(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001)

1 工程概况

南水北调中线陶岔渠首枢纽工程位于河南省淅川县九重镇陶岔村，既是南水北调中线输水总干渠的引水渠首“水龙头”，也是丹江口水库副坝，轴线长265m，主要包括上游引渠、左右岸重力坝、闸室、电站厂房等，施工石方开挖总量约为310000m3。

由于枢纽作业区毗邻村庄和当地交通重要道路，下游距离交通桥100m左右，人员、车辆密集，运输危险性大，下游距离老闸坝80多m，在施工中必须对初始的爆破参数进行试验调整，通过监测仪器收集试验数据并对数据进行分析，确定最佳的爆破参数，既要确保施工区域内已有构筑物的安全运行，又要保证周边村民的安全出行。

2 试验及监测准备

现场对覆盖层及土方剥离后，随即按照爆破试验方案展开现场生产性试验，根据开挖揭露的岩石情况，自土石分界线向下，上部分布有大量泥层将石灰岩分隔，岩石的褶皱、断裂较为发育。开挖施工难度较大。

爆破试验及震动监测工作在监测仪器设备和人员就位后，按照计划，试验重点研究6m以上大梯段及6m以下小梯段的石方爆破参数及保护层开挖爆破参数、预裂爆破参数，通过试验确定合理的爆破参数指导施工。

由于上部岩石中分布泥层较多且未开挖至建基面上部，保护层开挖试验无法开展，本阶段试验工作主要结合岩石上层爆破开挖进行，通过若干场次的生产性试验，对爆破工艺及参数进行调整与优化，确定经济、合理的钻爆参数；同时进行相应的爆破震动观测与分析，研究当前地质及爆破条件下的爆破震动特性及震动传播规律。

3 爆破开挖试验实施

爆破试验主要在10号和5号坝段进行，先后共进行了4次，其中10号坝段进行了3次，5号坝段进行了1次，实施情况如下：

第一次在右岸10号坝段爆破场地，一共布置了43个炮孔，孔距4m，排距2.5m。孔径115mm，孔深8.5～10m。孔外分段延时，微差100ms。单段最大起爆药量130kg，总设计起爆方量3360m3，总设计起爆药量1344kg，炸药单耗0.35～0.4kg/m3。从爆破效果来看，岩石爆破后上抛幅度微小，飞石控制较好，但由于上部岩石泥层分布较多，爆破后岩石块径过大，对开挖运输造成了很大困难，必须进行大面积的二次解孤石施工，费时费工。

第二次一共布置了44个炮孔，孔距4m，排距2.5m。孔径115mm，孔深平均10m。孔外分段延时，微差100ms。单段最大起爆药量200kg，总设计起爆方量5500m3，总设计起爆药量1500kg，炸药单耗0.4kg/m3。从现场爆破效果看，岩石中泥层分布较多，爆破效果仍然不理想，爆破后岩石块径过大，开挖运输难度较大。

第三次布置22个炮孔，孔距3m，排距2m。孔径115mm，孔深约8m。孔外分段延时，微差100ms。单段最大起爆药量60kg，总设计起爆方量900m3，总设计起爆药量396kg，炸药单耗0.44kg/m3。从现场爆破效果看，通过减小炮孔的堵塞长度，提高炸药单耗，爆破后岩石块径相对减小，较为适宜在此种地质条件的爆破施工。

第四次在左岸5号坝段布置28个炮孔，孔距3.5m，排距2.5m。孔径115mm，孔深约8m。孔外分段延时，微差100ms。单段最大起爆药量100kg，总设计起爆方量1960m3，总设计起爆药量840kg，炸药单耗0.43kg/m3。根据现场爆破效果及地质条件分析，爆破效果较好，岩石块径均匀，利于开挖运输。左岸地质条件相对较好，岩石裂隙较发育，泥层分布相对右岸较少，且随着开挖高程的降低，越发明显。在此种地质条件下，上述爆破参数在石方开挖中较为合理。

4 爆破震动监测准备

爆破震动监测采用的是TOPBOX508S振动信号自记仪，它是针对现场爆破、振动、冲击测试而专门优化设计的用于信号记录和分析的小型仪器。现场每个测点布置一台自记仪。自记仪的工作原理如图1所示。

图1 TOPBOX508S振动信号自记仪工作原理

每个测点布置两个测向，即水平方向和垂直方向。传感器采用快干石膏固定在基础上。

为了确定在爆破时爆破震动衰减规律及其对于闸门和桥梁所产生的安全影响，一共布置了7个测点，布置于同一直线上，测点布置见图2。1、2、3、4、5号在爆区与桥之间，1号距爆区30m，2号距爆区38.7m，3号距爆区54.2m，4号距爆区68.5m，5号距爆区91.5m，即在桥墩处。1～5号测点处于同一高程150m。6号测点位于5号上方的桥面，距爆区水平距离91.5m，高程161m。7号测点位于闸门上方，距爆区水平距离78m，高程162m。

图2 测点布置

5 振动信号的小波包分析

5.1 试验数据采集

数据采集采用的是2500Hz的采样频率，其奈奎斯特(Nyquist)频率为1250Hz，因此可将交通桥上6号测点采集到的信号用db6小波包分析分解至第8层，从0到1250Hz，得到28个频段。对应的最低频带为0～4.883Hz。

5.2 各频带的能量表征

将被分析信号分解到第8层，设S8,j对应的能量为E8,j，则有下式：

(1)

j=0,1,2…,28-1

式中m——信号的离散采样点数；

xj，k——重构信号S8，j的离散点幅值。

设被分析信号的总能量为

(2)

则各频带的能量占被分析信号总能量的比例为

Ej=E8,j×100%/E0

j=0,1,…，28-1

(3)

通过式(1)～式(3)得到信号经过小波包分解后不同频带的能量。

5.3 各频带的能量分布规律

图3中的上图表示的是垂直方向重构后的振动信号，下图表示的是在垂直方向不同频段上的能量分布。图4中的上图表示的是水平方向重构后的振动信号，下图表示的是水平方向不同频段上的能量分布。

图3 垂直方向小波包分析结果

图4 水平方向小波包分析结果

信号经小波包分解后，不同频带的相对能量分布如表1和表2所列。

从表1、表2可以看出，爆破在交通桥上产生的振动能量主要集中于10～50Hz频率段。

表1 垂直方向小波包分解后不同频带的相对能量分布

表2 水平方向小波包分解后不同频段的相对能量分布

6 爆破振动控制标准及安全距离

6.1 建筑物抗爆破振动的安全标准

施工开挖爆破诱发的地震波通过地层传播到各种建(构)筑物及设施，当振动强度超过某个指标时，将造成不利影响。因此，为了对爆破振动的安全影响进行客观评定，必须依据国家或行业标准或通过科学试验制定合理的爆破振动安全允许标准，才可能确定合理的爆破方式与钻爆参数，有效划分振动安全范围，使工程施工得以顺利进行。根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)，以质点峰值振动速度为判据，列出了相应的安全允许标准(见表3)。表中上标a～d含义如下：

a-选取建筑物安全允许振速时，应综合考虑建筑物的重要性、建筑质量、新旧程度、自振频率、地基条件等因素。

b-省级以上(含省级)重点保护古建筑与古迹的安全允许振速，应经专家论证选取，并报相应文物管理部门批准。

c-选取隧道、巷道安全允许振速时，应综合考虑构筑物的重要性、围岩状况、断面大小、深埋大小、爆源方向、地震振动频率等因素。

d-非挡水新浇大体积混凝土的安全允许振速，可按本表给出的上限值选取。

根据小波包分析的结果，爆破振动的能量主要分布在10～50Hz频段。闸门和桥梁都为钢筋混凝土结构，根据《爆破安全规程》规定的爆破振动安全允许标准，参照大体积混凝土、钢筋混凝土结构房屋的要求，将老闸和桥梁的安全标准分别定为：爆破振动频率为10～50Hz时，安全允许振速为7cm/s 、3.5cm/s。

表3 《爆破安全规程》规定的爆破振动安全允许标准

注1.表列频率为主频率，系指最大振幅所对应波的频率。

2.频率范围可根据类似工程或现场实测波形选取。选取频率时亦可参考下列数据：硐室爆破小于20Hz，深孔爆破10～60Hz；浅孔爆破40～100Hz。

6.2 爆破振动速度预报及安全距离

6.2.1 预报公式

按照《爆破安全规程》(GB 6722—2014)的推荐，爆破振动一般采用萨道夫斯基提出的下列公式来预测和估计爆破振动的强度：

(4)

由式(1)导出的安全允许距离为

R=(K/v)1/αQ1/3

(5)

式中R——爆破振动安全允许距离，m；

Q——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，kg；

v——保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm/s；

K、α——与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，通过现场试验确定。

6.2.2 爆破振动衰减规律

6.2.2.1 垂直方向的爆破振动衰减规律

根据现场实测垂直方向资料所得到各测点的波形参数(见表4)，7号测点振动值未达检测设备的触发底限值，根据设备的设置，可知振动峰值小于0.474cm/s。结合爆破设计参数及各测点的爆源距，即可拟合出从爆区到桥的爆破质点垂直方向振动速度的预报公式。

表4 各测点垂直方向的波形参数

各测点垂直方向实测爆破振动波形图见图5～图10。

图5 1号测点垂直方向爆破振动波形图

图6 2号测点垂直方向爆破振动波形图

图7 3号测点垂直方向爆破振动波形图

图8 4号测点垂直方向爆破振动波形图

图9 5号测点垂直方向爆破振动波形图

图10 6号测点垂直方向爆破振动波形图

由1～5号实测数据，可以得出从爆区到桥墩处水平方向的爆破振动衰减规律：

R2=0.774

(6)

根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中钢筋混凝土结构在10～50Hz下的安全允许振速3.5cm/s，可以导出该爆区垂直方向不同装药量时的安全允许距离公式：

R=(78/v)1/1.57Q1/3

(7)

将安全允许振速3.5cm/s代入，得

R=7.22Q1/3

(8)

将老闸部位的安全允许振速7cm/s代入，得

R=4.64Q1/3

6.2.2.2 水平方向的爆破振动衰减规律

与垂直方向一样，根据现场实测水平方向资料所得到各测点的波形参数(见表5)，7号测点振动值未达检测设备的触发底限值，根据设备的设置，可知振动峰值小于0.474cm/s。结合爆破设计参数及各测点的爆源距，拟合出爆区到桥的爆破质点水平方向振动速度的预报公式。

表5 各测点水平方向的波形参数

各测点水平方向实测爆破振动波形图见图11～图16。

图11 1号测点水平方向爆破振动波形图

图12 2号测点水平方向爆破振动波形图

图13 3号测点水平方向爆破振动波形图

图14 4号测点水平方向爆破振动波形图

图15 5号测点水平方向爆破振动波形图

图16 6 号测点水平方向爆破振动波形图

由1～5号实测数据，可以得出从爆区到桥墩处水平方向的爆破振动衰减规律：

(9)

根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中钢筋混凝土结构在10～50Hz下的安全允许振速3.5cm/s，可以导出该爆区垂直方向不同装药量时的安全允许距离公式:

R=(100/v)1/1.69Q1/3

(10)

将安全允许振速3.5cm/s代入，得

R=7.27Q1/3

(11)

将老闸部位的安全允许振速7cm/s代入，得

R=4.82Q1/3

6.2.2.3 爆破安全距离

按前面规定的爆破振动控制标准(爆破振动频率为10～50Hz时，安全允许振速为3.5cm/s、7cm/s)，计算得到的范围称之为爆破振动临界安全距离，在此范围内的建筑物认为是不安全的。计算结果见表6～表7。

表6 老桥不同装药量情况下的安全距离

表7 老闸不同装药量情况下的安全距离

此次爆破最大单段装药量为130kg，控制方向为垂直方向，全距离为44m。

7 结 论

现场测得的振动信号作的小波包分析表明，爆破产生的振动能量主要分布在10～50Hz频段。而桥梁自振频率所处的第一频段，即0～10Hz之间的能量较小，对于桥梁影响较小。在此频率段内，按照《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中安全允许振速的有关规定，根据现场测量结果计算，结合现场建筑物实际，老闸坡脚距爆破开挖区最近距离约29m(Ta-57～ Ta-28)，下游老桥距爆破开挖区最近距离约24m(Ta+99.76～ Ta+123.8)，得出爆破的理论临界安全距离值如下表8所列。

表8 老闸不同装药量情况下的安全距离

老闸在最大单段起爆药量控制在130kg以内时，爆破施工易控制。在靠近老桥附近20～30m爆破时，最大单段起爆药量以控制在50kg以内为宜。主爆孔的间排距要根据地质情况调整，土加石以3m×2m、较完整岩基深孔梯段以3.5m×2.5m为好。深孔梯段以药卷直径90mm爆破，单耗在0.42～0.45kg/m3为宜。

以上爆破试验主要针对常规石方开挖过程的参数进行监测和调整，爆破参数是一个动态的数据，要根据现场实际情况进行微调，随着开挖的进行，接近建基面时的预裂爆破参数，将重新进行测试和调整，以便获得理想的预裂爆破数据。