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露天矿山爆破对混凝土工程的振动影响监测分析

Time:2017-04-24 Views:

                                                                 葛双成1,2,刘全忠3,章晓桦1,2,洪卫良4,刘超英1,2
                               (1.浙江省水利河口研究院,杭州310020;2.浙江省水利防灾减灾重点实验室,杭州310020;
                                3.杭州市建筑设计研究院有限公司,杭州310001;4.浙江省工程爆破协会,杭州310004)
摘  要:露天采矿爆破地震效应,直接关系到水工建筑物混凝土施工质量和结构安全。在浙江东部沿海某围垦工程中,通过实测振动速度结合混凝土浇注龄期评价了爆破振动对水闸工程的影响,并采用回归分析计算场地系数和衰减指数,进而预测了质点振动安全允许速度对应的炸药量。爆破振动监测与分析表明,爆破振动效应研究及炸药量预测对水工建筑物的质量安全评价具有重要意义。
关键词:矿山爆破;混凝土工程;水闸;振动监测;安全评价
 
1   引  言
爆破工程中炸药产生的部分能量转化为地震波通过岩土介质传播并引起介质体振动,从而在一定范围内影响地面和地下建(构)筑物的结构稳定性和安全。早在20世纪20年代,美国学者Kwell(1927)就开始研究爆破振动对结构物的影响;随后英国、美国、前苏联以及瑞典等国家相继就爆破地震波的衰减规律、爆破振动强度影响因素及爆破振动的破坏准则等方面展开研究,并制定了一系列不同建筑物的破坏标准。20世纪50年代,中国科学院地球物理研究所谢毓寿等人[1](1962)在不同岩石和地质条件下进行爆破观测试验,提出了质点振动速度传播规律的经验公式,以及不同建筑物的破坏标准。随后,中科院力学所、铁道科学院、水利水电科学院以及中国矿业大学等单位相继结合有关科技计划项目及爆破工程实践,就爆破地震波的传播规律和作用机理进行了一系列理论分析、计算和试验研究工作[2-7]。近年来,国内外学者加强了爆破地震波模拟和谱分析研究工作,并就露天采矿等地面爆破开展了大量的地震波衰减规律以及爆破振动控制技术研究,解决了一些实际工程问题。水利水电工程实践与研究表明[8-10],爆破振动会对已浇筑混凝土的质量产生不利影响,需严格控制爆破振动速度等指标。现行国标《爆破安全规程》(GB6722—2003)和水利行业标准《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》(SL47—94)中有关爆破振动安全允许速度等方面的规定,对保障水工建筑物混凝土施工质量和结构安全具有重要意义。
 
2   现场测试方法
浙江东部沿海某围垦工程拟建一座混凝土结构水闸,而其附近的采石场正在实施爆破开挖,最近的爆破点距水闸仅50m左右。为了解该料场爆破对水闸工程的地震效应,开展了爆破振动监测工作。
本工程监测选择质点垂向振速为监测和分析的主要物理量,而水平向振动速度作为辅助物理量。采用DH5922多功能动态信号测试分析系统和941B型拾振器,仪器测试通道8个,采样速率每通道10、20、50、100、200、500、1k、2k、5k、10k、20k、50k、100kHz,失真度不大于0.5%,模数转换器分辨率16位,最大分析频宽DC~50kHz,抗混滤波器系每通道独立的模拟滤波+DSP数字滤波。
监测点设置于水闸工程的混凝土底板上,其地基为开挖后的弱风化中硬凝灰岩。为了解振动强度随距离的衰减规律和预测安全距离,所有测点均由北至南放置在一条测线上,其间距按近爆破区小、远爆破区大的原则掌握。
 
3   实测结果
表1所示仅为3次监测中最靠近爆破区测点的实测结果,图1、2所示分别为上部结构混凝土浇注后50天各测点振动速度衰减图,及其主振频率分布图。

                              
 
通过3次监测所得所有测点的有效振动波形图的时域和频谱分析,峰值振动速度范围为2.02~13.3cm/s,主振频率约6.54~21.29Hz。具体分析表明:
(1)随着测点与爆心距离的增大,质点峰值振动速度减小,且随着测点与爆心距离的逐步增大,质点峰值振动速度减小的速率逐步降低。这说明在同段最大药量相同时,质点峰值振动速度有随距离呈指数衰减的趋势。
(2)不论测点与爆破中心距离如何,同炮次测点的质点振动主频率变化均不大。上部结构混凝土浇注后50天爆破监测所得频率值相对较大,是因其炸药埋置深度较小,符合浅孔爆破振动频率高、深孔爆破振动频率低的基本规律。
(3)在同一炮次中,尽管测点与爆心距离相差较大,但振动持续时间却相差不大;在不同炮次中,振动持续时间相差较大。因此,测点处的爆破振动持续时间跟测点与爆心距离无关或关系不大,而与爆破参数(如:单段最大炸药量)及测点处的地质条件有关。
 
4   振动安全分析评价
依据国标《爆破安全规程》(GB6722—2003)和水利行业标准《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》(SL47-94)(第3.7.1条及附录C),新浇筑大体积混凝土基础面上的安全质点振动速度如下所示:
混凝土龄期/d              O~3    3~7    7~28
安全振动速度/(cm·s-1)  1.5~2.0 2.0~5.0 5.O~7.O
对3次监测的实测数据(表1)结合混凝土浇注龄期进行分析评价表明,均超出安全允许速度,对水闸工程浇注混凝土存在不利影响(见表2)。
因此,后续爆破施工过程中应采取控制炸药量,并采取必要的减振措施(如减振沟等),以便降低振动速度。
                                                       
 
5   安全炸药量预测
爆破地震波在岩土介质中的传播过程非常复杂,受到很多时间和空间上的因素影响。据《爆破安全规程》中的爆破振动安全允许距离公式计算质点振动速度:
(1)



式中:v为质点振动安全允许速度,cm/s;Q为同段最大药量,kg;R为安全允许距离,m;K、α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的场地系数和衰减指数;    为比例药量。
在本爆破工程中,通过3次监测数据的回归分析,计算得到场地系数K=95.3,衰减指数α=1.32。即质点振动安全允许速度的计算公式为:

(2) 
依据公式(2)、本工程实际情况及各次爆破监测情况,设爆破点与水闸的最短距离50m作为爆破预测的测点与爆破中心距离,计算水闸混凝土结构安全允许振速对应的炸药量。对照《爆破安全规程》爆破振动安全允许标准表和《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》新浇筑大体积混凝土基础面上的安全质点振动速度,后者规定的质点振动速度安全允许值更小,为v=7.Ocm/s(当混凝土超过28天龄期时,采用28天龄期对应的爆破振动安全允许速度),则预测单段最大炸药量Q约为330.8kg,即当单段最大药量不大于330.8kg时,方能同时满足国标和水利行标规定的安全允许振速要求。
 
6   结  语
某围垦工程拟建混凝土结构水闸附近的采石场爆破振动监测中,通过实测得到的各测点峰值振动速度和主振频率及其变化规律,依据国标和水利行标结合混凝土浇注龄期评价了爆破振动对水闸工程的影响。通过多次监测数据回归分析计算场地系数和衰减指数,得到了本工程的质点振动安全允许速度计算公式。预测了混凝土结构水闸工程安全允许速度所对应的炸药量,建议据此控制炸药量并采取必要的减振措施。该实例表明,振动监测对爆破工程的振动效应评价及安全炸药量预测,具有实际的指导意义。
必须指出,爆破地震效应的研究及其工程应用是一个很复杂的课题,实际工程的地震效应评价应综合考虑爆破振动速度、频率和持续时间等因素。鉴于场地系数和衰减指数与爆破点至评价保护工程对象间的地形、地质条件的复杂关系,用于回归计算的监测数据越多越好。在工程实践中经常出现振动速度超过安全允许速度而建(构)筑物未见明显损伤,或小幅度振动源的长期、频繁作用未受重视而危害建(构)筑物,导致工程纠纷的情况。因此,应结合工程实际和爆破参数,合理设置监测系统,充分利用先进的信号处理方法,对实际工程条件下的爆破振动效应和影响因素进行分析研究。此外,在工程运行过程中应注重结构现状的跟踪调查,必要时采用声波仪、回弹仪等进行检测,在保障工程安全运行的同时,还可以通过数据积累与分析,为确定工程安全控制标准及其可靠性提供科学依据。
 
参考文献:
[1]谢毓寿,王耀文.工业爆破的地震效应[J].地球物理学报,1962,11(2):24—31.
[2]阳生权,廖先葵,刘宝琛.爆破地震安全判据几个问题的探讨[J].矿冶工程,2001,21(3):24—27.
[3]孙秀民,汪进玉.爆破振动对建筑物的影响评价研究[J].爆破,2008,25(2):73—76.
[4]苏贺,汪海波,宗琦.临近建筑物基坑岩石松动爆破振动监测[J].爆破,2009,26(1)99—101.
[5]朱继红.隧道开挖爆破振动对临近建筑物影响的安全评价[J].火炸药学报,2007,30(1):78—80.
[6]李桂臣,李智信.采场边坡爆破震动观测与分析[J].有色矿冶,1999,21(3):21—25.
[7]田运生,汪旭光,于亚伦.场地条件对建筑物爆破震动响应的影响[J].工程爆破,2OO4,10(4):66—68.
[8]卢文波,陈明.爆破震动作用下新浇基础混凝土的安全震动速度研究[J].长江科学院院报,2003,20(增):8—10.
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[10]霍永基.水工结构爆破震动效应研究及安全分析[J].工程爆破,2003,9(4):72—77.
摘自《工程爆破》总第60期