陳宏濤,程貴海,蒙海霖,曾朝偉,李昂昂,朱棟梁

(廣西大學資源環(huán)境與材料學院，南寧 530004)

在深孔爆破施工中，不可避免的會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，例如：爆破飛石、爆破振動、爆破產(chǎn)生的有害氣體和煙塵等。孔內(nèi)的炸藥除了將能量作用在周圍的巖土之外，剩余的能量會以振動波的形式向外部釋放，當振動波足夠大或者與其他炮孔產(chǎn)生的振動波相互疊加，將會嚴重影響附近的居民樓或者重要建筑的結(jié)構(gòu)安全[1]。廣西某水利樞紐二線船閘工程位于柳州市柳江縣紅花村附近，該工程爆破最近地點距離當?shù)孛穹坎蛔惆倜?。由于工程量大，時間緊迫，只有采取每日爆破的方式才能完成任務(wù)，因此爆破產(chǎn)生的振動使得當?shù)鼐用駬姆课莸陌踩绊懙绞┕挝慌c當?shù)卮迕竦年P(guān)系。如何優(yōu)化與振動相關(guān)的爆破參數(shù)進而降低爆破振動效益成為該工程亟待解決的一個問題。

國內(nèi)許多學者利用正交試驗[2]進行爆破參數(shù)的優(yōu)化分析，吳帥峰等[3]通過正交試驗來確定在爆破振動的作用下，混凝土齡期、振動速度、振動持續(xù)時間和振動頻率對于新澆筑的混凝土強度的影響。向云武等[4]利用正交試驗進行深孔回采爆破設(shè)計，經(jīng)過系統(tǒng)的研究與分析之后，得出孔徑為57 mm，炮孔密集系數(shù)為1.25，孔底起爆的爆破方案，取得了良好的效果。饒運章等[5]為改善礦山勞動強度、生產(chǎn)效率以及安全條件等，通過正交試驗分析抵抗線、孔排距、填塞長度3個因素的最優(yōu)解，從而降低了爆破大塊率，改善了爆破效果。李杰等[6]通過正交試驗定量分析孔距、抵抗線、超深、起爆位置對露天爆破作業(yè)經(jīng)濟成本的影響，以某路基工程爆破為實例進行驗證，最終確定了最優(yōu)方案。蘇靜等[7]利用正交試驗法分析了不同爆破參數(shù)下的大塊率、粉礦率的影響因素，最后取得了良好的效果。

在本次工程爆破中，為了降低爆破振動以及減弱對臨近建筑物的影響，采取正交試驗法對爆破參數(shù)進行優(yōu)化研究，找出最大單段藥量、排間延時、炮孔密集系數(shù)和起爆藥包位置的最佳組合。研究所取得的降低爆破振動大小的成果，對該工程后續(xù)的爆破振動控制具有參考作用。

1 地質(zhì)概況

工程區(qū)位于新華夏系構(gòu)造體系的穿山向斜、穿山斷裂和長沙背斜、呈村斷裂之間，主構(gòu)造方向為北東10°至30°，是本區(qū)占主導(dǎo)地位的構(gòu)造形跡，也是新華夏系體系中的第Ⅲ、Ⅳ序的第一級構(gòu)造，壩址區(qū)發(fā)育了一組相互平行的擠壓斷層帶，呈北東和北西方向雁行排列，伴生一組北西向發(fā)育的扭裂帶，形成“多”字型扭動構(gòu)造的格局。壩址巖層產(chǎn)狀走向基本平行壩軸線，約北東20°至40°，傾向北西或南東，傾角變化大。

根據(jù)地質(zhì)測繪、鉆孔巖芯及鉆孔電視錄像顯示，船閘區(qū)節(jié)理裂隙主要發(fā)育4組：①北西290°/南西或北東∠30°至60°，延伸3～5 m，渲染泥質(zhì)薄膜，局部有炭質(zhì)，方解石脈等物質(zhì)充填，與船閘區(qū)層間褶皺發(fā)育形成張性裂隙發(fā)育有關(guān)；②北西325°/北東或南西∠60°，傾角以陡傾為主，裂面多閉合或微張，局部有炭質(zhì)，方解石脈等物質(zhì)充填；③北東60°/南東∠15°至45°，延伸短小，一般小于3 m，閉合或微張，起伏粗糙為主；④節(jié)理為順層節(jié)理，現(xiàn)場測繪未統(tǒng)計，但前期壩址勘察時統(tǒng)計為走向北東5°至15°，傾向北西或南東，傾角較陡，一般均大于45°，裂隙多閉合，較平直，無充填，延伸長度大多在5 m以內(nèi)，少數(shù)達十余米。

2 影響爆破振動大小的因素

影響爆破振動大小的因素有很多，根據(jù)汪旭光編著的《爆破設(shè)計與施工》[1]以及一些學者和施工人員的研究、現(xiàn)場結(jié)論，有以下幾個因素。

1)孔距、排距。合理的孔、排距，能夠保證炸藥能量不會集中在一處釋放，使炸藥均勻的將能量釋放在被爆巖體中，從而避免集中瞬時爆炸產(chǎn)生巨大的振動。一般工程要求炮孔密集系數(shù)大于1。

2)最大單段藥量。爆破振動大小的主要影響因素之一是單段最大起爆藥量。李斌等[8]通過灰色關(guān)聯(lián)分析法得出最大單段藥量是影響淺埋隧道穩(wěn)定性的首要因素。一次爆破振動的峰值大小往往取決于單段最大藥量，近幾年興起的毫秒延時爆破就是嚴格控制了單段的最大藥量，將一次起爆藥量分為間隔幾十毫秒的多段起爆藥量，減少了單段的最大藥量，從而減小了爆破振動效應(yīng)。

3)延時時間間隔。多段毫秒延時起爆在段與段之間存在起爆時間間隔，目的是為了讓先爆炮孔與后爆炮孔所產(chǎn)生的振動波的峰值錯開而不能疊加，進而使得部分振動波能量發(fā)生干涉從而抵消，達到削弱爆破振動能量的目的。我國的一些爆破工程實踐表明：采用多段毫秒延時起爆相比齊發(fā)爆破起爆的平均減振率達到了50%。

延時時間除了孔間延時，還有排間延時。在相同總爆破藥量和傳播介質(zhì)條件下，排間延時越大，爆破振動峰值越小，但是減振效率并不是隨著排間延時的增大而增加，一般延時時間大于2 s后，爆破振動峰值速度降低得不明顯，相反爆破效果還會受到影響。

4)起爆藥包位置。雖然起爆藥包位置對于爆破振動的影響在國內(nèi)研究不算太多，但結(jié)合龔敏等[9]對延長藥包不同位置的起爆力場研究以及張丹[10]在起爆藥包空間分布對爆破地震強度分布的特征研究，以及現(xiàn)場施工經(jīng)驗可知，起爆藥包位置的不同，也會影響到爆破振動峰值的大小。

3 爆破參數(shù)正交試驗

3.1 因素選擇

結(jié)合廣西某水電站航道5～6 m深孔爆破實際情況，且保證試驗的公平性，4個因素選擇為最大單段藥量、排間延時、炮孔密集系數(shù)、起爆藥包位置。因現(xiàn)場周邊環(huán)境復(fù)雜，該工程每日爆破任務(wù)規(guī)定了最大單段起爆藥量不超過33 kg，且為了取得較好的爆破效果，不能低于15 kg。排間延時水平取值根據(jù)張勤彬[11]的研究成果，通過大量數(shù)據(jù)分析，提出了排間延時時間間隔為0、0.5、1、1.5 s，以減小爆破峰值大小。炮孔密集系數(shù)根據(jù)文獻[1]的理論與該工程的實際情況，選取了0.85、1、1.15以及1.3。起爆位置取值依次從孔口至孔底，均分整個炮孔，每段長1/3，避免因長度不均而引起誤差。選取離爆破施工現(xiàn)場最近的民房為中心點，在距離該民房100～110 m范圍內(nèi)，且試驗現(xiàn)場土地介質(zhì)系數(shù)大致相同、同一高程的情況下進行正交爆破試驗。最大單段藥量單位為kg，正交代號為A,；排間延時單位為s，正交代號為B；炮孔密集系數(shù)正交代號為C，無單位；起爆藥包位置用起爆藥包距孔底的距離與整個炮孔長度的比例(孔底為0，孔頂為1)表示，正交代號為D。為了讓數(shù)據(jù)有充分的科學代表性，4個因素均取4個水平(見表1)。

表1 各爆破參數(shù)正交試驗因素水平

3.2 考核指標

一般深孔爆破會產(chǎn)生爆破飛石、爆破有害氣體和爆破振動等危害，在本工程中，由于爆破現(xiàn)場距最近民房的距離過近，爆破振動是最主要的爆破危害，由反向起爆引起的爆破飛石因炮孔上方有覆蓋物防護，故不考慮其影響。所以試驗采用爆破振動速度峰值大小作為考核指標。爆破振動測試采用中科測控TC-4850爆破振動測試儀，測點布置安裝在中心點民房地基上，具體儀器及現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 儀器及現(xiàn)場情況Fig.1 Instrument and site situation

3.3 試驗方案設(shè)計及試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計原理可以最大限度的減少試驗次數(shù)，并且可以考慮盡可能多的因素，從而找到最佳的試驗參數(shù)方案。因此，本次試驗考察4種因素對爆破振動大小的影響效果，每種因素取4個水平，因為不進行重復(fù)實驗，故加入一列空白列作為誤差項，代號為E，適宜選用L16(45)正交表[12]進行試驗。

現(xiàn)場利用電子數(shù)碼雷管進行網(wǎng)路連接，因電子數(shù)碼雷管具有延時精度高，分段準確等特點，故有利于減少有關(guān)試驗誤差，按照此方案利用TC-4850爆破振動測試儀監(jiān)測、采集各水平指標的振動大小，正交試驗設(shè)計如表2所示。

表2 各爆破參數(shù)正交試驗設(shè)計

3.4 試驗結(jié)果分析

1)極差分析。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)進行極差分析。對各因素水平計算得到其總和K1、K2、K3、K4及其均值k1、k2、k3、k4。之后再計算極差R，計算結(jié)果如表3所示。

表3 極差分析

正交試驗中，因素的極差值越大，表明其對試驗的影響程度越高，反之則越低。從表3可知，最大單段藥量對試驗結(jié)果影響最大，其次是排間延時大小，接著為起爆藥包位置，相對于該工程的其他影響因素，炮孔密集系數(shù)的影響最小。

2)顯著性方差分析。對爆破試驗所得的爆破振動數(shù)據(jù)進行方差分析，得到顯著性檢驗方差分析數(shù)據(jù)(見表4)。

表4 爆破振動顯著性檢驗方差分析

注：*為顯著，-為不顯著,/為無此項，F(xiàn)為離差均方與誤差均方的比值。

在極差分析中，極差值越大，表明因素對試驗結(jié)果影響越大，顯著性方差分析中，當F比值遠遠大于F臨界值，則認為因素對試驗結(jié)果影響越大。從表3～表4可知，影響因素最大的是最大單段藥量，第二為排間延時，第三為起爆藥包位置，炮孔密集系數(shù)F比值沒有超過F臨界值，且極差值也最小，故為不重要的影響因素。

4 爆破最優(yōu)參數(shù)選擇及效果

4.1 最優(yōu)參數(shù)選擇

根據(jù)極差分析表，將每個因素的振動速度均值作為縱坐標，各因素水平作為橫坐標，繪制因素-指標直方圖(見圖2)。

注：橫坐標為各因素水平及其正交試驗設(shè)計值。圖2 因素-指標Fig.2 Factor-indicator

從圖2可以看出，要想降低爆破振動峰值速度大小，則應(yīng)取最優(yōu)的爆破參數(shù)，即：最大單段藥量為15 kg，排間延時為1.5 s，炮孔密集系數(shù)為0.85，起爆藥包位置為孔底。在保證施工進度的前提下，最大單段藥量越小越好。

4.2 效果分析

為了驗證正交試驗法得到的最優(yōu)的爆破參數(shù)，在距離爆源中心110 m的另一座民房地基上進行了數(shù)據(jù)采集，結(jié)果是相比于優(yōu)化前，爆破振動峰值得到了明顯的降低和控制。具體優(yōu)化前后的爆破參數(shù)及振動峰值數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 優(yōu)化前后爆破參數(shù)與振速對比

優(yōu)化前爆破振動大小與優(yōu)化后爆破振動大小的差值比上優(yōu)化前爆破振動大小稱為降低率[13]，具體降振率公式為

(1)

所以本次優(yōu)化前后降振率為

通過降振率可知，優(yōu)化后的爆破振動相對于優(yōu)化前的爆破振動減小了25.87%，降振效果較為明顯，取得了良好的試驗效果。

但是隨著后期觀察爆破效果時發(fā)現(xiàn)，排間延時時間為1.5 s的爆破大塊率較高，增加了后期破碎巖石的成本，而排間延時時間為1.0 s時爆破效果較好，成本得到控制。故將上述最優(yōu)爆破參數(shù)中的排間延時時間改為1.0 s進行爆破振動數(shù)據(jù)采集，即最大單段藥量為15 kg，排間延時為1.0 s，炮孔密集系數(shù)為0.85，起爆藥包位置為孔底的爆破參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，爆破振動為5.216 mm/s，減振率為23.10%，相比于排間延時時間為1.5 s的減振率小2.77%。

5 結(jié)語

1)利用正交試驗法進行爆破參數(shù)優(yōu)化，能有效地減少試驗次數(shù)，減少工作量，縮短試驗周期，還能保證數(shù)據(jù)的均衡性，并能得出較優(yōu)的爆破參數(shù)。

2)正交試驗設(shè)計表增加空白列，能排除試驗結(jié)果是因為誤差而引起的可能，使試驗結(jié)果更加科學合理，可靠度更高。

3)極差分析法僅僅只是從直觀角度判斷因素的影響程度大小，運用顯著性方差分析能夠更加科學的判斷因素是否對試驗有顯著性影響。

4)考慮爆破振動波的干涉疊加效應(yīng)，采用1.5 s大段間延時時間所產(chǎn)生爆破振動效應(yīng)最小，降振率為25.87 %，但此時爆破效果較差。而選用排間延時為1.0 s，其他爆破參數(shù)不變的情況下，減振率為23.10%，減振率僅比排間延時為1.5 s時的減振率小2.77 %。結(jié)合爆破效果和成本控制來看，1.0 s大段間延期時間所產(chǎn)生的爆破振動效應(yīng)及爆破效果均能滿足要求，故取1.0 s為大段間延時時間。

5)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，結(jié)合爆破效果和成本，爆破參數(shù)最后選取為：最大單段藥量15 kg，排間延時為1.0 s，炮孔密集系數(shù)為0.85，起爆藥包位置為孔底起爆。