重庆枢纽区域爆破震动对边坡稳定安全标准确定方法讨论

言旺军 周余奎(中铁西南科学研究院有限公司,四川成都 610031)



重庆枢纽区域爆破震动对边坡稳定安全标准确定方法讨论

言旺军 周余奎
(中铁西南科学研究院有限公司,四川成都 610031)

【摘 要】本文在重庆枢纽《城市区岩石路堑与浅埋隧道安全控爆技术》课题组的大量监测数据和现场建(构)筑物的安全验证基础上,总结了城区大规模土建施工中爆破开挖对城区建筑物和建筑物基础及边坡稳定的影响及评判方法,讨论了几种边坡稳定安全标准评定方法的特点和适用范围,提出了适用于城区复杂环境下边坡稳定的判断方法:边坡岩石质点临界震动速度判别法及其计算方法。

【关键词】爆破震动 评价方法 临界震动速度

【Abstract】In this paper, base on ChongQing hub 《the urban area of rock cuttings and shallow buried tunnel safety controlling blasting technology》research group has got a large number of monitoring data and the field experience, based on the blasting excavation in large-scale urban construction are summarized in the foundation of the buildings and structures in urban areas and the slope stability of the impact and evaluation method of slope stability are discussed several characteristics and applicable scope of safety standards evaluation methods, put forward the suitable for urban complex environment judgment method of slope stability, slope rock particle vibration velocity critical criterion and its calculation method.

【Key words】Blasting vibration Evaluation method The critical vibration velocity

为保证建(构)筑物的安全，需将爆破震动强度控制在一临界值内。若超过此临界值，就引起建(构)筑物的破坏，这个爆破震动强度临界值称为爆破振动判据。由于建筑物的多样性和地震波波形的千变万化，要定出一个统一的判据是不可能的。

在评价爆破震动对建(构)筑物的危害时，不仅应用位移、速度、加速度作为破坏判据，还应考虑爆破震动持续时间对建(构)筑物的累积破坏作用，振动频率与建(构)筑物固有频率之间的关系等。

1 爆破震动评价方法

1.1 速度判别法

点速度可将地震波所携带的能量与所产生的动应力相联系起来，而且质点震速测试较为简便，所以质点震速作为爆破地震效应的衡量指标应用最广泛，生产实践中一定程度上也表明爆破震动速度大小对边坡稳定影响程度是显著的[13]。应用萨道夫斯基公式[14]：

式中：Q为爆破药量，kg，齐发爆破时为总药量，分段爆破时为最大一段药量；R为测点至爆源中心的直线距离，且 R=（h2+l2）0.5，h为测点至爆源垂直距离，m； l为测点至爆源水平距离，m；K是与岩石性质、爆破参数和爆破方法有关的参数； α是爆破震动波随距离的衰减指数。

不同Q、R值条件下，测出对应的V值，如应用萨道夫斯基公式进行线性回归分析，得出某一区域或建筑的震速预测公式。考虑到建筑的高度对爆破影响有放大作用，因此对重庆枢纽区域的建筑以建筑顶部和基础分别预测取较大的震速作为衡量标准来验算安全性。

1.2 加速度判别法

震动破坏常取决于加速度的大小，为了量化地确定爆破对爆区建筑物和建筑基础边坡的影响，可采用美国陆军工程团计算爆破引起的岩石振动加速度的方法[3]，计算公式如下：

式中：a为地面爆破在岩体中引起的加速度，m/s2；Q为炸药量，kg；R为计算点距爆破中心的距离，m； Vp为纵波速度，m/s。

求得震动加速度a后，查表1，便得出对应的地震烈度，据此判别爆破震动对建筑物基础边坡稳定性的影响。有了振动加速度a后，可以以加速度反应时程形式代入式(= -Miai(t))中计算爆破对建筑物基础边坡岩石的附加动力影响，再用极限平衡方程来检验安全性。

1.3 动应力分析法

爆破震动所引起的应力属动应力，在爆破震动作用下，地震波的传播引起岩体内部的质点震动，岩体内的动应力与质点震动速度和岩体的阻抗特性有关，根据动量定律可推导出岩体内动应力的关系式为：

纵波 δ=cp·ρ·vp(3)

横波 τ=cs·ρ·vs(4)

根据重庆枢纽爆破施工区边坡稳定性计算选用岩体强度指标参数： ρ岩体密度=2.14 t/m3，动弹性模量E=0.07～0.09×105kg/ cm2，泊松比 u=0.34。再根据实测的数据，可计算出研究点因爆破震动所产生的动应力的大小。因为岩体的抗拉强度最低，当不考虑边坡岩体原有应力作用时，可直接采用求得的应力与岩体的抗拉强度Rt进行比较，如果 δ≥Rt，则岩石会因爆破震动而破裂；如果 δ≤Rt，则爆破震动不会引起边坡岩石破裂。

1.4 等效静荷载法

等效静荷载法是将爆破震动力折算为等效静荷载，进行拟静力计算。可采用下列静力折算公式[14]：

式中：β0为爆破动力系数，β0=0.1～0.3；K0为地震系数；K0= a/ g，其中 a为质点最大振动加速度(cm/s2)， fv a=2π· ( f 为爆破波的震动频率， v为质点震动速度)；g为重力加速度，980cm/s2； wi为i节点处岩体重量，N。

采用这种方法简化后，再将等效静荷载转化为惯性力施加在边坡上，进行边坡的静力稳定分析，从而研究爆破对边坡稳定性的影响。

表1 爆破震动加速度与地震烈度

1.5 震动频率判别法

由于大地系统的滤高频作用，因此会出现高频频率快速下降部分；由于爆破地震波的低频频率接近岩石介质的固有频率。用二元回归法研究R.L.Yanq，P.Rocque等人的实验结果可得出以下结论[15]：频率f与(R/Q0.33)有较简单指数关系：

式中：R为距离，m；Q为炸药量，Kg

当6式中的频率f为距离R远处的被保护建(构)筑物的固有频率f固时，由6式有：

将7式两边取对数得ln f固=ln5000－0.4R/Qf0.33，可得：

用Qf与由安全震动临界速度计算出的最大单段药量Q比较验算，当两者接近时，需要减小最大单段药量Q，避免使被保护建(构)筑物因与爆破地震波发生共振而破坏。对于岩石，其自振频率为10～15Hz[4]，对于边坡易破坏的薄弱部位距爆源的距离和自振频率代入8式可求出不可取的单发炸药用量范围值，因此对于边坡的开挖爆破就需要避开这一段爆破振动频率。

边坡在施工期间的开挖破坏主要来自于边坡开挖爆破和边坡开挖后围岩的卸载，后者影响程度和范围较小；前者又分为了爆源近区和远区或直接破碎区和爆破震动影响区，对于边坡稳定性主要讨论爆破远区或爆破震动的影响。

在爆区一定范围内，爆破震动达到一定强度时，会引起邻近边坡区不同程度的破坏。其不破坏判据[16]：边坡岩石质点的爆破震动速度≤临界震动速度[V] ，即：

V≤[V] (9)

式中： V为距爆源 R处质点震动速度， cm /s； k为系数，软岩k=250～350； Q为单响最大药量，kg； R为计算点到爆源的距离，m；α为衰减系数，软岩 α=1.8～2.0。

安全判据应考虑大连续爆破开挖和与动态结构反应的有关问题，材料疲劳，人体反应以及用概率来测定某些不确定因素等，因此基于质点速度大小制订的安全标准也需考虑震动频率。

2 边坡岩石质点临界振动速度的理论计算式

通过理论研究和振动监测数据的反演分析，可确定出岩质边坡的爆破振动安全标准。根据影响边坡失稳的影响因素知：要使边坡失稳，外力(爆破)的合力大于或等于边坡岩石失稳的合力F（f,c,ρ）。对于单位岩石来说，爆破动力加速度可由力学知识知：a=ωf·v ，从而可以建立平衡方程 F（f,c,ρ）=ρ·ωf·v，对于这个方程中的f，c， ρ，可以通过地质资料或现场实验获取。 ωf是通过监测数据进行傅立叶频谱分析，选出贡献最大的值(求法见周余奎硕士论文的2.4.3节)。根据理论计算可求得岩石出现破坏时的临界振动速度：

式中：V0为岩石出现破坏时的临界振动速度；f为滑动面的摩擦系数；C为粘结力(Kg/cm2)； ρ为岩石的容重(t/m3)； ωf为通过监测数据进行傅立叶频谱分析出的最大值。

根据重庆枢纽爆破施工区边坡稳定性计算选用岩体强度指标参数：f=10～12，容重 ρ=2.14 t/m3，粘结力C=0.1Kg/cm2，内摩擦角 φ=20°以及爆破振动监测数据的傅立叶频谱分析值，可以求出其岩石出现破坏时的临界振动速度V0。

3 结语

参考文献:

[1]霍永基,王湘钧,等.爆破地震效应及安全评定方法探讨[J].岩土爆破文集第二辑,北京:冶金工业出版社,1985.

[2]马建军,蔡路军等.高陡边坡爆破减震问题的探讨[J].有色金属, 2002.2.

[3](美)杜邦公司著,龙维棋等译.爆破手册[M].北京:治金工业出版社, 1986.

[4]钮强.岩石爆破机理[M].沈阳:东北工学院出版社,1990.8.

[5]黄经钧.工程爆破设计[M].北京:兵器工业出版社,1996.

[6]孙玉科,牟会宠,姚宝魁.边坡岩体稳定性分析[M].北京:科学出版社,1988.

[7]朱明光.露天矿边坡稳定[M].北京:中国劳动出版社,1992.5.

[8]张四维.我国露天矿边坡工程研究成果与进展[J].地质灾害与环境保护,2000(11):98～101.

[9]叶洲元,马建军,等.利用震动监测进行爆破质点震动速度预测优化[J].矿业研究与开发,2003(6).

[10]王德志,等.高速路连接线路堑开挖中爆破震动监测与评价[J].工程爆破,2002.3.

[11]杨子林,等.矿山爆破安全技术[M].郑州:河南科学技术出版社, 1986.

[12]Dowding C H.爆破振动监测与控制[M] 李香灿等译.武汉:冶金部安全环保研究院,1988.

[13]周维垣.高等岩石力学[M].北京:水利电力出版社,1993.

[14]马鞍山研究院等.“八五”国家科技攻关项目—高陡边坡工程及计算机管理技术研究[R]1996.

[15]田振农.山东科技大学硕士学位论文爆破震动分析及爆破地震波的计算机模拟研究[R]2001.6.

[16]马建军.软岩巷道在周边爆破作用下的稳定性分析与控制的研究[D].北京理工大学2004博士论文.

[17]湖北省黄石市铁山大冶铁矿狮子山、尖山矿体生产勘探报告[R].1991.3:P98,表6-9.

[18]朱卫东,王在泉.高边坡工程爆破震动监测与支护顺序［J］．金属矿山,2000,(2):23-25.