一种保证地面建筑物安全的爆破参数优化方法

技术领域

本发明涉及一种爆破设计参数优化方法，尤其涉及一种保证地面建筑物安全的爆破参数优化方法，属于爆破地震效应安全评价和控制领域。

背景技术

钻孔爆破法作为土石方工程最为经济有效的开挖手段，广泛应用于城市浅埋隧道掘进、建筑物基坑开挖及地下空间工程、矿山建筑工程及水利水电工程等的建设中。不少爆破作业区距地面建筑物距离较近，爆破地震效应问题突出。爆破设计方案稍有不当，产生的爆破地震波会引起地面建筑物的墙体、混凝土开裂，涂料脱落，门窗玻璃破裂，严重危及到建筑物的安全，进而引起工程纠纷，过大的爆破振动还可能造成建筑物倒塌损坏，带来灾难性的后果。目前采用控制地面建筑物的爆破振动安全最常用的技术方案基本集中在以下三个方面：

(1)爆破开挖过程中，全程实时跟踪监测地面被保护建筑物基础质点的峰值速度和主频，若监测到不符合《爆破安全规程》(6722-2014)的爆破振动安全允许标准的波形，马上调整下个炮次的主要爆破参数，然后继续实时监测并及时调整。这种技术直接采用全程监测方式且监测结果准确，因而应用的程度较广。但因为大多数爆破开挖工程工期较长，监测成本较高；且监测到出问题时才能进行下炮次的参数调整，这样以来民事纠纷、工期延迟及经济纠纷等又未能避免。

(2)施工前在爆破作业面做现场试验，在爆区按一定规则布设测点并采集爆破振动峰值速度数据，基于采集数据拟合出萨氏爆破振速模型中对应爆破作业现场条件的的K、α值，然后利用萨氏爆 破振速模型根据已知爆破设计方案中一次齐爆总药量或单段最大药量及爆源距被保护地面建筑物基础的爆心距来预测被保护地面建筑物的质点峰值速度，最后对照《爆破安全规程》的爆破振动安全允许标准，对不符合标准的爆破参数进行优化。该技术没有严格遵守现行爆破振动安全标准中综合考虑峰值速度和频率的共同影响，只简单采用质点峰值振动速度作为评判地面建筑物在爆破振动状态下是否安全，因而在实际施工指导过程中常常出现失误。

(3)选用爆破设计参数时主要控制一次齐爆总药量或单段最大药量，并且一次齐爆总药量或单段最大药量选值比较低，制定出比较保守的爆破设计方案，在实际的爆破施工中完全按保守方案施工，全程无任何爆破振动监测。该技术由于过于保守虽保护了地面建筑物的抗震安全，但掘进速度低，极大地降低了施工效率。

因此，设计一种监测工作量不大且全面遵从现行的爆破振动安全标准中采用峰值速度-主频作为综合评判指标同时爆破施工进度基本不受影响的保证地面建筑物安全的爆破参数优化方法是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种适用性强、操作简单、可大幅提高施工方经济效益且全面遵从现行的爆破振动安全标准中采用峰值速度-主频作为综合评判指标的保证地面建筑物安全的爆破参数优化方法。

为解决上述技术问题，本发明所提供的保证地面建筑物安全的爆破参数优化方法，包括如下步骤：

步骤一：根据爆区的地质条件及岩体性质，制定爆破试验方案；

步骤二：沿爆源的径向弹性振动区在不同的爆心距处布置测点，按照试验方案起爆，得到各测点的垂直方向、水平径向和水平切向的三组峰值振动速度试验数据，取峰值振动速度算术平均值最大者所对应组的试验数据作为分析数据，对分析数据进行线性拟合，求解出该爆区的v-f计算模型和爆破振速模型；每一组试验数据包括 峰值振动速度v、主频率f、爆心距R及一次齐爆总药量或单段最大药量Q；

步骤三：将爆破设计初始方案中各炮次中一次齐爆总药量或单段最大药量及该炮次起爆时被保护地面建筑物基础距爆源的距离代入v-f计算模型和爆破振速模型，求解爆破设计初始方案中的峰值振动速度和主频率；

步骤四：将步骤三中求得的峰值振动速度和主频率逐点对照现行《爆破安全规程》(6722-2014)的爆破振动安全允许标准，将不符合该标准的峰值振动速度和主频率整理出来；

步骤五：调整步骤四中不符合《爆破安全规程》(6722-2014)的峰值振动速度和主频率所对应爆破设计初始方案，重复步骤三和步骤四，直至满足爆破振动安全允许标准为止。

进一步的，具体步骤如下：

步骤1：在爆区进行多个炮次的爆破试验，并对试验炮次依次编号为1,2,…n；

步骤2：在爆源的径向弹性振动区范围内沿径向方向在同一水平直线上不同的爆心距处布置m个测点，在每个测点处布设一台爆破振动测试仪及其配套的垂直方向、水平径向和水平切向的速度传感器；保持测点不变，依次按照试验炮次1、2…n起爆，利用爆破振动测试仪在各测点采集不同试验炮次下各测点的垂直方向、水平径向和水平切向三个方向的峰值振动速度和主频率，按照垂直方向、水平径向和水平切向三个方向分组记录试验数据，每一组试验数据包括峰值振动速度v、主频率f、爆心距R及一次齐爆总药量或单段最大药量Q；

步骤3：分别计算步骤2中垂直方向、水平径向和水平切向的m*n个峰值速度值的算术平均值，取算术平均值最大者所对应方向的峰值振动速度、主频率、爆心距及一次齐爆总药量或单段最大药量作为分析数据，对分析数据进行拟合，得出该爆区的v-f计算模型和爆破振速模型；

步骤4：将爆破设计初始方案各炮次中一次齐爆总药量或单段最大药量Q_j及该炮次起爆时被保护地面建筑物基础距爆源的距离R_j首先代入步骤3中的爆破振速模型，求出峰值振动速度v_j，然后将Q_j、R_j、v_j代入步骤3中的v-f计算模型，反求出主频值f_j，从而得出一系列对应爆破设计初始方案各炮次的数据点(f_j,v_j)；

步骤5：将步骤4得到的全部数据点(f_j,v_j)逐点对照现行《爆破安全规程》(6722-2014)的爆破振动安全允许标准，将不符合该标准的数据点整理出来，在此记作(f_k,v_k)；

步骤6：调整不合格数据(f_k,v_k)对应的爆破设计初始方案，使得一次齐爆总药量或单段最大药量值降低，然后重复步骤4和步骤5，直至数据点满足爆破振动安全允许标准为止。

进一步的，测点数量m大于等于5。

进一步的，m*n的值大于等于15。

进一步的，各试验炮次采用不同的一次齐爆总药量。

进一步的，各试验炮次中一次齐爆总药量或单段最大药量Q的最低药量以爆破振动波能触发测点传感器并采集到有效信号为准。

进一步的，各试验炮次中一次齐爆总药量或单段最大药量的最高药量Q_max由离爆源最近的被保护地面建筑物的爆心距r和爆区岩性来确定，其中：

当爆区岩性为坚硬岩石时，Q_max＝2.4*10^(-5)*r^3，Kg；

当爆区岩性为中硬岩石时，Q_max＝3.6*10^(-5)*r^3，Kg；

当爆区岩性为软岩石时，Q_max＝11.3*10^(-5)*r^3，Kg。

上述技术方案的保证地面建筑物安全的爆破参数优化方法，对分析数据进行拟合，得出该爆区的f-v计算模型和爆破振速模型，其具体实现步骤如下：

爆破振动主频率f和峰值振动速度v之间满足的关系式为：f*R/v＝K1*[Q^(1/3)/R]^a1，其中K1、a1分别为与爆破地质条件有关的系数，R为爆心距，Q为一次齐爆总药量或单段最大药量，将分析数据代入上述关系式中并利用MATLAB进行拟合计算，得出系 数K1、a1的值，进而得出该爆区的v-f计算模型；

爆破振速模型采用经典萨道夫斯基公式：v＝K2*[Q^(1/3)/R]^a2，其中K2、a2分别为与爆破条件、岩石特性等有关的系数，R为爆心距，Q为一次齐爆总药量或单段最大药量，同理，将分析数据代入经典萨道夫斯基公式中并利用MATLAB进行拟合计算，得出系数K2、a2的值，进而得出该爆区的爆破振速模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)监测工作量不大

只在爆破试验方案执行期间做少许监测，以保证取到15组以上的监测数据点为宜。在优化后的爆破设计方案实施期间无需做任何跟踪监测，监测工作量较少，监测工作成本低。

(2)采用峰值速度-主频作为综合评判指标

现执行的《爆破安全规程》(6722-2014)中的爆破振动安全允许标准是按照被保护对象类别和质点主频的频段范围分别给出了安全峰值速度值，所以严格来说，只有采用峰值速度-主频作为综合评判指标才能严格遵守现行的爆破安全规程。

(3)爆破施工进度基本不受影响

利用该方法调整后求出的峰值速度基本都是爆破振动安全标准中对应频段的极大值，爆破参数优化时的调整幅度降到最低，施工进度基本不受影响。

(4)操作简单，适用性强

该方法步骤明确，实施起来简单易行，由于其中的关键模型是依靠现场监测的数据确定，所以模型对现场条件的适用性较强，预测精度较高。

综上所述，本发明只需前期放几次小药量试验炮做少许监测，便能确定出根据已知主要爆破参数来推导出所在爆区质点峰值振动速度和主频的计算模型，然后对照现行的爆破振动安全允许标准便可容易辨识出需要优化的不安全爆破设计方案，进而将对应的爆破参数调整到安全值。该方法适用性强，操作简单，可预防因地面建 筑物的爆破振动损伤而带来的民事经济纠纷和工期拖延，大幅提高施工方的经济效益。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明的测点布置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图1和附图2对本发明一种保证地面建筑物安全的爆破参数优化方法作进一步的说明。

步骤一:根据爆区的地质条件及岩体性质，参照爆破设计初始方案制定试验方案，确定爆破试验方案中的一次齐爆总药量。在爆区选择合适的位置进行多个炮次的爆破试验，试验炮次依次编号为1,2,…n，n>＝3，为简单起见，爆破试验方案可采用单孔爆破或多孔齐发爆破的爆破方式，一次齐爆总药量或单段最大药量的最低药量按以下方式确定：以爆破振动波能触发测点传感器并采集到有效信号为准。一次齐爆总药量或单段最大药量的最高药量Q_max由离爆源最近的被保护地面建筑物的爆心距和爆区岩性来确定，其中：

当爆区岩性为坚硬岩石时，Q_max＝2.4*10^(-5)*r^3，Kg；

当爆区岩性为中硬岩石时，Q_max＝3.6*10^(-5)*r^3，Kg；

当爆区岩性为软岩石时，Q_max＝11.3*10^(-5)*r^3，Kg。各试验炮次采用互不相同的一次齐爆总药量值，分别记为Q_i(i＝1,2,…n)。步骤二：在爆源的径向弹性振动区范围内(150倍的装药半径至被保护建筑物位置)沿径向方向在同一水平直线上不同的爆心距处布置测点，测点序号分别为1,2,…m，m>＝5。布置测点时近距离测点密一些，远距离测点间距间隔可相对大一些。每个测点处布设一台爆破振动测试仪及其配套的垂直方向、水平径向和水平切向的速度传感器。保持测点不变，依次按照试验炮次1、2…n起爆，利用爆破振动测试仪在各测点采集不同试验炮次下各质点的三方向峰值振动速度和主频率，按照垂直方向、水平径向和水平切向三个方向分组记录试验数据，试验数据记录表格式参考表1，表1中Q为每个试验方案对应的一次齐爆总药量或单段最大药量，kg；R为测点至爆源之间的距离，即测点的爆心距，m；v为测点的峰值振动速度，>

步骤三：分别计算步骤二中垂直方向、水平径向和水平切向的m*n个峰值速度值的算术平均值：ave(v_v)＝Σv_v/(m*n)，ave(v_hr)＝Σv_hr/(m*n)，ave(v_ht)＝Σv_ht/(m*n)，取算术平均值最大者所对应方向的峰值振动速度、主频率、爆心距及一次齐爆总药量或单段最大药量作为分析数据，并按照起爆顺序分别记为Q_i(i＝1,2,…m*n)、R_i(i＝1,2,…m*n)、v_i(i＝1,2,…m*n)、f_i(i＝1,2,…m*n)，对分析数据进行拟合，得出该爆区的v-f计算模型和爆破振速模型。

爆区的v-f计算模型和爆破振速模型求解步骤如下：爆破振动主频率f和峰值振动速度v之间满足的关系式为：f*R/v＝K1*[Q^(1/3)/R]^a1，其中K1、a1分别为与爆破地质条件有关的系数。对该关系式两边同时取自然对数，得：ln(f*R/v)＝a1*[ln(Q)/3-ln(R)]+ln(K1)。令x＝ln(Q)/3-ln(R)，y＝ln(f*R/v)，选取上述算术平均值最大者所对应方向的峰值振动速度v_i(i＝1,2,…m*n)、主频率f_i(i＝1,2,…m*n)、爆心距R_i(i＝1,2,…m*n)及一次齐爆总药量或单段最大药量Q_i(i＝1,2,…m*n)作为函数x＝ln(Q)/3-ln(R)，y＝ln(f*R/v)的自变量，则可得到若干组数据点(xi,y_i)。运用matlab命令对所有数据点(x_i,y_i)进行线性拟合：a＝polyfit(x_i,y_i,1)，得到的参数a(1)和a(2)分别是对y＝a1*x+ln(K1)线性回归的系数，即：a1＝a(1)，ln(K1)＝a(2)，进一步推出K1、a1的值：K1＝exp(a(2))，a1＝a(1)，则该爆区的v-f计算模型为：f＝exp(a(2))*[Q^(1/3)/R]^a(1)*v/R。

爆破振速模型采用经典的萨道夫斯基公式：v＝K2*[Q^(1/3)/R]^a2，其中K2、a2分别为与爆破条件、岩石特性等有关的系数。对萨道夫斯基公式两边同时取自然对数，得：ln(v)＝a2*[ln(Q)/3-ln(R)]+ln(K2)。令x＝ln(Q)/3-ln(R)，yy＝ln(v)，若选取上述算术平均值最大者所对应方向的峰值振动速度v_i(i＝1,2,…m*n)、爆心距R_i(i＝1,2,…m*n)及一次齐爆总药量或单段最大药量Q_i(i＝1,2,…m*n)作为函数x＝ln(Q)/3-ln(R)，yy＝ln(v)的自变量，则可得到若干组数据点(x_i,yy_i)。运用matlab命令对所有数据点(x_i,yy_i)进>i,yy_i,1)，得到的参数b(1)和b(2)分别是对yy＝a2*x+ln(K2)线性回归的系数，即：a2＝b(1)，ln(K2)＝b(2)，进一步推出K2、a2的值：K2＝exp(b(2))，a2＝b(1)，则该爆区的爆破振速模型为：v＝exp(b(2))*[Q^(1/3)/R]^b(1)。

步骤四：将爆破设计初始方案各炮次中一次齐爆总药量或单段最大药量Q_j及该炮次起爆时被保护地面建筑物基础距爆源的距离R_j首先代入步骤三中的爆破振速模型，求出峰值振动速度v_j，然后将Q_j、R_j、v_j代入步骤三中的v-f计算模型，反求出主频值f_j，从而得出一系列对应爆破设计初始方案各炮次的数据点(f_j,v_j)，这表示一次齐爆总药量或单段最大药量取Q_j时在爆心距R_j处的被保护地面建筑物基础的质点振动主频为f_j，峰值速度为v_j。

步骤五：将全部数据点(f_j,v_j)逐点对照现行《爆破安全规程》(6722-2014)的爆破振动安全允许标准，判断是否符合该标准。若符合，则该炮次的爆破设计方案可行；若不符合，将不符合该标准的爆破设计初始方案中的所有炮次做出标记，并整理出对应的峰值振动速度和主频，在此记作(f_k,v_k)，进入第六步；

步骤六：调整不合格数据(f_k,v_k)对应的爆破设计初始方案，主要是通过优化爆破设计方案来调整一次齐爆总药量或单段最大药量，然后重复步骤四和步骤五，直至数据点满足爆破振动安全允许标准为止。

实施例1：

步骤一：选择某基础开挖爆破工程场地开展爆破试验，爆区基岩为风化较严重的花岗岩和片麻岩，试验爆源距最近的一栋居民楼的距离为55m，因爆区基岩为中硬岩石，一次齐爆的最高药量Q_max＝3.6*10^(-5)*r^3＝3.6*10^(-5)*55^3＝5.99Kg。取孔深为2m，孔径为40mm，单孔装药量为0.9kg，堵塞长度为1.3m，单排布孔，孔距为1.2m。试验炮次数n取3，试验炮次依次编号为1、2、3，每个炮次的炮孔个数分别为3、4、6个，爆破方式采取多孔齐发爆破，则一次齐爆总药量分别为2.7Kg、3.6Kg和5.4Kg，均不超过>

步骤二：首先确定试验炮次1对应的爆源位置，距最近居民楼的距离为55m。沿爆源和距爆源最近的居民楼方向上分别在爆心距为25m、28m、33m、40m和50m处布置5个测点，测点编号分别为1、2、3、4、5。保持测点不变，沿背离居民楼方向稍微移动试验炮次2和炮次3的爆源位置，并记录各测点的爆心距(爆心距有所变化)。每个测点处布设一台IDTS3850爆破震动测试记录仪及其配套的垂直方向、水平径向和水平切向的速度传感器。依次按照试验炮次1、2、3起爆，利用IDTS3850爆破震动测试记录仪在各测点采集不同试验炮次下各质点的三方向峰值振动速度和主频率，按照垂直方向、水平径向和水平切向三个方向分组记录试验数据，数据记录表详见表2。

步骤三：分别计算步骤二中垂直方向、水平径向和水平切向的m*n个峰值速度值的算术平均值：ave(v_v)＝Σv_v/(m*n)＝1.41cm/s，ave(v_hr)＝Σv_hr/(m*n)＝1.29cm/s，ave(v_ht)＝Σv_ht/(m*n)＝1.03cm/s，垂直方向的算术平均值最大，故取垂直方向的爆心距、一次齐爆总药量、峰值振动速度及主频率作为分析数据，并按照起爆顺序分别记为Q_i(i＝1,2,…,15)、R_i(i＝1,2,…,15)、v_i(i＝1,2,…,15)、f_i(i＝1,2,…,15)。基于分析数据可拟合出v-f模型的系数K1＝exp(a(2))＝116，a1＝a(1)＝-0.75，则该爆区的v-f计算模型为：f＝116*[Q^(1/3)/R]^(-0.75)*v/R。

基于分析数据可拟合出爆破振速模型的系数K2＝exp(b(2))＝211，a2＝b(1)＝1.58，则该爆区的爆破振速模型为：v＝211*[Q^(1/3)/R]^1.58。

步骤四：将爆破设计初始方案各炮次中一次齐爆总药量或单段最大药量Q_j及该炮次起爆时被保护地面建筑物基础距爆源的距离R_j首先代入步骤三中的爆破振速模型，求出峰值振动速度v_j，然后将Q_j、R_j、v_j代入步骤三中的v-f计算模型，反求出主频值f_j，在此选取某些炮次(炮次序号仅为编号，无实际意义)的爆破设计初始>

步骤五：因被保护对象为一栋多层砌体结构民宅，类别属于一般民用建筑物，将表3中的每个炮次对应的主频和峰值速度值(f_j,v_j)逐点对照现行《爆破安全规程》(6722-2014)的爆破振动安全允许标准(如表4所示)中一般民用建筑物的安全允许振动速度标准值，判断是否符合该标准。经对照后发现：炮次1、2、3、5、7对应的(7.7Hz，0.6cm/s)、(9.6Hz，0.7cm/s)、(20.7Hz，1.4cm/s)、(55.6Hz，2.7cm/s)、(86.2Hz，2.9cm/s)符合标准，爆破设计参数可行；炮次4、6、8对应的(44.4Hz，2.6cm/s)、(67.4Hz，3.2cm/s)、(138Hz，3.3cm/s)超出标准，爆破设计参数需要进一步优化。

步骤六：调整炮次4中的第二排孔的单孔药量由原来的3.3Kg调至2.9Kg，使得炮次4的单段最大药量Q由40Kg降至35Kg；调整炮次6中的第三排孔的单孔药量由原来的2.75Kg调至3.0Kg，炮眼个数由原来的8个调至6个，使得炮次6的单段最大药量Q由22Kg降至18Kg；炮次8设计的是逐孔起爆方案，将最大单孔药量由原来的3Kg调至2Kg，使得炮次8的单段最大药量Q由3Kg降至2Kg。重复步骤四分别算出炮次4、6、8对应的主频和峰值速度分别为：(42.8Hz，2.4cm/s)、(63.7Hz，2.8cm/s)、(123.4Hz，2.7cm/s)。然后再重复步骤五中与爆破振动安全标准的对照工作，发现均满足标准，优化后的爆破参数可行。

表1为本发明的爆破振动监测数据表模板

表2为本发明具体实施例所述记录的实测爆破振动监测数据表

表3为本发明具体实施例爆破初始方案参数对应的v、f求值表

表4为本发明对照所用的《爆破安全规程》(6722-2014)中的爆破振动安全允许标准