王 燕，孫偉博，佟彥軍

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；3.北方特種能源集團(tuán)有限公司，西安 710061)

工程爆破在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，同時(shí)爆破對(duì)建筑物和周圍環(huán)境也造成的一定的影響[1]。由爆破引起的爆破振動(dòng)、爆破空氣沖擊波、噪音、爆破飛石和有毒氣體是工程爆破的5大危害，其中，爆破振動(dòng)是危害之首[2-3]。為此，國(guó)內(nèi)外對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究[4-7]，并通過(guò)制定爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)的方式規(guī)范工程爆破施工，以期控制爆破振動(dòng)對(duì)建筑物和周圍環(huán)境的影響。由于爆破振動(dòng)問(wèn)題的復(fù)雜性，世界各國(guó)針對(duì)不同的振動(dòng)源和保護(hù)對(duì)象都有著不同的標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國(guó)工程項(xiàng)目的全球化，在美洲、非洲、歐洲等地區(qū)有越來(lái)越多中國(guó)企業(yè)開展爆破工程。了解各地區(qū)爆破振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，對(duì)于企業(yè)在爆破作業(yè)期間控制爆破振動(dòng)，保護(hù)環(huán)境有著重要的意義。歐洲40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)基本都有自己的爆破振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，相同區(qū)域國(guó)家的爆破標(biāo)準(zhǔn)比較接近，筆者有代表性的分別從南歐、西歐和北歐選取德國(guó)建筑物振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)DIN 4150、西班牙爆破振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)UNE 22381、瑞典爆破振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)SS 4604866，并結(jié)合我國(guó)爆破安全規(guī)程GB 6722-2014中對(duì)爆破振動(dòng)方面的規(guī)定，從保護(hù)對(duì)象、安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度確定方法3個(gè)方面探討標(biāo)準(zhǔn)之間的異同點(diǎn)。

1 保護(hù)對(duì)象

西班牙UNE 22381標(biāo)準(zhǔn)[8]中保護(hù)對(duì)象分為3類，第1類：工業(yè)建筑及倉(cāng)庫(kù)；第2類：住宅樓、辦公、購(gòu)物和娛樂(lè)等建筑物以及對(duì)振動(dòng)沒(méi)有特別敏感的古跡；第3類：對(duì)振動(dòng)敏感的古跡。德國(guó)DIN 4150標(biāo)準(zhǔn)[9]中保護(hù)對(duì)象分了3類。第1類：商業(yè)、工業(yè)及類似建筑物；第2類：住宅類建筑物；第3類：其他對(duì)振動(dòng)敏感的建筑物。同時(shí)對(duì)管道的振動(dòng)也按材質(zhì)不同分了3類進(jìn)行了限定，第1類：鋼管及焊接鋼管；第2類：黏土，混凝土，鋼筋混凝土，預(yù)應(yīng)力混凝土，其他金屬管；第3類：石材，塑料管。瑞典SS 4604866標(biāo)準(zhǔn)[10]中保護(hù)對(duì)象分為5類。第1類：重型結(jié)構(gòu)，例如橋梁，碼頭，防御設(shè)施等；第2類：預(yù)制構(gòu)件的工業(yè)和辦公樓；第3類：普通住宅；第4類：特別敏感的普通建筑物、高拱形建筑物或大跨度建筑物；第5類：特別敏感的歷史文化建筑物等。我國(guó)GB 6722-2014標(biāo)準(zhǔn)[11]中保護(hù)對(duì)象分為10類：包括土窯洞、土坯房、毛石房屋；一般民用建筑物；工業(yè)和商業(yè)建筑物；一般古建筑與古跡；運(yùn)行中的水電站及發(fā)電廠中心控制室設(shè)備；水工隧洞；交通隧道，礦山巷道；永久性巖石高邊坡和初凝至28 d的新澆大體積混凝土。從保護(hù)對(duì)象分類上來(lái)看，在建筑物方面我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)接近，在古跡方面，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與西班牙標(biāo)準(zhǔn)接近。不同之處在于德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管道做了單獨(dú)的分類，西班牙和瑞典標(biāo)準(zhǔn)對(duì)古跡進(jìn)行了分類，而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的范圍更廣泛。

2 安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

2.1 西班牙UNE 22381標(biāo)準(zhǔn)

西班牙UNE 22381爆破振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)安全允許質(zhì)點(diǎn)振速的要求如表1所示。

表1 安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度(UNE 22381)

當(dāng)振動(dòng)頻率為15～75 Hz時(shí)，按式(1)計(jì)算安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

v=2πfd

(1)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，mm/s；f為頻率，Hz；d為允許位移，mm。

同時(shí)，于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中建立與表1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)允許振動(dòng)速度與頻率關(guān)系(見圖1)。

圖1 安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與頻率關(guān)系(UNE 22381)

圖中不同頻率下質(zhì)點(diǎn)的安全允許振動(dòng)速度值具有唯一性。例如，頻率為20 Hz時(shí)第3類保護(hù)對(duì)象的質(zhì)點(diǎn)安全允許振動(dòng)速度為5.278 mm/s。

2.2 德國(guó)DIN 4150標(biāo)準(zhǔn)

德國(guó)DIN 4150振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)將振動(dòng)分為短期振動(dòng)和長(zhǎng)期振動(dòng)2種。短期振動(dòng)是指不足以引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞且不會(huì)產(chǎn)生共振的振動(dòng)信號(hào)。不屬于短期振動(dòng)范疇的即為長(zhǎng)期振動(dòng)。爆破振動(dòng)一般屬于短期振動(dòng)。DIN 4150標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)短期振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)安全允許振動(dòng)速度的要求如表2所示。

表2 安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度(DIN 4150)

對(duì)于超過(guò)100 Hz的振動(dòng)，取50～100 Hz一列對(duì)應(yīng)值作為最小振動(dòng)允許值。在DIN 4150標(biāo)準(zhǔn)中除了對(duì)建筑物的振動(dòng)上限做出了要求外，還對(duì)建筑物頂端的最大允許振動(dòng)速度進(jìn)行了要求，要求建筑物頂層外墻平面的振動(dòng)速度不超過(guò)表中的限定值。標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)給出了與表2對(duì)應(yīng)的關(guān)系(見圖2)。

圖2 安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度(DIN 4150)

對(duì)于管道，DIN 4150標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定1、2、3類的短時(shí)振動(dòng)速度上限分別為100、80、50 mm/s。對(duì)于長(zhǎng)期振動(dòng)，1、2、3類建筑物的振動(dòng)速度上限分別為10、5、2.5 mm/s；1、2、3類管道的振動(dòng)速度上限為短期振動(dòng)的50%。

2.3 瑞典SS 4604866標(biāo)準(zhǔn)

瑞典SS 4604866振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)是通過(guò)式(2)計(jì)算建筑物最大允許垂直振動(dòng)速度。以最大允許垂直振動(dòng)速度為標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)頻率。

v=v0FbFmFdFt

(2)

式中：v為最大允許垂直振動(dòng)速度；v0為未經(jīng)校正的允許垂直振動(dòng)速度，mm/s；Fb為建筑物系數(shù)；Fm為材料系數(shù)；Fd為距離系數(shù)；Ft為作業(yè)時(shí)間系數(shù)。

未經(jīng)校正的允許垂直振動(dòng)速度v0取值如表3所示，不同結(jié)構(gòu)的建筑物系數(shù)、材料系數(shù)分別如表4、表5所示。

表3 不同基礎(chǔ)上的未校正垂直振動(dòng)速度

表4 不同結(jié)構(gòu)的建筑物系數(shù)

表5 建筑物材料系數(shù)

距離系數(shù)通過(guò)公式計(jì)算得到，距離小于10 m時(shí)，F(xiàn)d=1.91·d-0.28；距離為10～350 m時(shí),對(duì)于不同基礎(chǔ)類型，分別為黏土Fd=1.56·d-0.19，砂質(zhì)Fd=1.91·d-0.29，石質(zhì)Fd=2.57·d-0.42；當(dāng)距離超過(guò)350 m時(shí)，黏土、砂質(zhì)和石質(zhì)對(duì)應(yīng)的距離系數(shù)分別為0.50、0.35和0.22。距離系數(shù)可以用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示(見圖3)。

圖3 未校正振動(dòng)速度與距離關(guān)系

作業(yè)時(shí)間系數(shù)有2個(gè)，對(duì)于隧道、地下空間工程、道路開挖、基礎(chǔ)工程和類似的建筑項(xiàng)目Ft=1.0；對(duì)于如采石場(chǎng)和礦山的固定設(shè)施Ft=0.25。

2.4 爆破安全規(guī)程GB 6722

我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014 )中雖然明確了爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)[11],但是沒(méi)有給出與之對(duì)應(yīng)的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與頻率關(guān)系曲線圖，因此不能夠確定在對(duì)應(yīng)頻率區(qū)間內(nèi)安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度是否和頻率成線性關(guān)系。如果假設(shè)安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與頻率成線性關(guān)系，且假設(shè)頻率上限為100 Hz時(shí)(標(biāo)準(zhǔn)中露天淺孔爆破和地下深孔爆破推薦的頻率上限為100 Hz)，根據(jù)我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)可以得到頻率與安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度關(guān)系如圖4所示。

圖4 安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與頻率關(guān)系

但是對(duì)于礦山巷道和永久性巖石高邊坡2種保護(hù)對(duì)象，第2段和第3段頻率區(qū)間(以50 Hz為界)有重疊部分，可能會(huì)出現(xiàn)高頻振動(dòng)安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度低于低頻振動(dòng)安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的現(xiàn)象。如對(duì)于礦山巷道，32 Hz的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度約為220 mm/s，55 Hz的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度僅為205 mm/s。如果假設(shè)頻率上限為300 Hz時(shí)(標(biāo)準(zhǔn)中地下淺孔爆破推薦的振動(dòng)上限為300 Hz)，第3段頻率區(qū)間(大于50 Hz)曲線的斜率比上限100 Hz的斜率要低，所以，在相同頻率下，不同頻率上限對(duì)應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)允許振動(dòng)速度不同。這一點(diǎn)與西班牙和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)有所不同。從參照標(biāo)準(zhǔn)控制爆破振動(dòng)的角度考慮，標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值應(yīng)該是準(zhǔn)確唯一的，這一方面我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)還有進(jìn)一步完善的空間。

對(duì)于一般民用、工業(yè)和商業(yè)建筑，德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)要求較高，西班牙標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)居中。

3 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度確定方法

3.1 西班牙UNE 22381標(biāo)準(zhǔn)

UNE 22381標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)圖例的方式說(shuō)明了爆破引起振動(dòng)的波形形態(tài)，振動(dòng)傳感器的測(cè)量方向，并規(guī)定可采用傅里葉變換(FFT)或信號(hào)響應(yīng)譜的方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理。采用信號(hào)響應(yīng)譜方法時(shí)，可用半周期方法確定頻率，即按照式(3)計(jì)算峰值頻率：

(3)

沒(méi)有規(guī)定采用FFT進(jìn)行信號(hào)分析時(shí)采用何種窗函數(shù)，僅在標(biāo)準(zhǔn)中給出了采用FFT和信號(hào)響應(yīng)譜方法處理信號(hào)的圖例。

標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)規(guī)定了振動(dòng)傳感器的固定方式(見圖5)。

圖5 振動(dòng)傳感器固定方式

加速度小于0.2g的振動(dòng)，用傳感器下方設(shè)置方形底座的方式固定傳感器；加速度大于0.2g的振動(dòng)，對(duì)于松軟的土地用長(zhǎng)探針固定傳感器，對(duì)于堅(jiān)硬的土地用銷釘固定傳感器。

3.2 德國(guó)DIN 4150標(biāo)準(zhǔn)

DIN 4150標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)附錄舉例的方式說(shuō)明了獲取振動(dòng)頻率的方法。首先確定峰值振動(dòng)速度位置，然后將峰值振動(dòng)速度附近乘以如式4所示的漢寧窗函數(shù)，最后對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到峰值頻率。

hw(t)=

(4)

3.3 瑞典SS 4604866標(biāo)準(zhǔn)

SS 4604866標(biāo)準(zhǔn)中給出了振動(dòng)傳感器的固定要求，盡量進(jìn)入建筑物內(nèi)部測(cè)量振動(dòng)，傳感器要盡量連接到建筑物的支撐部位。標(biāo)準(zhǔn)中還給出了振動(dòng)傳感器的性能要求，測(cè)量范圍1.0～250 mm/s，測(cè)量精度高于10 mm/s，80 Hz下誤差不超過(guò)5%等。

3.4 爆破安全規(guī)程GB 6722

《爆破安全規(guī)程》中沒(méi)有對(duì)振動(dòng)傳感器的安裝方法和爆破振動(dòng)信號(hào)的處理方法做出規(guī)定。但在中國(guó)爆破行業(yè)協(xié)會(huì)《爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)振動(dòng)傳感器的安裝及爆破振動(dòng)信號(hào)的處理進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定[12-13]?！侗普駝?dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中提出通過(guò)矩形窗的傅里葉變換確定質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，并給出了振動(dòng)傳感器的固定方法。

4 結(jié)語(yǔ)

1)西班牙、德國(guó)和瑞典振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)對(duì)象主要是針對(duì)爆破作業(yè)對(duì)外部一般建筑物等做出的規(guī)定，對(duì)于如礦山隧道、巖石邊坡等未做規(guī)定。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的保護(hù)對(duì)象范圍更加廣泛。

2)西班牙和德國(guó)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中不同類別的安全允許振動(dòng)速度在不同頻率下取值是唯一的，便于比較、判別振動(dòng)速度是否超過(guò)安全允許振動(dòng)速度。瑞典振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)雖然沒(méi)有考慮頻率，但不同情況下安全允許振動(dòng)速度取值也是唯一的。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中只標(biāo)明了安全允許振動(dòng)速度的范圍，但沒(méi)有明確振動(dòng)頻率與振動(dòng)速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，這會(huì)導(dǎo)致相同振動(dòng)頻率、振動(dòng)速度條件下可能會(huì)做出符合或不符合安全允許振動(dòng)速度兩種不同的判別，這一點(diǎn)上我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)該進(jìn)一步完善。

3)西班牙和德國(guó)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)都提出了質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度確定方法，德國(guó)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)給出了窗函數(shù)的形式，西班牙振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)給出了振動(dòng)傳感器的安裝方法。瑞典標(biāo)準(zhǔn)給出了傳感器的性能要求。我國(guó)《爆破安全規(guī)程》中雖然沒(méi)有提出質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度確定方法，但在最近頒布的《爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中提出了相應(yīng)的確定方法和傳感器固定方法，這對(duì)《爆破安全規(guī)程》是一個(gè)很好的補(bǔ)充。