工程爆破开挖是当今基础设施建设过程中的关键施工技术，特别是在岩土工程领域的应用较为广泛。但随着爆破开挖施工的环境越来越复杂，其对周围环境带来的影响也是爆破施工技术研究的热点问题。近年来，许多学者在爆破开挖技术方面做了大量的研究工作，主要包括理论研究、现场测试以及数值模拟几个方面，具体情况如：

理论研究方面，万嗣鹏等[1]考虑爆破振动速度为影响因素，基于准岩体强度，采用量纲法对爆破振动速度的公式进行修正；杨招伟等[2]基于地表实测爆破振动试验，提出了快速确定岩体动力学参数的新方法；王林台等[3]根据模态参数，利用质阻弹模型的动力微分方程，建立Simulink动力仿真模型；梅比等[4]将HHT算法引入MP算法对数据进行预处理，降低了MP算法运算复杂程度，更有利于爆破理论分析研究。现场测试研究方面，公伟增[5]、朱利明[6]、管晓明[7]等研究了隧道爆破开挖施工对已有建筑物的振动影响规律，从而确立了相应合理的爆破施工方案；程存玉等[8]以实际爆破工程为背景，研究了爆破振动对路基边坡振动影响的规律。数值模拟研究方面，李鹏[9]、贾磊[10]、于建新[11]、凌天龙[12]等利用数值模拟将理论应用于实际爆破，研究结果表明，数值模拟与实际工程基本吻合，论证了数值模型的可行性。

从已有研究成果来看，大多现有研究成果分析了爆破开挖施工对实际工程中的影响作用，虽取得了较为丰富的成果，但由于露天爆破开挖施工方案、建(构)筑物结构和场地特征的差异性大，很难直接借鉴。鉴于此，笔者从实际工程出发，研究了露天爆破开挖对既有结构关键振动特征(振动速度和主振频率)的变化规律影响，采用最小二乘法对修正的萨道夫斯基公式进行回归分析及预测，建立了径向X、切向Y、竖向Z方向上振动速度的经验公式，以期能为类似露天爆破开挖工程提供相应的理论依据及参考价值。

1 工程概况

1.1 坐标方位

在场地平整工程中，拟修建筑类型为电商综合物流博览园，位于福泉市。场地平整以爆破开挖为主，主要对规划建筑物范围内的山体进行场地平整，如图1所示。拟建场地的地貌特征起伏较大，地面标高在820.5～891.78 m之间，最大高差约71.28 m。而场地平整设计的标高约为850 m左右，拟建场地东南侧道路平场回填，东南侧存在高约0～33.3 m、长约467 m的填方边坡。

1.2 地质情况

根据工程地质调查及勘察结果，场地范围内覆盖土层为第四系耕植土及红黏土层，下伏分布基岩为二叠系上统吴家坪组(P2w)中至厚层状灰岩，岩层产状正常，呈单斜产出，据场地周围基岩出露点测得其倾向102°，倾角21°。场地基岩发育含有3组优势节理，第一组节理产状130°～145°∠45°～60°，第二组节理产状310°～330°∠50°～60°，第三组节理产状45°～55°∠75°～80°，节理线密度为2～5组/m，延伸长度0.1～2.5 m不等，节理裂隙张开度2～5 mm，节理裂隙面以钙质胶结为主，局部为硅质胶结，结构面结合较差，岩体完整性较差。随开挖深度的增加，岩石的硬度随之增大，其单轴抗压强度为37.66 MPa，对于爆破开挖施工不利，影响范围相对较大。因此，需要对爆破区周围的既有结构关键振动特征进行监测分析。

1.3 爆破周边环境

爆破区周围存在大量的建筑群和桥梁结构，具体的爆区周围环境，如图1所示。建筑物、桥梁等既有结构离爆破区的具体情况见表1。

2 爆破监测设计方案

从现场勘查情况看，三江口大桥(326 m)、洒金河大桥(275 m)、金鸡山大桥(345 m)距离爆破区相对较远，洒金河将其与爆破区隔开，存在天然的减震器，露天爆破振动对其影响不大。根据《中国地震烈度表》(GBT17742—2008)[13]和《爆破安全规程》(GB6722—2014)[14]的规定，可不对其进行爆破振动的监测。但将军桥和在建楼房离爆破区相对较近，爆源距分别为113 m和131 m，根据现场勘查可知，将军桥的桥面(X、Y水平径向和切向)和桥墩(Z铅直方向)均出现裂缝，且在靠近爆破区的一侧较多，桥梁等级为一级。从裂缝规律和现场情况分析，确定振动速度的安全限值为2.0 cm/s。

2.1 现场爆破方法及炮孔设计

现场采用电子雷管起爆法与孔内延时起爆法相结合的爆破方式，选用乳化炸药，其中：电子雷管起爆法起整体控制作用，孔内延时起爆法控制炮孔间的爆破方式。炮孔平面布置的爆破参数见表2，具体装药结构如图2所示，爆破起爆网路如图3所示。

2.2 振动测点示分布

根据将军桥的裂缝分布情况以及在建房屋的实际情况，在离爆破区最危险的地方设置现场爆破测点，随爆破源的移动，测点与爆破源的距离将发生改变，测点分布情况如图4所示。

2.3 现场测试步骤

现场测试采用TC-4850爆破测振仪。测量三矢量振动速度时， Z向为铅直方向，X方向指向爆破源，为水平径向，则Y向为水平切向，现场测试步骤如图5所示。

3 现场监测结果及数据分析

根据现场测试，得到爆破振动监测结果和原始爆破参数见表3。

3.1 爆心距距对关键振动特征的影响

考虑监测设备自身原因以及测试操作误差，为研究露天爆破施工对关键振动特征及其衰减规律，将测点及爆破振动监测数据进行数字化处理，剔除其中离散性较大的数据，得到35组有效数据，主要包括X、Y、Z三个方向上的振动速度、主振频率、爆心距距等数据，见表3。根据表3中的监测数据，绘制出测点的振动速度和主振频率随爆心距距增大的变化规律及趋势，如图6、图7所示。

由图6可知，测点在径向X、切向Y、竖向Z三个方向的峰值振速在安全控制值2.0 cm/s范围内，这说明该露天爆破施工方法是安全可行的。径向X、切向Y、竖向Z三个方向上的振动速度均随爆心距距的增大而逐渐减小。径向上振动速度的变幅最大，切向Y、竖向Z次之。可以看出，相对于爆破引起的波形传播，当振动方向与径向平行时，由于叠加作用影响质点的振动较大，相反其他方向的振动作用相对较弱。由此可知，爆破振动在径向上的作用最大，其次是切向Y，最后是竖向Z。

同时还发现，监测质点的振动速度受较近爆源区域作用较大，振动速度V随爆心距距的增大衰减作用较强；受远爆源区域的作用相对较小，振动速度随爆心距距的增大衰减作用逐渐减缓，减幅变小。

由图7可知，随爆心距距的增大，测点在径向X、切向Y、竖向Z三个方向上的主振频率存在一定的变化，但规律性不明显，主振频率主要集中在20～50 Hz范围内。但当爆心距距在154 m、190 m时，分别出现了主振频率峰值，两个波峰之间可形成主振频率干涉现象，距离周期约为35 m，当爆心距为154 m时，峰值频率为81.63 Hz；当爆心距为190 m时，峰值频率为93.02 Hz。因此，在类似工程中应注意结构自身的主振频率，避免出现在这一范围内。

3.2 振动速度衰减规律回归理论分析

目前，萨道夫斯基经验公式是国内外工程界使用最为广泛的振动速度计算公式，其表达式如下[13]。

(1)

式中： V为振动速度(cm/s)； Q为起爆过程中最大单响的炸药量(kg)； R为测点与爆源之间的距离，即爆心距(m)； K、α是与岩土介质有关的参数；β是与装药结构方式有关的参数，集中药包取1/3，柱装药包取1/2。由《爆破安全规程》(GB6722—2014)和《中国地震烈度表》(GBT17742—2008)可知，在我国的工程中推荐使用修正后的萨道夫斯基经验公式，为能反映爆破振动的衰减规律，定义K、α为衰减参数。即

(2)

将式(2)两边同取以10为底的自然对数得

(3)

令y=lgV，x=lg(Q1/3/R)，b=lgK，k=α，将式(3)变换为式(4)

y=kx+b

(4)

采用最小二乘法回归理论对测点径向X、切向Y、竖向Z三个方向的振动速度公式进行研究[15]。通过回归分析，试图建立径向X、切向Y、竖向Z三个方向振动速度的经验公式。也可以由此对测点的振动速度矢量合成进行分析研究。

3.3 振动速度衰减规律经验公式的建立

根据回归分析可知，现场测点的单孔药量Q，爆心距R，振动速度V的数据，采用上述理论进行拟合，其中横坐标为x=lg(Q1/3/R)，纵坐标为y=lgV，得到了径向X、切向Y、竖向Z三个方向上的振动速度拟合曲线，如图8所示。

由图8(a)可知，得到径向X的拟合分析关系为式(5)，相关系数为0.818 3。

y=1.627 20x+2.558 4

(5)

由图8(b)可知，得到切向Y的拟合分析关系为式(6)，相关系数为0.818 8。

y=1.386 63x+1.986 2

(6)

由图8(c)可知，得到竖向Z的拟合分析关系为式(7)，相关系数为0.810 3。

y=1.497 37x+2.159 1

(7)

由式(3)联立式(5)、式(6)、式(7)得到径向X、切向Y、竖向Z衰减参数K、α，具体参数值见表4。

由表4及式(3)可得径向X、切向Y、竖向Z三个方向上的振动速度经验公式，即式(8)～式(10)：

1) 径向X振动速度的经验公式

(8)

2) 切向Y振动速度的经验公式

(9)

3) 竖向Z振动速度的经验公式

(10)

在类似工程中，可结合爆心的装药量Q和既有结构的爆心矩R，采用式(8)～式(10)对既有结构X、Y、Z三个方向上的振动速度进行预测，结果可在爆破时对相邻结构是否需要采取防护措施及进行初步判断，提供重要参考价值。

3.4 主振频率变化规律分析

在实际爆破工程中，有时相邻建筑物间的振动规律也存在较大差别，这主要与爆破振动产生的主振频率有关。当爆破的主振频率与建筑物的固有频率相近时，很容易引发建筑物的共振现象，造成建筑物更大的破坏。图9给出了爆破振动产生径向X、切向Y、竖向Z三个方向上的主振频率随爆心距的变化规律及趋势。

由图9可知，各个方向上的主振频率随爆心距的增大呈微小的变化趋势，其中径向X的主振频率随爆心距的增大而微弱减小；切向Y和竖向Z的主振频率随爆心距的增大而微弱增大，但3个方向的主振频率随爆心距增大的变化不显著。这说明主振频率受爆心距的影响相对较小，原因在于爆破振动产生主振频率是测点的固有频率，在传播的过程中，爆破源和传播的介质没有发生改变，所以主振频率随爆心距的增大变化不明显。由表3可知，主振频率主要集中分布在20～50 Hz范围内，一般而言，中低层建筑物固有频率为1～10 Hz，高层建筑物的固有频率更低。这可以判断，该工程爆破施工不会引起既有结构发生共振。但在此范围外，存在小范围的高频和低频振动作用，可能会对建筑物造成较大的危害。因此，在制定爆破振动控制措施时，不能忽略这部分作用对结构的影响，应采取相应的防范措施。

4 结论

1) 现场监测数据分析结果表明，测点的径向X、切向Y、竖向Z的振动速度未超过规定限值，最大振动速度为0.746 cm/s，小于限值2.0 cm/s.这说明露天爆破振动安全、可靠、稳定。

2) 径向X、切向Y、竖向Z三个方向上的振动速度随爆心距增大而减小且衰减幅度较大，其中径向振动速度衰减最为显著。主振频率受爆心距的影响相对较小，但固有频率在20～50 Hz的既有结构，应采取相应的防范措施。

3) 基于监测数据，通过最小二乘法对修正后的萨道夫斯基经验公式进行回归预测，建立了测点在径向X、切向Y、竖向Z上的振动速度经验公式，可较好地描述三个方向上振动速度的衰减规律，同时可对测点的爆破振动速度进行有效的预测。研究结果可为类似爆破工程提供相关的基础数据及参考依据，具有工程应用价值。

参考文献：

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[3] 王林台，高文学，张发财，等.爆破地震作用下建筑物振动响应研究[J]，兵工学报，2018，39(S1):121-134.

[4] 梅比，汪旭光，杨仁树.基于改进MP-WVD算法的核电厂建设爆破振动信号处理方法[J].爆炸与冲击，2019，39(04):152-162.

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[13] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.2008中国地震烈度表(GB/T 17742—2008)[Z].北京：中国标准出版社.

[14] GB 6722—2014，爆破安全规程[S].

[15] 李胜林，方真刚，杨瑞，等.浅埋地铁隧道爆破施工引起的地表振动规律分析[J].爆破，2019，36(02):111-116,130.

Influence of Open Blasting on Key Vibration Characteristics of Existing Structures

WANG Xiangxian1a, MU Rui2, HUANG Zhihong1a, KONG Fuxian1a, ZHANG Qi1b, ZHANG Hong3

(1.a.College of Civil Engineering; b.People’s Armed Forces College, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2.Department of Military Installations, Army Logistics University of PLA, Chongqing 401331, China; 3.Wudang District Bureau of Housing and Construction of Guiyang, Guiyang 550000, China)

Abstract: In order to study the influence of open-pit blasting on the key vibration characteristics (vibration velocity and main vibration frequency) of existing structures, the influence of open-pit blasting on the key vibration characteristics of existing structures was studied, the vibration characteristics of the structure around the blasting area were measured by blasting seismic wave test. The influence of blasting vibration on the vibration velocity and main vibration frequency of the existing structure in radial X, tangential Y and vertical Z was analyzed. In order to reasonably predict and effectively control blasting vibration, the least square method was used to fit the modified Sadovsky empirical formula in standard. The results show that: 1) the vibration velocity of the measuring point in X, Y, Z directions decreases with the increase of the explosion center moment, and the vibration velocity attenuation characteristics of radial X were more obvious, and most of them were in 0.02～0.70 cm/s; 2) the variation law of the main vibration frequency with the blast centre moment is not obvious, and the main vibration frequency distribution law is more random, mostly concentrated in 20～50 Hz;3) the empirical formula of vibration velocity in X, Y and Z directions is obtained by fitting, which can better describe the attenuation law of vibration velocity and make effective prediction. The research results can provide theoretical basis and reference for similar open-pit blasting engineering, and have engineering application value.

Key words: open blasting; vibration test; explosion source moment; Sadov’s formula; regression analysis

本文引用格式：王祥献，穆锐，黄质宏，等.露天爆破对既有结构关键振动特征的影响分析[J].兵器装备工程学报，2021,42(03):240-246.

Citation format:WANG Xiangxian, MU Rui, HUANG Zhihong, et al.Influence of Open Blasting on Key Vibration Characteristics of Existing Structures[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2021,42(03):240-246.

中图分类号：TB41

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2021)03-0240-07

收稿日期：2020-04-29；修回日期：2020-06-02

基金项目：国家自然科学基金项目(51668011);贵州省土木工程一流学科建设项目(QYNYL(2017)0013)

作者简介：王祥献(1993—)，女，硕士研究生，主要从事爆破工程及边坡工程研究，E-mail:510764984@qq.com。

通信作者：黄质宏(1961—)，男，教授，主要从事岩土工程与地基基础方面的教学、科研与工程实践工作，E-mail:854584164@qq.com。

doi: 10.11809/bqzbgcxb2021.03.044

科学编辑 汪海波 博士(安徽理工大学副教授)
责任编辑 唐定国