基于薩式公式的凍結(jié)法爆破振速和安全藥量控制研究

李曉飛，李鵬宇，馮志敏

(1.新疆阿克蘇地區(qū)阿克蘇市公安局治安大隊(duì)，新疆 阿克蘇 843000；2.新疆阿克蘇地區(qū)公安局治安支隊(duì)，新疆 阿克蘇 843000)

隧道掘進(jìn)施工中，鉆爆法以施工速度快、成本低、施工效率高等優(yōu)勢(shì)受到廣泛應(yīng)用[1]。炸藥起爆后，爆破能量會(huì)引起周邊介質(zhì)及建(構(gòu))筑物的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，會(huì)直接造成建(構(gòu))筑物的損傷和破壞[2]。爆破振動(dòng)的影響一直是科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[3-8]，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。熊代余等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)地震波具有持時(shí)短的特點(diǎn)，遠(yuǎn)離爆源監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表建(構(gòu))筑物的爆破振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯的降低現(xiàn)象。D.P.BLia等[11]研究了垂直柱狀藥包在彈塑性條件下的爆破地震波傳播，發(fā)現(xiàn)在靠近爆源的區(qū)域，地表振動(dòng)強(qiáng)度表現(xiàn)為先增大至臨界值而后減小的現(xiàn)象。C.M.Sagers[12]研究發(fā)現(xiàn)地震波在層狀巖體的傳播不僅與巖體的滲透性有關(guān)，而且還與巖體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)有關(guān)。張自光等[13-14]研究了爆破振動(dòng)對(duì)隧道周邊動(dòng)力響應(yīng)的影響，認(rèn)為巖體結(jié)構(gòu)與地震波的衰減存在一定的相關(guān)性，測(cè)點(diǎn)振速與最大單段藥量成正相關(guān)性。鄭強(qiáng)等[15-16]研究發(fā)現(xiàn)，爆破振動(dòng)不僅與裝藥量和爆心距有關(guān)，而且與振動(dòng)主頻密切相關(guān)。

通過(guò)以上研究不難發(fā)現(xiàn)，在地下工程爆破掘進(jìn)過(guò)程中，爆破振動(dòng)在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減現(xiàn)象，而且還會(huì)對(duì)周邊建(構(gòu))筑物產(chǎn)生一定的振動(dòng)影響。一般來(lái)說(shuō)，減少裝藥量可以有效降低爆破振動(dòng)，但減少裝藥量又影響施工效率且導(dǎo)致施工成本的增加，如何平衡施工效率和爆破振動(dòng)效應(yīng)成為工程必須解決的問(wèn)題?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)對(duì)某斜井隧道項(xiàng)目的鉆爆振動(dòng)測(cè)試，研究爆破地震波的傳播規(guī)律，同時(shí)對(duì)藥量進(jìn)行安全控制。

1 薩式公式待定參數(shù)確定

在工程爆破中，薩式公式經(jīng)常應(yīng)用于對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，是廣泛應(yīng)用的爆破振動(dòng)經(jīng)驗(yàn)公式之一，薩式公式表征了爆破振動(dòng)速度v與爆心距R和最大單段藥量Q的關(guān)系[17]：

(1)

式中：v為爆破振動(dòng)速度，cm/s；Q為單段最大裝藥量， kg；R為爆心距，m；K、α為與地質(zhì)、地貌有關(guān)的系數(shù)。

將式(1)變?yōu)榫€性形式y(tǒng)=axb并取對(duì)數(shù)得：

(2)

將其變?yōu)橐辉€性形式：

Y=bX+a

(3)

式中：

在具體的爆破工程中，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)可以獲得大量的爆破振動(dòng)速度v、單段最大裝藥量Q和爆心距R的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，使用回歸分析的方法確定地質(zhì)地貌參數(shù)K和α。

2 安全藥量控制

由式(1)可知，爆破振動(dòng)速度v與單段最大裝藥量Q和爆心距R密切相關(guān)，對(duì)于具體的爆破工程，爆心距R為固定值，可以通過(guò)控制單段最大裝藥量Q來(lái)控制爆破振動(dòng)速度v。所以可將式(1)變?yōu)樗幜啃问剑?/p>

(4)

式中：v為爆破振動(dòng)速度，可由爆破安全規(guī)程確定；Qi為x、y和z方向的安全控制藥量。

對(duì)具體的爆破工程進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試時(shí)，可以分別得到x、y和z方向的爆破振動(dòng)速度v、單段最大裝藥量Q和爆心距R的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行回歸后，可以使用式(5)分別得到x、y和z方向的安全控制藥量。為了最大程度的對(duì)建(構(gòu))筑物進(jìn)行保護(hù)，取三分量藥量最小值進(jìn)行控制是合理和可靠的。

安全藥量控制為

Q安全=min(Q切向，Q徑向，Q垂向)

(5)

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某礦主斜井采用凍結(jié)法爆破施工，斜井傾角為16°，總長(zhǎng)度為1 770.8 m，掘進(jìn)斷面面積35.8 m2。主斜井井筒開(kāi)挖區(qū)域上方距地表凍結(jié)管主干管10 m左右，井筒穿越正上方的凍結(jié)管需要保護(hù)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)工程概況如圖1所示，凍結(jié)管如圖2所示。

圖1 工程概況

圖2 凍結(jié)管

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以爆源為起始點(diǎn)，沿未開(kāi)挖區(qū)方向在隧道正上方采用不同間距布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置采用對(duì)數(shù)等間距原則，盡可能地減小數(shù)據(jù)處理帶來(lái)的誤差。在實(shí)際布置測(cè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)前方時(shí)常遇路邊停車(chē)的影響或者部分居民建筑物的遮擋。應(yīng)視實(shí)際情況對(duì)測(cè)點(diǎn)位置作出相應(yīng)調(diào)整。但整體偏差應(yīng)控制在0～5 m以?xún)?nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

在隧道上方沿隧道開(kāi)挖方向進(jìn)行了5次測(cè)試，共得到20組有效數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)，統(tǒng)計(jì)單段最大裝藥量Q和爆心距R及x、y和z方向的爆破振動(dòng)速度。

表1 爆破振動(dòng)參數(shù)

續(xù)表1

3.2 爆破振動(dòng)速度規(guī)律

對(duì)表1中測(cè)試的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以分別得到x、y和z方向的爆破振動(dòng)速度與比例距離的關(guān)系，水平切向爆破振動(dòng)速度與比例距離如圖4所示。

圖4 水平切向爆破振動(dòng)速度

由圖4可知，本場(chǎng)地的水平切向爆破振動(dòng)速度可以表示為

(6)

水平徑向爆破振動(dòng)速度與比例距離如圖5所示。

圖5 水平徑向爆破振動(dòng)速度

由圖5可知，本場(chǎng)地的水平徑向爆破振動(dòng)速度可以表示為

7)

垂直方向爆破振動(dòng)速度與比例距離如圖6所示。

圖6 垂直方向爆破振動(dòng)速度

由圖6可知，本場(chǎng)地的垂直方向爆破振動(dòng)速度可以表示為

(8)

3.3 安全藥量控制

將薩式爆破振動(dòng)速度變?yōu)樗幜啃问剑梢苑謩e得到x、y和z方向的安全控制藥量計(jì)算公式。

水平切向爆破安全控制藥量為

水平徑向爆破安全控制藥量為

垂直方向爆破安全控制藥量為

本工程中，開(kāi)挖面掘進(jìn)至凍結(jié)管正下方時(shí)，需要采取措施嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)對(duì)凍結(jié)管的影響。查閱《爆破安全規(guī)程》[7]可知，凍結(jié)管的爆破振動(dòng)速度閾值為10 cm/s。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在凍結(jié)管下方進(jìn)行爆破施工時(shí)，水平切向的安全控制藥量為29.49 kg, 水平徑向的安全控制藥量為27.79 kg, 垂直方向的安全控制藥量為20.73 kg。為了最大程度的對(duì)凍結(jié)管進(jìn)行保護(hù)，由式(6)可知，在凍結(jié)管正下方進(jìn)行鉆爆法施工時(shí)，安全控制藥量不能超過(guò)20.73 kg。

4 結(jié)論

1)薩式公式中，K和α的回歸精度決定爆破振動(dòng)速度的預(yù)測(cè)精度，在冷卻管正下方進(jìn)行爆破掘進(jìn)施工時(shí)，垂直方向爆破振動(dòng)速度最大，水平徑向爆破振動(dòng)速度次之，水平切向爆破振動(dòng)速度最小。

2)在冷卻管正下方進(jìn)行爆破掘進(jìn)時(shí)，以《爆破安全規(guī)程》中的冷卻管振速閾值為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算的水平切向安全控制藥量最大，水平徑向安全控制藥量次之，垂直方向安全控制藥量最小。為了最大程度的對(duì)凍結(jié)管進(jìn)行保護(hù)，在凍結(jié)管正下方進(jìn)行鉆爆法施工時(shí)，安全控制藥量不能超過(guò)20.73 kg。

3)基于薩式公式的爆破振動(dòng)速度計(jì)算和安全藥量控制可以在保證爆破效率的前提下，同時(shí)保證了建構(gòu)筑物的安全，可以為類(lèi)似的隧道爆破掘進(jìn)施工提供參考。