季 杉， 謝偉平， 王 禮(武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

爆破工程引起的振動(dòng)主要是包括兩方面的振動(dòng)：炸藥自身爆炸引起的爆破振動(dòng)和爆炸物塌落觸地引起的振動(dòng)。模型試驗(yàn)，特別是1∶1的足尺試驗(yàn)研究是掌握這兩類特點(diǎn)和傳播規(guī)律的有效手段。

目前關(guān)于爆破的試驗(yàn)研究十分豐富，但大部分集中在采礦工程[1]、巖石工程[2]和隧道建設(shè)[3]中，而關(guān)于地表一般建筑物、高架橋梁爆破試驗(yàn)研究方面相對(duì)較少。Pijush等[4]研究了控制爆破技術(shù)在某水電站防護(hù)墻體爆破拆除中的應(yīng)用，并探討了爆破拆除引起的坍塌振動(dòng)對(duì)臨近壩體安全的影響；Cho等[5]進(jìn)行了足尺單柱爆破試驗(yàn)，研究了混凝土材料碎片形式及數(shù)量對(duì)地面振動(dòng)響應(yīng)的影響；Fujikake等[6]研究了預(yù)應(yīng)力混凝土柱子在不同階段的爆炸響應(yīng)及其對(duì)周邊的影響；Uenishi等[7]基于預(yù)應(yīng)力混凝土單柱的爆破試驗(yàn)結(jié)果與有限差分理論，建立了一種適用于混凝土單柱爆破的三維計(jì)算分析方法，結(jié)果表明該方法能較好的模擬爆破全過程。褚懷保等[8]進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，研究了爆炸荷載作用下混凝土試塊帶損傷時(shí)的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律，結(jié)果表明多次爆破時(shí)確定振動(dòng)安全閾值及爆破振動(dòng)波傳播衰減規(guī)律時(shí)應(yīng)充分考慮損傷累積效應(yīng)。廖大學(xué)等[9]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探討了爆破振動(dòng)的主頻率對(duì)振動(dòng)速度的影響規(guī)律，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。但城市高架橋方面的研究相對(duì)較少，在國(guó)內(nèi)城市建設(shè)飛速發(fā)展的推動(dòng)下，早期的高架橋工程不能滿足現(xiàn)代城市發(fā)展的需要，由此針對(duì)高架橋的研究逐漸增多。如謝先啟等[10]針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下城市高架橋爆破拆除工程的特點(diǎn)，提出了精細(xì)爆破關(guān)鍵技術(shù)；賀五一等[11]等基于復(fù)雜環(huán)境下城市高架橋控制爆破拆除技術(shù)，改進(jìn)了爆破方法；劉昌邦[12]則探討了城市高架橋爆破過程中的力學(xué)機(jī)理，并進(jìn)行了單跨模型失穩(wěn)塌落過程試驗(yàn)研究。Zhao等[13]計(jì)算分析了某城市高架橋爆破拆除對(duì)臨近地鐵隧道的影響，結(jié)果表明為保證臨近隧道安全，必須采取措施降低爆破坍塌物引起的地基振動(dòng)。從上述已有研究可以看出，雖然目前針對(duì)坍塌觸地振動(dòng)已有大量研究，既有理論分析也有試驗(yàn)研究，但理論研究方面基于過多的簡(jiǎn)化和假設(shè)，而試驗(yàn)方面多以單柱為主，其坍塌觸地振動(dòng)效應(yīng)的代表性有限?；诖?，本文結(jié)合某城市大型高架橋爆破工程，制作了1∶1足尺單柱模型和單跨橋梁模型，基于試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，先對(duì)比分析爆破振動(dòng)與坍塌觸地振動(dòng)的差異，然后分析了坍塌觸地振動(dòng)的傳播規(guī)律。

1 工程概況

本次爆破拆除高架橋由引道與主橋兩部分組成，總長(zhǎng)度達(dá)3 476.5 m，橫跨5個(gè)十字路口，且位于城市鬧市中心，周邊建筑物密集且地下管線復(fù)雜。因此，對(duì)爆破及塌落觸地引起的振動(dòng)要求嚴(yán)格。

該橋主橋?yàn)橄葟埛ú糠诸A(yù)應(yīng)力混凝土空心板，主橋共22聯(lián)，聯(lián)長(zhǎng)為128～144 m，分8孔一聯(lián)和9孔一聯(lián)兩種，以16 m跨徑為主要跨徑，主體部分橋梁底部距離地面的高度為5.00～5.30 m。全橋不同跨徑預(yù)制板高度均為0.80 m，板寬相同，中板板寬為1.00 m，位于外側(cè)的邊板板寬為2.47 m，位于橋中心線的內(nèi)邊板板寬為2.20 m。下部構(gòu)造為隱蔽式鋼筋混凝土暗帽梁，梁高0.90 m。橋墩為雙柱式鋼筋混凝土墩，全橋橋墩界面尺寸相同：0.55 m×1.00 m。試驗(yàn)場(chǎng)地地面為普通場(chǎng)地，沒有混凝土地面。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原型選擇及試驗(yàn)類型

通過選取有代表性的橋墩，按相同尺寸、配筋在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行澆注，修建2個(gè)獨(dú)立墩柱模型和1個(gè)4墩柱單跨橋體模型。在獨(dú)立的墩柱進(jìn)行試爆試驗(yàn)，在4墩柱單跨橋體模型加載原橋荷載后進(jìn)行塌落觸地振動(dòng)試驗(yàn)和對(duì)地下管線沖擊破壞試驗(yàn)。通過模型試驗(yàn)結(jié)果分析，確定墩柱炸藥單耗、防護(hù)形式以及爆破振動(dòng)、塌落觸地振動(dòng)效應(yīng)，從而建議相應(yīng)的保護(hù)措施，確保工程安全。依據(jù)上述主橋的主要參數(shù)，本次試驗(yàn)選取主要的16 m跨徑為試驗(yàn)對(duì)象，柱子采用C60混凝土澆筑，其尺寸為：1.000 m×0.550 m×5.00 m(長(zhǎng)×寬×高)。圖1為爆破試驗(yàn)場(chǎng)地布置平面圖，圖1右邊的1#、2#獨(dú)立墩柱模型建在土層上(表層并無混凝土)，用于爆破試驗(yàn)；左邊的為4墩柱單跨橋體模型，用于塌落觸地振動(dòng)試驗(yàn)，橋面施加配重鋼結(jié)構(gòu)。先進(jìn)行1#爆破試驗(yàn)，2 d后進(jìn)行2#墩爆破試驗(yàn)，10 d后進(jìn)行單跨橋體試驗(yàn)，其中5#與6#立柱先爆破，經(jīng)0.31 s后，3#與4#立柱進(jìn)行爆破(見圖2、圖3)。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖Fig.1 Schematic map of testing site

(a) 1#墩柱爆破

(b) 2#墩柱爆破圖2 單柱爆破試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置平面圖Fig.2 Layout plan of monitoring points for single column blasting test

圖3 單跨梁體爆破試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置平面圖Fig.3 Layout plan of monitoring points for single span bridge blasting test

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

炮孔采用沿長(zhǎng)邊方向布一排鉆孔，沿中心線布設(shè)，炮孔間距0.3 m，圖4為布孔示意圖。采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)。單孔裝藥形式為：孔底裝炸藥100 g，中間間隔0.3 m，然后再裝炸藥100 g，堵塞0.25 m(見圖5)。所有墩柱均鉆孔爆破，炮孔內(nèi)裝MS16段(1 020 ms)導(dǎo)爆管雷管，橋墩間延時(shí)310 ms(MS9段)。

圖4 布孔示意圖(cm)Fig.4 Schematic diagram of holes (cm)

圖5 裝藥示意圖(cm)Fig.5 Schematic diagram of dynamite in holes (cm)

2.3 監(jiān)測(cè)方案

每次試驗(yàn)布置了4個(gè)速度振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中1#墩柱爆破時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為A,B,C,D點(diǎn)(見圖2(a))；2#墩柱爆破時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為E,F,G,H點(diǎn)(見圖2(b))，各點(diǎn)均設(shè)于橋墩上。單跨梁體塌落觸地振動(dòng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案,如圖3所示。設(shè)置4個(gè)速度振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(I,J,K,L點(diǎn))以及1個(gè)加速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)(AA點(diǎn))。其中：I,J測(cè)點(diǎn)位于房屋柱子基礎(chǔ)上，距離爆區(qū)邊緣75 m和66 m；K,L測(cè)點(diǎn)布置在土表面，距離爆區(qū)邊緣為45 m和38.2 m。加速度測(cè)點(diǎn)(AA點(diǎn))布置在已爆破過的1#墩柱上?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際模型圖,如圖6所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

限于篇幅，同時(shí)考慮到以安全評(píng)價(jià)為主，因此本文僅給出速度監(jiān)測(cè)結(jié)果，并由時(shí)程曲線得到其富氏譜，從而確定其主頻率。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.6 Pictures of testing site

3.1 單柱爆破試驗(yàn)結(jié)果

表1為1#墩柱爆破時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向的速度幅值監(jiān)測(cè)值及對(duì)應(yīng)的主頻率值，圖7為測(cè)點(diǎn)A和D在三個(gè)方向速度響應(yīng)時(shí)程及其頻譜曲線，由圖7及表1可知：①由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)均設(shè)置在相鄰柱子上，爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波通過壓縮空氣以及土層傳遞給相鄰柱子。對(duì)于離爆源距離較近的A監(jiān)測(cè)點(diǎn)，此時(shí)爆炸的能量主要通過壓縮空氣快速傳遞給相鄰柱子，少量則通過土層傳遞給相鄰柱子，因而此時(shí)水平速度大于豎向速度，而對(duì)于距離爆源較遠(yuǎn)的B,C,D點(diǎn)，由于壓縮空氣傳遞的能量急劇衰減而占次要地位，由土層傳遞的振動(dòng)能量則占主要地位，因而B,C,D點(diǎn)的豎向速度大于水平速度；②各點(diǎn)各方向速度處于0.05～1.36 m/s，小于規(guī)范建議的一般建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度限值，且隨著距離的增加衰減十分迅速；③各測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向速度響應(yīng)的主頻率均為17 Hz，遠(yuǎn)離一般建筑物卓越頻率。

表1 1#墩爆破試驗(yàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.1 Monitoring results of blasting test on the 1# column

綜合上述分析，從響應(yīng)的幅值和頻率兩方面來看，由于爆破是個(gè)極短的過程，而且爆破源與對(duì)象之間一般是空曠的空間，因此，爆破振動(dòng)速度在空氣中衰減十分迅速，再考慮到其頻率遠(yuǎn)離對(duì)象的頻率，可見爆破本身引起的振動(dòng)的影響十分有限。

由圖7及表1可知：①隨著測(cè)點(diǎn)距離的增加，各方向速度逐漸衰減；②其中水平切向速度最大，垂直方向速度最?。虎蹚较蛘駝?dòng)主頻率約為15 Hz，而豎向和法向約為10 Hz。

(a) A點(diǎn)徑向

(b) A點(diǎn)豎向

(c) A點(diǎn)切向

(d) D點(diǎn)徑向

(e) D點(diǎn)豎向

(f) D點(diǎn)切向圖7 1#墩爆破A點(diǎn)和D點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程及其頻譜曲線Fig.7 Velocity time history and their Fourier spectrum curves at point A and D for 1# column blasting

表2為1#墩柱爆破時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向的速度幅值監(jiān)測(cè)值及對(duì)應(yīng)的主頻率值，圖8為測(cè)點(diǎn)F和H在三個(gè)方向速度響應(yīng)時(shí)程及其頻譜曲線，由于已受到1#墩柱爆破震動(dòng)的影響，此時(shí)的監(jiān)測(cè)的速度幅值變化規(guī)律性不是很明顯(見圖9)。但總的趨勢(shì)還是一致的：隨著距離的增加，速度響應(yīng)的幅值顯著降低，各點(diǎn)三個(gè)方向速度響應(yīng)主頻率在14 Hz左右附近波動(dòng)。

表2 2#墩爆破試驗(yàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.2 Monitoring results of blasting test on the 2# column

通過觀察高速錄像可以看出，各孔內(nèi)雷管的起爆誤差<20 ms，實(shí)測(cè)波形可以看出在<200 ms為高頻振動(dòng)，判斷該段為爆破振動(dòng)，隨后有持續(xù)的低頻振動(dòng)。

3.2 橋體整體塌落觸地爆破試驗(yàn)

每個(gè)橋墩鉆13個(gè)炮孔，裝藥量2.76 kg，4個(gè)橋墩總計(jì)裝藥量11.04 kg，5#立柱與6#立柱首先爆破，經(jīng)過0.31 s后，3#立柱與4#立柱進(jìn)行爆破。

3.2.1 速度監(jiān)測(cè)結(jié)果

本次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)了4個(gè)測(cè)點(diǎn)的速度響應(yīng)，測(cè)點(diǎn)布置圖,如圖3所示。表3和圖10分別為各測(cè)點(diǎn)速度響應(yīng)幅值及其變化曲線，圖11為測(cè)點(diǎn)I和K速度響應(yīng)的時(shí)程及其頻譜曲線。由圖10、11及表3可知：①測(cè)點(diǎn)I的幅值最小，測(cè)點(diǎn)L的最大，表明隨著距離的增加速度逐漸衰減；②測(cè)點(diǎn)K,L的響應(yīng)大于測(cè)點(diǎn)I,J的，一方面是測(cè)點(diǎn)I,J距離震源外邊緣稍遠(yuǎn)，另一方面最主要的原因在于測(cè)點(diǎn)K,L位于土體表面，其振動(dòng)主要來自于振動(dòng)波在土體中的傳播；③各點(diǎn)各方向速度值在0.1～0.6 m/s，特別是位于既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的測(cè)點(diǎn)I,J，其速度幅值均較小，依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，表明結(jié)構(gòu)安全不受影響；④各點(diǎn)各方向速度振動(dòng)主頻率在4～9 Hz，與一般建筑結(jié)構(gòu)的前幾階頻率較為接近，因而有引起結(jié)構(gòu)共振的可能。

(a) F點(diǎn)徑向

(b) F點(diǎn)豎向

(c) F點(diǎn)切向

(d) H點(diǎn)徑向

(e) H點(diǎn)豎向

(f) H點(diǎn)切向

圖8 2#墩爆破F點(diǎn)和H點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程及其頻譜曲線

Fig.8 Velocity time history and their Fourier spectrum curves at pointFandHfor 2# column blasting

(a) 1#墩柱爆破

(b) 2#墩柱爆破圖9 1#和2#墩柱爆破時(shí)各測(cè)點(diǎn)速度幅值變化曲線

Fig.9 Changing curves of velocity amplitudes at each point in three directions

3.2.2 加速度監(jiān)測(cè)結(jié)果

本次試驗(yàn)僅監(jiān)測(cè)了一個(gè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)，測(cè)點(diǎn)AA位于前期已爆破掉的1#墩柱殘余混凝土上，如圖3所示。表4給出了2#墩柱爆破與單跨梁體塌落觸地引起得測(cè)點(diǎn)AA的加速度幅值。由表4可知：①?gòu)姆祦砜?，盡管單跨梁體塌落觸地振動(dòng)試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)距離震源外邊緣的距離遠(yuǎn)大于2#墩柱爆破試驗(yàn)時(shí)測(cè)點(diǎn)的距離，但觸地振動(dòng)引起的加速度幅值更大，約為爆破振動(dòng)引起加速度的6倍；②從主頻率來看，由爆破振動(dòng)引起的加速度頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于觸地振動(dòng)引起的頻率。

表3 單跨梁體塌落觸地振動(dòng)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Monitoring results of blasting test on the singlespan bridge

圖10 單跨梁體塌落觸地振動(dòng)速度幅值變化曲線Fig.10 Changing curves of velocity amplitudes at each monitoring point

(a) I點(diǎn)徑向

(b) I點(diǎn)豎向

(c) I點(diǎn)切向

(d) K點(diǎn)徑向

(e) K點(diǎn)豎向

(f) K點(diǎn)切向圖11 測(cè)點(diǎn)I與K三個(gè)方向速度時(shí)程及其頻譜曲線Fig.11 Velocity time history and their Fourier spectrum curves at point I and K along three directions

表4兩類試驗(yàn)振動(dòng)加速度幅值監(jiān)測(cè)結(jié)果

Tab.4Monitoringresultsofvibrationaccelerationforthetwokindsofblastingtests

測(cè)點(diǎn)震源水平切向振動(dòng)豎直向振動(dòng)水平切向振動(dòng)峰值/(m·s-2)頻率/Hz峰值/(m·s-2)頻率/Hz峰值/(m·s-2)頻率/HzAA2#墩柱爆破0．20>300．000．26200．000．21125．00塌落觸地1．2716．601．259．801．3910．70

3.3 試驗(yàn)對(duì)比分析

單柱爆破試驗(yàn)用于探討爆破振動(dòng)的特點(diǎn)及其傳播規(guī)律，單跨梁體的塌落觸地試驗(yàn)用于研究塌落觸地振動(dòng)的特點(diǎn)及其傳播規(guī)律，基于上述試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析，可有如下結(jié)論：①振動(dòng)響應(yīng)隨著距離的增加而顯著衰減；②不同位置處的振動(dòng)影響程度取決于爆破距離；③就速度幅值而言：?jiǎn)沃圃囼?yàn)的測(cè)點(diǎn)距爆破橋墩5～21 m處，速度在0.05～1.3 m/s；橋體整體塌落觸地試驗(yàn)的速度測(cè)點(diǎn)距爆破橋墩45～75 m，速度在0.1～0.6 m/s，由此可見觸地振動(dòng)引起的速度響應(yīng)更劇烈，同時(shí)爆破振動(dòng)引起的速度衰減更快；④就加速度幅值而言：盡管測(cè)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，但塌落觸地振動(dòng)引起的加速度比爆破振動(dòng)引起的加速度大6倍，觸地振動(dòng)引起的加速度響應(yīng)更劇烈；⑤就主頻率而言，觸地振動(dòng)引起的速度響應(yīng)的主頻率約為10 Hz，屬于低頻振動(dòng)；爆破振動(dòng)引起的速度響應(yīng)的主頻率>125 Hz，屬于高頻振動(dòng)，而高頻振動(dòng)很容易在傳播過程中衰減掉，可見觸地振動(dòng)引起的頻率更小且頻率接近一般結(jié)構(gòu)基頻或前幾階頻率。因此，在爆破工程中塌落觸地振動(dòng)比爆破自身引起的振動(dòng)影響更大，在實(shí)際的爆破工程中可以只考慮塌落觸地振動(dòng)的影響。

4 結(jié) 論

本文基于某實(shí)際高架橋梁的爆破工程，制作了2個(gè)足尺單柱模型以及一個(gè)單跨梁體模型，通過足尺模型試驗(yàn)，獲取了墩柱爆破以及單跨梁體塌落觸地引起的振動(dòng)特點(diǎn)及其傳播規(guī)律。數(shù)據(jù)分析表明：

(1)塌落觸地振動(dòng)引起的速度和加速度響應(yīng)更顯著，且其頻率成分更接近于一般結(jié)構(gòu)的基頻或前幾階頻率，因而實(shí)際爆破工程中應(yīng)更關(guān)注于塌落觸地振動(dòng)的影響。

(2)在傳播規(guī)律方面，爆破和塌落觸地引起的振動(dòng)均隨距離的增加而顯著衰減，但在評(píng)價(jià)振動(dòng)響應(yīng)時(shí)，應(yīng)依據(jù)震源與被評(píng)價(jià)對(duì)象的距離確定以豎向振動(dòng)還是水平振動(dòng)為主或取二者的綜合。

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