J P , D 8 N ’ P F , - 8 D G J 7 K8 R F 8 - J P 8 C 7 , ’ - P A ,，7 K 8 ’ - 8 B , 7 D , 7 ,G , P , D 8 B ’ 8 7 ’ 7 K 8 8 C I J C 8 8 - J C I - 8 , J 7 6 J P A 7 , C 8 ’ A ，7 K 8 , 8 7 ’ , D T , B 8 C 7 B ’ C 7 - A B 7 J ’ C J C 7 K 8 F - ’ B 8 ’ 7 A C C 8 , 7 8 R B , M , 7 J ’ C , 8 D ’ C 7 K 8P ’ C J 7 ’ - J C I - 8 A 7 J , C , U 8 D 7 ’ F - ’ Q M J D 8 B ’ - - 8 F ’ C D J C I , 8 7 B - J 7 8 - J ’ C AB . 2 37 A C C 8 8 R B , M , 7 J ’ C；的 电站厂房及相应的发电引水系统。新增的引水隧洞 布置在左岸， 与原发电引水隧洞同侧而且平行， 断面 为圆形， 开挖断面70 8 “0 8 /P， 衬砌厚度“ “ P。隧洞所处的地质条件主要为中至厚层泥 灰岩、 泥质灰岩， 夹少量薄层泥灰岩、 页岩， 仍具有各 相异性体， 属于中硬岩类。 在隧洞的爆破开挖过程中， 爆破振动对周围建 筑物及各类设施的影响是爆破设计所必须考虑的。 如何评价爆破振动对周围环境的影响是工程界普遍 关注的热门课题之一。尤其是在增容扩机中， 新增 的引水隧洞距离大坝和原厂房均较近。在安全监测 的同时， 根据已有的数据和成果， 提出更加符合实际 的衰减规律显得尤为重要。 爆破开挖方法和振动测试系统 引水隧洞采用分部法开挖， 两次成型。先挖上 半断面， 下半断面最厚处约留“ P， 待上半断面全 贯通后再开挖下半断面。钻孔采用气腿式风钻， 人 工装药， 非电毫秒延期导爆管雷管分段微差起爆， 周 边采用光面爆破。其中， 掏槽孔一共/个， 采用楔形 万方数据 掏槽， 孔深 “ ， 单孔药量 “ ’ ， 单响最大药量 为 “ ’ 。总装药量 *’ 。 具体监测过程中， 同一测点一般分为竖直向和 水平轴向布置传感器， 传感器用石膏固定在所需监 测的部位， 然后将自记仪与其相联。爆破振动传递 到测点时， 自记仪自动记录信号。爆后利用专门编 制的爆破振动分析软件 （ , ,波形采集及处理软 件） 将自记仪采集到的振动信号输入电脑中， 进行分 析和存储处理。现场在洞壁与底板的交界处 - *的范围内每炮布置-个测点， 每一个测点均布 有垂直和水平传感器。 图爆破开挖的断面图 （单位 . ） 图引水隧洞楔形掏槽俯视图 （单位 . ） 光爆层的厚度和隧洞的开挖断面的大小、 岩石 的性质和地质构造等有关。大抵抗线光面爆破适用 于开挖断面较大、 岩石较破碎的条件。大断面的隧 洞的顶拱跨度大， 光爆孔所受到的夹制作用小， 岩体 比较容易崩落 ［］ 。 从现场的爆破效果来看， 隧洞的爆破开挖轮廓 控制得相当不错。半孔率达到/ * 0 1 * 0， 岩石的 完整性也很好， 比较好控制了开挖轮廓。说明只要 很好地控制装药的质量和起爆的段位划分， 就可以 在小断面大抵抗线隧洞光面爆破开挖过程中较好地 控制爆破对围岩的破坏。 爆破振动监测数据分析 “ 监测物理参量的确定 爆破振动对建筑物的安全是否构成影响， 与爆 破振动强度及振动频率密切相关。反映爆破振动强 度的物理量分别有质点位移 （， ） 、 质点振动速 度 （“， . ／2） 和质点振动加速度 （，. ／2 ） 。 爆破的质点振动速度 （“）相对能够较好地反 映建筑物的爆破振动特点， 其传播也较有规律， 特别 是通过国内外工程界多年以来的大量工程实践和总 结， 所形成的一系列可供参考的建筑物的爆破振动 速度安全控制标准， 以及一整套成熟且便于操作和 分析的现场观测方法， 为利用质点振动速度进行爆 破振动监测和控制提供了依据。 故而往往都选取质 点振动速度作为爆破振动监测的物理参量， 通过现 场的观测， 对建筑物进行安全评定， 对施工进行反 馈。 “ 爆破振动速度衰减规律形式的探讨 虽然目前还没有准确掌握爆破振动速度的影响 因素到底有多少， 同时也无法精确描述爆破振速衰 减规律的一般理论形式， 但是大量的爆破振动参数 的实测数据， 应该可以反映出某种规律性， 这种规律 必然是爆破振动速度衰减规律的较为准确的表达形 式。 探讨爆破振动速度衰减规律的较为准确的表达 形式在增容扩机中具有重要的现实意义。在新增的 引水隧洞爆破开挖掘进过程中， 原引水隧洞的附近 无法布置测点， 这就要求更好地掌握衰减规律， 从而 从理论上推断出原引水隧洞洞壁的爆破振动的峰值 振速。同时， 在许多重要但是无法布置测点的部位， 也可以作出相应的推断。 爆破振动的衰减规律， 在实际工程中的做法往 往是根据爆破试验或生产爆破过程中所测得的实际 数据， 以萨道夫斯基公式为基本形式， 采用最小二乘 法进行拟合求得相应的爆破振动的衰减规律 ［］ 。 即 “ （ ／ ／’） （） 式中， “为爆破振动速度，. ／2；为单响最大药 量， ’ ； ’为爆心距，；、均为回归系数。 随着爆破观测技术的发展和进步， 对振速的衰 减规律也提出了一些新的拟合公式， 爆破药量的指 数均不是／ 。由于介质的裂隙分布是随机的， 即 使在同一爆破场地不同方向所得的观测资料， 其衰 减规律可能不尽相同， 在拟合计算中有必要根据具 体情况求解出公式 “ （“／’） （） 中的药量指数“值， 公式 （） 的变形公式 “ （ ’ ） （） 经过统计分析， 发现有当时， “； * 时，“* ［］ 。 仍然以爆破振动速度、 爆破药量和爆心距为基 / 第 卷第期张忠伟等引水隧洞爆破开挖对邻近建筑物的振动影响分析 万方数据 本研究参数， 先用萨道夫斯基经验公式作为爆破振 动速度衰减规律基本形式进行一元回归分析， 再进 行二元回归分析， 即将式 （） 作为爆破振动速度衰减 规律基本形式进行拟合 ［］ 。 ““ （） 式中 ， “、、均为拟合的各种参数；、、等 符号含义同公式 （） 。 爆破振动实测数据和回归分析 爆破条件包括炸药的重量、 性能和装药结构， 以 及爆破介质临空面的夹制条件等。在这些因素中， 除单段最大爆破药量在比例距离中已做考虑外， 爆 破的夹制条件是影响爆破振动强度的另一重要因 素。掏槽爆破时， 掏槽孔的单段药量为 ’ ， 为 最大单段药量， 同时只有一个临空面 （掌子面） ， 因此 掏槽爆破是在较大夹制作用下的强抛掷爆破， 夹制 爆破导致更多的爆炸波能向岩体内部传播， 造成邻 近介质的较强振动 ［］ 。 由于引水隧洞爆破振动最大的能量来自于掏槽 爆破， 所以将以掏槽爆破的实测振动参数为依据进 行分析。 图隧洞轴向一元回归分析的趋势线 图隧洞切向一元回归分析的趋势线 根据新增引水隧洞切向实测的数据， 分别用萨 道夫斯基经验公式进行一元和二元回归分析， 得到 式 （） 、 式 （*） 的结论为 一元回归 “ （ ／ ／） （） 二元回归 ““ “ “ （ , -／） , （*） 根据发电引水隧洞轴向实测的振动数据， 进行 一元和二元回归分析， 得到式 （） 、 式 （,） 一元回归 “ - - “ （ ／ ／） （） 二元回归 ““ “ * - （ , -／） （,） 广东省东深供水第三期扩建工程雁田隧洞爆破 振动观测分析中， 顶拱径向、 拱脚径向、 拱脚轴向的 爆破药量指数分别为 -、 、 。 湖北省隔河岩的引水隧洞的爆破振动监测和分 析中， 其预裂爆破和光面爆破的回归公式的药量指 数分别为 * 和 - - ［*］ 。 在某个隧洞新奥法试验中具有典型意义的质点 振动速度衰减公式中的爆破药量指数为 , ［］ 。 通过对引水隧洞的切向和轴向的一元和二元回 归分析， 可以发现， 无论是在隧洞的切向和轴向回归 计算中， 二元回归出的相关系数均大于一元回归的 相关系数， 这说明用式 （） 来描述爆破振动速度衰减 规律比式 （） 更加接近工程实际。同时， 二元回归中 爆破药量指数并非是式 （） 中所规定的／ ， 而是随 着爆破振动传播途径的不同而变化的。且从二元回 , 爆破 “ “ 年月 万方数据 归的式子来看， 药量指数远大于／ “。与萨道夫斯 基经验公式相比， 上述结果将会导致以下种可能 ） 在不同的装药结构下药量的指数也会不同， 萨道 夫斯基公式是在球形药包的装药结构下提出来的经 验公式， 而回归计算中的装药结构是隧洞炮眼爆破 法的条形药包； ） 隧洞爆破和露天爆破的衰减规律 不同， 即在一定的范围以内， 隧洞中的爆破药量对振 动衰减的影响比露天的影响要大很多。如果把式 （） 中的 改成 ／ “， 则式 （）就变成了与萨道夫 斯基经验公式完全相同的形式。 因此， 萨道夫斯基经 验公式实际上是 （） 式的一种特殊形式。 也就是说， 即使爆破振动速度与爆破药量和爆心距之间确实存 在如萨道夫斯基经验公式所描述的数量关系， 用 （） 式进行爆破振动速度衰减规律的拟合， 仍然可以得 到与萨道夫斯基经验公式相同的结果 ［］ 。 爆破振动对发电厂房的影响和分析 随着发电引水隧洞的爆破开挖不断进行， 爆源 距离原发电厂房也越来越近， 也在厂房的发电机层 和中控室进行了振动监测， 以便掌握爆破的质点振 动速度大小和对保护物的影响程度。电站的中控室 和发电机层的控制标准都是 ’ ／ ， 仪表盘的控 制标准是 *’ ／ 。根据回归公式推算的结果， 距 离 的情况下， 单响药量 ,距离中控室“ 的峰值振速是 - -’ ／和 - ’ ／。这和测 得的 - ’ ／ 相差不大。为了把爆破振动的峰值 振速控制在 ’ ／ 以下， 可以在已经知道距离的 情况下， 采用式 （.） 的变形式子 （ ） 来控制药量。通 过现场的测试和回归计算， 只要药量控制的适当， 爆 破振动对厂房的中控室和发电机层的影响是符合标 准的。 ［“］（／’） （.） / 0（’ ［“］ ／） ／）／ （ ） （为／ “或者是二元回归的值） 在监测的过程中， 也曾经偶尔发生过因为爆破 振动过大而引起的发电厂房在未工作的状态下跳闸 的事故。这是因为随着爆破开挖的不断进行， 爆源 和发电厂房的距离越来越小， 而爆破的方式和爆破 的药量没有及时作出调整。同时也还发现， 在发电 机层转子的振速达到 1’ ／ 时， 尽管振速 已经远远超过了控制标准， 但是机组在以后的运行 过程中却同以前一样正常， 偶尔的爆破振速过大并 没有对发电机组造成任何破坏。一方面说明转子的 爆破振动控制标准还有富裕， 并不是意味着爆破振 速一旦超过标准， 就会造成很大的破坏； 再者在地面 质点振动速度值相同的情况下， 将会出现不同的振 动频率和振动持续时间。虽然爆破振速超过了标 准， 但是爆破的振动的频率较高达到 1 “ “ “2 3， 持续时间短， 衰减也较快， 并未造成较大破坏。建筑 物在爆破振动的作用下， 其破坏程度与爆破振动引 起的地面质点振动速度成正比， 与频率比 （即地面振 动频率与结构物自振频率之比） 的常用对数成反 比 ［*］ 。又 . * .年水压爆破为赣州市人防办拆除一 座人防工事， 爆破引起的地面质点振动分别高达 4 “ ’ ／和 . ’ ／， 按照5 6 4 - 7 * 4 爆破安全 规范 估计的建筑物应当严重破坏， 由于爆破振动频 率也很高， 爆破后这两处建筑物均没有出现任何破 坏。 1 结语 通过以上的计算和分析， 可以得到如下的结论 ） 隧洞爆破振动衰减规律与萨道夫斯基公式相 似， 形式相同， 但是药量指数远大于／ “， 在一定爆 心距范围内， 药量对振动强度的影响十分显著， 而从 本工程及其他的工程资料看， 场地系数又远低于 露天爆破的。以二元回归来拟合隧洞的爆破振动衰 减规律更加接近工程实际。 ） 在本工程的爆破安全监测中， 对发电设备的 爆破振动控制是成功的。在爆破安全振动控制中以 地面峰值振速为标准的同时， 可以适当参考频率的 影响。 参考文献 ［］ 中国力学学会工程爆破专业委员会爆破工程 ［8］北 京 冶金工业出版社， . . ［］ 臧秀平爆破振动速度衰减规律形式初探 ［9］金属矿 山， （） “ 4 “ - ［“］ 朱传云药量指数的近似估算法 ［9］爆破， . * *，1 （） * ［］ 李良佐缙云山隧洞光面爆破 ［9］公路， . . （ ） - . ［1］ 杨年华， 刘慧近距离爆破引起的隧道周边振动场 ［9］工程爆破， ，4 （） 4 ［4］ 朱传云预裂与光面爆破对围岩的影响 ［9］爆破， . . ， （） ［-］ 舒大强新奥法施工中的控制爆破 ［9］爆破， . . ，. （） “ 4 ［*］ 焦永斌爆破地震安全评定标准初探 ［9］爆破， . . 1， （“） 4 . 1* 第 卷第期张忠伟等引水隧洞爆破开挖对邻近建筑物的振动影响分析 万方数据