砂土层中爆破地震波传播特性研究.pdf

2 0 0 7 年4 月砂土层中爆破地震波传播特性研究陈庆凯等 砂土层中爆破地震波传播特性研究 陈庆凯屠晓利李贵臣 刘小波 东北大学 辽宁沈阳，1 1 0 0 0 4 [ 摘要] 文章根据沈阳宾馆拆除爆破等工程测得的爆破振动数据，经过对地震波幅值、频率和持续时间的分析， 得出了爆破地震波在砂土层中传播的特性规律，对确定在类似传递介质中的爆破振动极限值具有借鉴意义。 [ 关键词] 爆破地震波传递介质传播特性频率 [ 分类号] T D 2 3 5 ．1 1 概述 随着城市改造步伐的加快，运用爆破方法进行 城市内的建 构 筑物拆除越来越多。从安全角度出 发，爆破在带来效率和效益的同时，也会产生不同程 度的副作用，如地震效应、冲击波、飞石、有毒气体、 噪声以及其他对相邻物体、构筑物和人身的影响 等[ 1 ] 。其中，地震效应对周围的建 构 筑物影响最为 明显。描述爆破产生的地震波特性最重要的参数是 峰值幅度、主周期 或振动畅游频率 和振动持续时 间，所有这些参数都依赖于爆破顺序和传递介质[ 2 ] 。 任何一次爆破的实施，在爆破规模及爆破顺序一定 的情况下，产生的爆破振动特性取决于传递介质。传 递介质的不同，爆破地震波的传播特性也不同。沈阳 宾馆、沈阳市鑫源酒店和财会学校位于市中心，是三 个相邻的建筑物，在城市改造过程中，用定向爆破的 方法进行分次拆除。该地区的地下岩层结构如图1 所示，∥地表往下3 0m 范围内依次为杂填土、粉质 粘土、粉细砂、中粗砂、砂砾和圆砾，地点不同，各岩 土层的厚度也不尽同，但层次结构基本不变，以砂土 体为主。本文的目的在于该地区的爆破过程中，采用 加拿大I n s t a n t e l 公司生产的M i n i M a t eP 1 u s 爆破 地震仪进行振动波形数据的采集，经过分析比较，找 出特定介质条件下，爆破地震波传播特性的参数特 征。 2 拆除对象周围环境分析 财会学校、鑫园大酒店和沈阳宾馆相邻，沈阳宾 馆北侧是鑫园大酒店，鑫园大酒店北侧是财会学校， 这三座楼房基本情况见表1 。拆除爆破时都采用多 段微差起爆方式，表1 中同时列出了单段最大药量、 段数和总药量。三次爆破使用的地震波监测仪器是 一样的，只是爆破日期和时间各不相同。沈阳宾馆爆 破时间为2 0 0 5 年4 月1 3 日1 5 点2 2 分，财会学校 和鑫园大酒店爆破时间分别为2 0 0 5 年4 月2 1 日早 上6 点5 分和2 0 0 5 年5 月1 0 日早上5 点1 5 分。下 图1 地下岩层结构柱状示意图 表1沈阳宾馆等三座楼房及爆破装药量 面以沈阳宾馆为例，详细说明其周围环境及测震点 的分布情况。 沈阳宾馆周围的建筑物都是拆除对象，不是保 护对象，但政兴游泳馆本次不拆除，暂时予以适当保 护。沈阳宾馆周围环境如图2 所示。其它保护对象 和测点位置描述如下 万方数据 爆破 器材 E x p l o s i v eM a t e r i a I s 第3 6 卷第2 期 图2 沈阳宾馆周围环境示意图 东侧相邻的是好世界大酒店，但已用机械方法 拆除。最近的是市政府大楼，距离为1 5 0m ，是爆破 地震和噪音的保护对象，但不便设置测点。测点设在 沈阳宾馆东墙南7 4m 处 政兴游泳馆的北墙根 ， 测点为1 号。 南侧1 0 0m 外是市府大路，爆破警戒线在市府 大路北侧，爆破时市府大路的交通不戒严，市府大路 南是各类门市房和住宅，都是爆破地震和噪音的保 护对象。该测点设在沈阳宾馆正南通道东侧的草坪 中，北距沈阳宾馆8 5m ，南距市府大路2 0m ，测点 为2 号。 西侧沈阳宾馆西侧1 9 m 是北三经街，三经街 西是皇寺，是爆破地震和噪音保护对象；爆破时的警 戒线在北三经街西侧，爆破时可能在警戒线外有人 观看，是噪音的保护对象。该方向的测点设在垂直于 沈阳宾馆的东西轴线上，距离沈阳宾馆1 7m ，测点 为3 号。 北侧北侧1 0 0m 内的所有建筑都是要拆除对 象，且沈阳宾馆爆破时向南倒塌，对北侧的影响不 大，没有保护对象，不设测点。 本次爆破地震监测是现场监测，选用了便携式 遥控定时测试系统。即目前世界上野外爆破地震监 测最好的，由加拿大I n s t a n t e l 公司生产的M i n i M a t eP l u s 爆破地震仪。同型号三套，每个监测点一 套，每套仪器带两个三向正交 垂直、横向和轴向 爆 破地震传感器，两套爆破噪音传感器。 3 测试数据 沈阳宾馆周围共设东、南、西三个测点，每个测 点配备两套爆破地震传感器，每套传感器由横向 T r a n 、垂向 V e r t 和轴向 L o n g 三个传感器组 成，分别记录三个方向的地震波形，形成各自地震波 形曲线图。南侧和西侧的测点同时配有噪音传感器， 测低频噪声。以沈阳宾馆西侧1 4 传感器为例，测得 的波形如图3 所示。在图3 中，横坐标为时间轴，单 位为秒，纵坐标中，M i c L 代表低频噪声，单位为5 0 P a ／格，L o n g 、V e r t 和T r a n 分别代表轴 径 向、垂 向和横向质点振动速度，单位为5 m m ／s ／格。从图3 中容易得出振动持续时间和振动的幅值 表2 ，而 且可以看出在2 ～3 m s 时间段内又出现一个振动峰 值，这是楼房倒塌触地引起的，但振动幅值明显低于 爆破引起的振动峰值。 蛊 、 ； {羹◆ 一强胁忡舢州忙一 一3 眇卅一i 1 3 №怫岫．M 州一{ 表2 沈阳宾馆爆破拆除测震 宙 向 向 向 翼蹇叁篓鍪，速度乞。、龌妻惴最查位移 位置号方向 m m ‘s - 1 ／H z n 二二。．_ ／m m 1 号 测点 东侧 政兴 墙下 B E 9 5 7 6 2 号 测点 南侧 正中 B E 9 5 7 3 号 测点 西侧 B E 9 5 7 4 横向 4 ．8 3 垂向 1 1 ．6 0 轴向 1 5 ．1 0 合成1 6 ．7 0 横向 7 ．4 9 垂向 1 0 ．5 0 轴向 1 3 ．1 0 合成1 6 ．1 0 横向 3 ．5 6 垂向 7 ．8 7 轴向 8 ．8 9 合成 9 ．7 5 横向 3 ．5 6 垂向7 ．2 4 轴向 9 ．7 8 合成 1 0 ．8 0 横向 8 ．8 9 垂向 9 ．2 7 轴向 1 1 ．6 0 合成 1 3 ．1 0 横向 9 ．1 4 垂向 8 ．8 9 轴向 1 3 ．7 0 合成 1 4 ．1 0 4 数据分析 M i n i M a t eP l u s 爆破地震仪测得的数据，在本 ∞坞埔 一 ∞M 碍 一 ％坫珀 一 ∞坫均 一 坞∞坫 一 坞m M 一 仉n 仉 一 m m m 一 仉吼m ． 仉以仉 ． 吼仉m ． m m 仉 ． ∞n 丛 一 孔玛约 一 鹏∞∞ 一 n n n n 均n M n n 一 仉吼m m 吼吼 一 m n 吼 一 m 吼吼 一 吼仉吼 ． 仉仉吼 ． 7 6 7 ． 1 6 7 3 3 5 3 1 5 一 巧O 巧 一 巧4 “ 一 孓 一 一 豇。；L 一 豇o ；L n 加 一 U o ；加 一 万方数据 2 0 0 7 年4 月砂土层中爆破地震波传播特性研究陈庆凯等 机上就可以有个总体的了解，但详细的分析要借助 于与之配套的B l a s t w a r e 专业软件来完成。通过该 软件不仅可以看到振动波形，还可以进行频谱分析 等。 4 ．1 质点振动速度随着频率的分布关系 图4 给出的是每个频点对应的振动速度，从图 中可以看出频率分布的范围和振动速度的幅值范 围，三个方向的频度范围是4 ～5 0H z ，振动幅值范 围是o ～1 2 m m ／s ，低于国家标准[ 引。但这只是一个 粗略的分析，详细的分析需要进行频谱分析。 4 ．2 频谱分析 图5 给出了3 号测点1 传感器F F T 频谱分析 图。由频谱分析图得知，振动频谱范围主要是2 ～3 0 H z ，主振频率最低是6 ．3 lH z ，最高是1 1 ．5H z ，8 ～ 1 0H z 较多，详细的数据见表2 。 0 ．1 2 O ．0 8 0 ．0 4 0 0 ．0 8 0 ．0 4 ≮O 馨 塔0 ．4 0 0 ．3 0 0 ．2 0 O ．1 0 O 2 0 ．O 1 5 ．O 1 0 ．O 5 ．0 O 图43 号测点1 4 传感器测得质点 振动速度与频率的关系 11 0 2 0 4 0 6 0 8 01 2 0 1l O 2 0 4 06 0 8 01 2 0 f ／H z 图53 号测点1 4 传感器F F T 频谱分析图 在砂土层中测得的爆破地震波的频度范围和主 振频度都比露天矿山测得的爆破地震波的频度范围 和主振频度低[ 4 ] 。在振动速度相同的情况下，砂土层 上的建 构 筑物更容易受到爆破地震波的破坏。 4 ．3 爆破地震波在砂土层中传播的特性 当爆破作用指数为竹 1 时，我国常用的质点振 速公式为[ 5 ] D l ／3 口 是 j F 8 1 』、 式中口质点振动速度，c m ／s ； Q 单段最大药量，k g ； R 观测点到爆源距离，m ； K 与岩石性质、爆破方法、爆破条件有关 的系数； a 地震波随距离衰减的规律。 根据表3 中列出的相关数据，利用最小二乘法 可以回归出K 和口的值，分别为6 ．6 7 和o ．6 4 6 ，这 两个值明显较低，说明爆破地震波在砂土层传播时 衰减较快，传播的距离较小。 表3 质点振动测试 5 结论 通过数据采集和数据分析，可以得出以下几点 结论 1 M i n i M a t eP 1 u s 爆破地震仪携带方便，操作 容易，分析快捷，测得的数据一致性较好，但价格较 高。 2 在砂土层传播的地震波的频度范围和主振 频率都较低，对建 构 筑物的危害更大。因此在爆破 时，对爆破振动速度必须严格控制。 3 在砂土层传播的地震波衰减的速度较快，传 万方数据 3 2 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 6 卷第2 期 1 影响铵油爆破剂炮烟生成的因素 P r o c ．A n n u ．C o n f ．E x p l o s ．B l a s t i n gT e c h ． 炸 药和爆破技术年会会议录 2 0 0 0 ，2 6 次 V 0 1 ．1 ，1 6 3 ～1 7 4 英文 多年来已有小规模试验用来评估雷管敏感炸药 产生的炮烟，但这些试验不能用于爆破剂，由于爆破 剂的装药量大和需要严密的封闭性才能达到正常的 爆轰。考虑到爆破弃3 在建筑和采矿中的广泛使用，有 必要测定由爆破剂生成的有毒炮烟的量。在1 9 9 7 年 国际炸药工程师2 3 届 炸药和爆破技术 年会上，已 报导了一种起爆量大的 4 ．5 4k g 在控制容积中封 闭的爆破剂装药的装置，已于1 9 9 7 年在国家职业安 全和健康研究所的匹兹堡研究实验室的实验矿建 成。这种装置已用来收集各种铵油爆破剂和若干种 雷管敏感炸药爆炸产生的有毒炮烟的数据。对含有 1 ％～1 0 ％燃料油的铵油爆破剂进行了研究。从以前 研究所预示的那样，当燃料油增加时，一氧化碳的生 成量增加，而一氧化氮和二氧化氮的生成量减少。当 燃料油含量为1 ％～1 0 ％时，爆速的范围为3 0 0 0 ～ 4 0 0 0m ／s ，认为具有不合理燃料油含量的铵油混合 物可能会正常地爆轰，而它们的炮烟生成量与最佳 情况会有显著的差别。研究工作也考虑到封闭程度、 水沾染和铝含量等因素对爆破剂炮烟生成的影响。 结果指出，铵油爆破剂沾上水时对一氧化碳的生成 影响不大，但引起一氧化氮和二氧化氮的生成显著 增加。降低封闭程度，对一氧化碳的生成也影响不 大，但显著增加一氧化氮和二氧化氮的生成。在铵油 爆破剂中加入5 ％～1 0 ％铝对一氧化碳、一氧化氮 或二氧化氮的生成没有显著的影响。 2 经济的空气间隔爆破可能性研究 J ．M i n e s ，M e t ．F u e l s 矿山，冶金与燃料杂志 1 9 9 9 ，4 7 1 ～2 ，5 3 ～5 6 英文 在采矿中，使用空气间隔爆破 a i 卜d e c kb l a s t i n g 可得到较好的破碎作用，同时减少炸药的需用 量。在进行空气间隔爆破时，将一个充气袋放在同一 炮孔中的两个炸药柱之间。当两个炸药柱起爆时，两 个冲击波碰撞，反射到炮孔的两端。反射只是再一次 碰撞，这样在炮孔的全长上生成一个新的高压源。空 气间隔爆破降低了爆破作业的成本的3 0 ％～3 5 ％。 含水炮孔用硝酸铵炸药的空气间隔爆破在廉价和降 低炸药消耗量时，还得到了较好的破碎作用。 3 粒状炸药组成及其制造 日本专利J P 2 0 0 03 0 2 5 8 7 ，2 0 0 0 ，1 0 ，3 1 ，共4 页 日文 由尿素和硫脲作为耐热剂与9 1 ％～9 7 ％粒状 硝酸和3 ％～9 ％ 质量计 燃料混合制得了一种适 用硫矿开采的炸药。 钟一鹏译自美国化学文摘 V 0 1 ．1 3 3 ，N o ．2 4 2 0 0 0 播的距离较小。 4 爆破拆除倒塌的楼房触地引起的振动可以 被地震仪测得，其峰值明显低于爆破本身产生的振 3 动峰值。 参考文献 ‘ 1 陈庆凯，梅智学，赵德孝．工程爆破技术与安全管理[ M ] ． 一 沈阳东北大学出版社，2 0 0 2 ．1 2C h a r l e sH ．D o w d i n g [ 美] ．李香灿，陆来，郭扬，等译．爆破 振动监测与控制[ M ] ．北京冶金部冶金安全教育指导 站，1 9 8 8 ．1 6 国家质量监督检验检疫总局．G B 6 7 2 2 2 0 0 3 爆破安全规 程[ S ] ．北京中国标准出版社，2 0 0 4 陶颂霖．爆破工程[ M ] ．北京；冶金工业出版社，1 9 7 9 ．3 1 1 ～3 1 8 张风鹏，马万昌，孙豁然，金校元．人工爆破地震波特性的 实验研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 4 1 2 1 9 ～2 2 S t u d yo nP r o p a g a t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fE x p l o s i V eS e i s m i cW a V ei nA r e n a c e o u sS o i l C h e nQ i n g k a i ，T uX i a o l i ，“G u i c h e n ，L i uX i a o b o N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y L i a o n i n gS h e n Y a n g ，1 1 0 0 0 4 [ A B s T R A c T ]0 nt h eb a s i so ft h em e a s u r e dd a t ao fe x p l o s i v ev i b r a t i o ni nt h es h e n Y a n gH o t e lb a c k o u tb l a s t i n g e t c ．a n dt h ea n a l y s i so fa t t e n u a t i o n ，f r e q u e n c ya n dd u r a t i o n ，t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe x p l o s i v es e i S m i c w a v ei na r e n a c e o u ss o i la r eo b t a i n e d ．T h er e s u I ti su s e f u l t od e t e r m i n et h el i m i tv a l u eo fb l a s t i n gv i b r a t i o ni ns i m i l a rt r a n s f e r r i n gm e d i u m ． [ K E YW O R D S ]e x p l o s i v es e i s m i cw a v e ；t r a n s f e r r i n gm e d i u m ，p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s } f r e q u e n c y 万方数据