基于振速-频率双因素下近接桥梁爆破震动安全性研究

基于振速-频率双因素下近接桥梁爆破震动安全性研究

杜津塘

重庆市云阳县公路局重庆404500

摘要：工程爆破难免产生爆破震动、爆破飞石等危害，为确保开挖爆破施工的绝对安全，开挖爆破时必须对近接建筑振动进行监测。在某路基开挖爆破施工中，某大桥距离爆区最近仅23m，在施工过程中必须确保该大桥的绝对安全。本文对近接桥梁爆破震动进行了测试与安全性评价分析，及时指导爆破设计参数的改进和优化，为工程后续爆破施工提供技术支持。同时利用频率—振速相关联的双因素安全判据，分析评价桥梁的结构安全，对开挖施工中爆破振动是否对大桥产生危害进行评估，确保路基爆破施工时桥梁结构的安全。

关键词：近接爆破；频率—振速；爆破震动响应

0前言

爆破施工时不可避免的会产生一些负面效应，如爆破振动、飞石、冲击波、噪声等，其中爆破振动被认为是爆破施工中最严重的负面效应。为避免因爆破振动过大引起的滑坡、洞室坍塌、建筑物开裂等，必须对爆破振动的影响规律进行研究，控制爆破规模，采取必要手段降低爆破造成的不良影响。

炸药在岩（土）体中爆炸时，一部分能量对炸药周围的介质引起扰动，并以波动形式向外传播[1，2]。通常认为：在爆炸近区（药包半径的10－15倍），传播的是冲击波；在中区（药包半径的15－150倍）爆炸冲击波转化为应力波；当应力波继续向外传播时，波的强度进一步衰减，其作用只能引起质点做弹性震动，而不会引起岩石破坏，即为爆破地震波。爆破地震效应是一个复杂的问题，它受多种因素的影响，如爆源的位置，装药量，爆破方式，传播介质和局部场地条件等，同时还与地基特性和约束条件以及施工质量等因素有关[3]。在生产中，台阶爆破多数是多排毫秒微差爆破。因各个波的传播途径和延迟时间的不同而导致波群的相互干扰和重叠，造成了爆破地震波形的复杂性。

爆破震动表示质点振动的参量有位移、速度、加速度和频率。目前国内外关于隧道爆破振动评价主要考虑振速和振动主频率两个参数，研究手段主要有经验公式法、神经网络预测法、理论推导法和数值模拟法等。我国《爆破安全规程》（GB6722—2014）[4]对安全振动速度作出明确规定而且又按频率分段进行了修定，因此，我们选定振速-频率双因素[5]相关联的安全判据对开挖爆破对大桥的影响进行安全评估。

本文对近接桥梁爆破震动进行测试，及时掌握爆破对大桥西桥台及主墩基础处、桥面质点振动速度，为爆破施工提供依据。同时，参考爆区的推进情况，及时指导爆破设计参数的改进和优化，为工程后续爆破施工提供技术支持。利用频率—振速相关联的双因素安全判据，分析评价桥梁的结构安全，对开挖施工中爆破振动是否对大桥产生危害进行评估，确保路基爆破施工时桥梁结构的稳定。

1工程概况

某快速路土建段开挖时，临近某大桥西桥头北偏西侧山脊，需要进行爆破开挖。大桥距离爆区最近仅23m（爆区环境见图1），在施工过程中须确保该大桥结构安全。

图1爆区环境平面示意图

桥位地质属承载力较强的区域，其表面覆盖层极薄或缺失，沟底往往基岩外露，形成了良好的地质状态。大桥采用推力结构，主孔为160m的钢筋混凝土箱形拱桥，主体为钢骨架外包混凝土结构，桥长256.5m，宽12m，高41.5m。

开挖爆破采用自上而下分层分区，毫秒微差爆破与光面爆破相结合，自西北向东南推进的单孔单响的中深孔梯段弱松动控制爆破方法施工，共进行4次爆破，其中上层、中层各进行1次爆破，下层进行了2次爆破（其分层爆破断面见图2），对大桥爆破震动响应进行监测。

图2分层爆破示意图

爆破时为防止滚石滑落对大桥造成损坏，施工方按设计在香溪河大桥西头北侧靠爆区方向采取滚石下冲消能的多道钢管铁板构成防护网和挡石墙。防护网前用铁板挡石，防护网钢管锚固在基岩上，并在后面加支撑钢管；挡石墙用土袋垒砌，底部宽5m、上部宽4m、高度超过大桥护栏（大桥桥面高程为190，护栏高1.5m）。

选用孔径90mm的潜孔钻钻孔，设置自由面（最小抵抗线方向）斜向东北方向，采用梅花形的小抵抗线布孔方式及毫秒微差起爆网路，主爆孔孔距3-3.5m，排距3m；光爆孔孔距1.5m，光爆孔采用不耦合间隔装药，为保证光爆效果和避免孔口飞石，光爆孔堵塞长度取1.5～2.m，每两孔导爆索连接起爆，毫秒非电雷管分段传爆，电力起爆。

2振动控制限值确定

桥墩基础是桥梁整体抗震性能的最薄弱环节，所以采用桥墩基础处的振动数据对大桥的安全性进行评估。本桥梁固有频率约为2Hz，设计的抵御地震烈度为Ⅵ。参考相关资料及类似工程，抗震烈度值与建筑物基础地面质点允许振动速度值的关系列于表1[6]。

表1建筑物抗震烈度与地面质点振动速度关系

因此，大桥相对应的桥基地面质点安全振动速度为3～5cm/s。为确保大桥的绝对安全，取大桥安全振速为3.0cm/s，固有频率为2Hz。

3测试方案

3.1测点布置

在地震引起的破坏中，桥梁支座的震害极为普遍，它被认为是桥梁整体抗震性能的薄弱环节[7]。破坏形式主要为支座锚固螺栓拔出剪断、钢筋混凝土墩柱的屈曲，混凝土的剥落、压溃、剪断，钢筋裸露断裂等震害。本次振动监测测点选择在靠近爆区桥墩基座最不利的节段，考虑到震动传播过程中高程放大效应对桥体的影响，其他测点置于立柱根部和与之相对应的桥面位置沿西东走向布置，测点布置如图3。

图3监测测点布置示意图

3.2传感器的安装

传感器是反映被测信号的关键部位，为了能正确反映所测信号，除了传感器本身的性能指标满足一定的要求外，传感器的安装、定位也是极其重要的。为了能可靠地得到爆破震动或结构动力响应的记录，传感器必须与测点的表面牢固地结合在一起，否则在爆破震动时往往会导致传感器松动、滑动，使信号失真。

布点前先清扫基岩上的浮灰，然后用速凝剂将传感器粘固在墩基沉台表面或水泥桥面上，并确定各测点位置，测量出各测点的坐标（每次爆破中各测点的爆心距、高程或高差）。

3.3测试仪器

本次测试仪器采用TC-4850爆破振动仪及配套的速度传感器，可实现多通道数据采集、存储和分析，如图4所示。

图4TC-4850爆破振动仪器

4测试结果及分析

对大桥总计进行了4次监测爆破，采集24个测点振动数据。根据监测的数据以及参考之前周围类似开挖爆破对大桥的震动响应监测项目中的数据可以回归出地震波的传播规律：

因此，上述规律可推算出桥墩基础处质点振动速度。通过实测与回归得到桥墩基础处质点最大振动峰值不超过0.825cm/s，桥台质点最大振动峰值不超过1.74cm/s。

d第四次爆破桥台处典型波形图

图5爆破振动波形图

振动波形图可以反映出振动的峰值、持续时间以及振动的频率，爆破振动波形图还可以反映出爆破分段情况，也能反映整个爆破的持续历程。从图5爆破振动实测典型波形图看，爆破引起大桥振动的主频率范围为12Hz～31Hz；爆破引起大桥的振动的持续时间为0.47s～3.05s；各段波峰基本按设计的微差间隔时间分隔开，没有出现明显的振动峰值叠加现象，其爆破分段基本合理。

5结论

综上所述，对4次爆破数据采集，经过实测与回归得到桥墩基础处质点的最大振动峰值为0.825cm/s，桥台质点最大振动峰值为1.74cm/s，均小于该大桥设计抗震烈度值所对应的基础地面质点允许振速3cm/s；爆破引起大桥振动主频率范围为12Hz～31Hz，远大于该大桥自震频率2Hz，因此爆破震动不会使大桥产生共振；爆破引起大桥的振动持续时间为0.47s～3.05s，远短于自然地震作用时间。因此，基开挖爆破振动不会影响大桥结构安全。

参考文献：

[1]金辉，李兵，权琳等.不同边界条件下炸药水中爆炸的能量输出结构[J].爆炸与冲击，2013，33（3）：325-329．

[2武旭，张云鹏，郭奇峰.台阶地形爆破振动放大与衰减效应研究[J]，爆炸与冲击，2017，37（6）：1017-1022．

[3]王向阳，冯英骥.爆炸冲击作用下连续梁桥动力响应和影响因素研究[J].爆破，2017，34（3）：104-113．

[4]中华人民共和国国家标准，GB6722—2014，爆破安全规程．

[5]唐飞勇，胡锐，赵明生等.双因素安全判据在地震监测中的应用[Ｊ]，爆破，2008（2）：89-91．

[6]陈义东.地铁隧道电子雷管爆破减震技术及爆破参数优化[J].科学技术与工程，2017，17（27）：298-302．

[7]曹跃，赵明生，唐飞勇等.近区爆破对大桥影响的监测分析[Ｊ]，爆破，2008（2）：82-84．