赵京林 (长沙华星建设监理公司 ) 李永刚 (上海同济大学 )
摘 要: 阐述了爆破振动破坏的途径和方式, 从强度特性方面对爆破振动的危害进行了理论分 析, 对国内外的爆破振动安全判据进行了探讨, 最后归纳了爆破振动危害的防治措施。
关键词: 爆破振动; 危害机制; 安全判据; 防治措施
1.引言
随着爆破技术的广泛应用, 人们越来越关注爆 破振动对周围环境和构筑物造成的不利影响 (如爆破作用引起的振动、空气冲击波、噪音、有毒气体、飞 石等 )。长期以来, 国内外研究人员对爆破振动的 相关问题进行了大量的研究工作。
2. 爆破振动的破坏途径和方式
2. 1 爆破振动的破坏途径
建(构)筑物受爆破振动作用后的破坏途径, 可 归纳为如下两种。
(1)振动破坏。振动破坏取决于爆破振动的特 性和建 (构 )筑物的抗震性能。建 (构 ) 筑物受到振 动的影响有大有小, 其表现形式自轻至重依次为墙 皮剥落、墙壁龟裂、地板裂缝、基础变形或下沉、倒 塌。其相应的破坏程度可分别为轻微损坏、中等损 坏、严重损坏、倒塌或倒毁。
(2)非振动破坏。非振动破坏主要指与地基状 况相关的建 (构 )筑物的破坏。由于爆破振动的影 响, 一定的场地条件可能会导致地基土液化、基础不均匀沉陷和开裂, 而丧失其承载能力, 从而再引起上 部建 (构 )筑物的破坏。另外, 断层破裂造成的地面 破坏、滑坡和岩崩也都会引起工程建 (构 )筑物的破 坏。
2. 2 爆破振动的破坏方式
(1)直接引起的建 (构 )筑物体破损。指单纯的 强烈振动作用引起受震前完好且无异常应力变化的 建 (构 )筑物体破损。爆破振动危害实例调查及其 试验研究表明, 建 (构 )筑物的直接破坏主要归纳 为: 首次超越破坏和累积损伤破坏。
(2)加速建 (构 )筑物体破损。对大多数处于软 弱地基上的建 (构 )筑物, 由于在使用期内因某种原 因 (如差异沉降、温度变化等振前受力情况 )会在一 定程度上受到损伤, 从而使得爆破振动引起的附加 力加速了这种损伤的发展。
(3)间接引起建 (构 )筑物体破损。对完好且无 异常应力变化的建 (构 )筑物, 其破损是由于振动导 致较大的地基位移或失稳 (如饱和土软化或液化、 边坡坍塌 )所造成的。
上述三种爆破振动对建 (构 ) 筑物体的破损方 式中, 又以第 2种最为常见。
3.爆破振动危害机制理论分析
根据大量的现场试验和观测资料, 爆破振动的 强度与质点振速大小的相关性较好, 且振速与岩土性质有较稳定的关系; 而质点振动位移及加速度都 不具有质点振动速度这一特性。而且, 采用质点振 动速度可以和振动波所携带的能量及所产生的地应 力相联系, 并和结构中产生的动能和内应力建立关 系。因此, 采用质点振动速度峰值作为衡量爆破振 动强度大小指标的做法在国内外爆破领域盛行, 下 面就质点振动速度峰值在爆破振动危害中的作用进行分析。
把介质质点振动看作是简谐运动, 其谐振速度为：
v= 2πAf (1)
式中, v为质点振动速度, m /s; A 为质点振动幅值, m; f 为质点振动频率, H z。
当结构体受到扰动开始振动时, 由弹性力学理论有：
δ=Eε (2)
式中, δ为爆破振动在结构体中产生的应力, M Pa E 为结构体的弹性模量; ε为结构体产生的应变。
根据波动理论, 有：
ε= v/c (3)
式中, c为爆破振动波的传播速度。
根据式 (2)和式 (3), 可以得到应力与质点振动 速度的关系为：
δ=Ev/c (4)
则极限条件下应力与质点振动速度的关系为：
δm=Evm/c (5)
式中, δm为爆破振动在结构体中产生的最大应力, M Pa vm 为质点峰值振动速度, m /s。
振动波对结 构体的作用是一个动态过程, 而结构体中产生的动 态应力是由质点振动速度、介质属性和爆破振动波 在结构体中的传播速度等因素共同决定的。爆破振 动作用下在结构体内产生的动态应力, 直接造成结 构的破坏, 破坏程度取决于最大应力δm。而最大应 力δm 与爆破的峰值振动速度 vm 具有直接联系, 在 特定结构中 (E、c为常量 )爆破振动破坏程度则完全 取决于 vm。
4 爆破振动安全判据
4. 1 国外采用的爆破振动安全判据
(1)美国爆破振动安全判据。根据对建 (构 )筑物保护程度不同, 美国不同行业部门 (如美国矿业局、露天矿复垦管理局 )分别对爆破振动制定了不 同的 安全 判据。具 有代表 性的 是美 国矿业 局 ( USM BE )的安全判据标准和露天矿复垦管理局 ( OSMRE )的安全判据标准, 构成当今国际上较为流 行的标准, 其具体细节见图 1。
图 1 美国 USBM 和 OSM SE安全标准
(2)德国爆破振动安全判据。德国爆破振动安 全标准是将建 (构 ) 筑物划分为 3类, 如表1所示, 并且综合考虑了爆破振动速度峰值和振动频率对建 (构 )筑物的共同影响, 制定出了不同频率带内的爆 破振动速度控制标准作为安全判据。
表 1 德国标准
| 建筑物分类 |
频率范围/Hz |
合速度/(mm/s) |
| 工业建筑及商业建筑 |
< 10
10~ 50
50~ 100 |
20
20 ~ 40
40 ~ 50 |
| 居住建筑 |
< 10
10~ 50
50~ 100 |
5
5 ~ 15
15 ~ 20 |
| 敏感性建筑 |
< 10
10~ 50
50~ 100 |
3
3 ~ 8
8 ~ 12 |
(3)法国爆破振动安全判据。法国对于人口稠 密的市区爆破振动安全判据标准规定严格, 爆破振动速度不得超过 10mm /s。
(4)日本标准。日本在1982年制定的5混凝土建筑物爆破拆除工程安全技术方针6, 提出以质点 振动速度峰值为 2k ine,振级为 89db, 噪音声压级为 120dB作为安全管理目标的提案。
4. 2 我国采用的爆破振动安全判据
我国在1986年颁布的5爆破振动安全规程6[2](GB6722-1986),根据大量的爆破工程实践和试验研究表明,这种安全判据给出的评定标准往往带有保守性和片面性,对于不同爆破场地条件和不同类型的建(构)筑物的适用性比较差。因此,针对原有爆破振动安全判据的一些缺陷和不足,我国在2003年修订的5爆破振动安全规程6(GB6722-2003),对原有的爆破振动安全判据进行了修改,制定了新的爆破振动安全标准,见表 2。
表 2 爆破振动安全允许标准
| 保护对象类别 |
安全允许振速/(cm/s) |
| < 10H z 10 ~ 50H z 50 ~ 100H z |
土窑洞、土坯房、毛石房屋
一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物
钢筋混凝土结构房屋
一般古建筑与古迹
水工隧道
交通隧道
矿山巷道
水电站及发电厂中心控制室设备
新浇大体积混凝土: 初凝 ~ 3d
新浇大体积混凝土: 3d ~ 7d
新浇大体积混凝土: 7d ~ 28d |
0. 5~ 1. 0 0. 7~ 1. 2 1. 1~ 1. 5
2. 0~ 2. 5 2. 3~ 2. 8 2. 7~ 3. 0
3. 0~ 4. 0 3. 5~ 4. 5 4. 2~ 5. 0
0. 1~ 0. 3 0. 2~ 0. 4 0. 3~ 0. 5
7~ 15
10~ 20
15~ 30
0. 5
2. 0~ 3. 0
3. 0~ 7. 0
7. 0~ 12. 0 |
5.爆破振动危害的防治措施
为了确保爆区周围建筑物的安全,必须严格控 制爆破振动。通过系统调研国内外关于爆破振动危害控制的相关文献,对爆破振动危害控制方法进行了分析与总结,可归纳为如下几种。
(1)采用松动爆破和谨慎爆破。松动爆破在保 证爆破效果的条件下, 使爆破振动最小; 谨慎爆破是在保证安全判据情况下, 进行爆破设计。
(2)选取合理的炸药单耗。炸药单耗过低,会造成岩石的破碎和松动不良,从而使消耗在爆破振动上的能量增大; 炸药单耗过高,会使爆破振动增大。因此,必须通过现场爆破试验来确定与选用合 理的炸药单耗。
(3)大力推广多段微差起爆,分段越多,爆破振动就越小。微差爆破是在孔间,排间或孔内以毫秒 级的时间间隔,按一定顺序起爆的方法。大量的试 验研究表明, 在总装药量和其它爆破条件下,微差爆破的振速比齐发爆破可降低 40% ~ 60% 。
(4)选择合理的孔网参数。精确地进行炮孔定位, 防止采用过大的超深,过大超深会增加爆破振动。
(5)选择适当的装药结构。可通过不偶合装药、空气间隔装药、孔底为空气垫层的装药结构,降低爆破振动。实践证明,装药结构对爆破地震效应有明显的影响,装药越分散,地震效应越小。
(6)选用合适的炸药。炸药的波阻抗与岩石的波阻抗相匹配时,用于岩石破碎的能量就越多,爆破 振动就越小。
(7)调整爆破工程传爆方向,以改变与被保护物的方位关系。实践证明,抛掷爆破时,最小抵抗线方向的振动最小,反向最大,两侧居中;而采用一排的群药包爆破时,在药包中心的连线方向比在垂直于连线方向的振速可降低30% ~ 45%。此外, 爆破振动在不同的高程处振动强度也不一样,低于爆源处的建筑物的抗震性能比高于爆源处的建筑物的抗 震性能要好得多。因此,充分利用爆破振动的这些特点,通过改变爆源与被保护物的相对方位,可适当 控制被保护物处的振动大小。
(8)充分利用地形地质条件,如河流、深沟、渠道、断层等,都有显著的隔震减震作用。除上述控制爆破振动的措施外, 还应注意不同建筑物的动力响应也不一样,建筑物的结构形状对抗震性能影响较大,一般低矮建筑物的抗震性能比高大、细长的高耸建筑物要好得多。
6.结 论
从爆破振动强度特性方面, 分析了爆破振动对建(构)筑物的危害机制。就爆破振动对建(构)筑物的破坏途径和破坏方式, 及国内外爆破振动安全 判据研究现状进行了归纳和总结, 探讨了一些爆破振动危害防治措施。
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