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[摘要]在爆破荷载作用下，不同地质构造岩体边坡失稳模式存在较大差异，现有安全阀值研究尚不具有普遍性意义；依托黄衢高速公路边坡爆破工程实践，提出针对不同类型岩石边坡光面爆破安全控制标准，对山区高速公路边坡光面爆破安全监测具有指导意义。
[关键词] 山区高速公路光面爆破安全监测技术
随着我国交通建设的飞速发展，对公路边坡施工要求越来越严格，边坡施工中如果爆破控制不当，不单对所爆破的边坡工程稳定性有较大的影响，对周围环境也会产生有害效应，一般的爆破危害包括：爆破震动、爆破飞石、爆破有害气体、爆破噪声等。近年来，光面爆破技术在山区高速公路边坡施工中得到了越来越广泛的应用。对于爆破安全的控制，目前由于未针对不同的地质构造进行分类和区分，现有的安全阈值研究尚不具有普遍性意义。事实上，在爆破荷载作用下，不同地质构造岩体边坡的失稳模式存在较大差异，边坡的安全阈值也应该有所不同。本文依托黄衢高速公路边坡爆破工程实践经验，总结出针对不同类型的岩石边坡的光面爆破安全控制标准。
1边坡光面爆破的监测
1.1 监测的主要内容和方法
(1)爆破时的地表质点振动速度和坡体内质点振动速度的实时监测
以质点振动速度监测为主，在分析监测成果的基础上，提出爆破安全控制标准，回归出爆破震动衰减规律，随着爆破开挖高程的降低，对爆破安全控制标准和爆破震动衰减规律进行修正。
(2)爆破前后的声波对比测试
声波在岩体中的传播速度取决于岩体的密度、弹性模型、风化程度以及结构面发育程度等地质条件，通过波速测试可得到岩体质量的相关信息。
(3)边坡的静态变形观测
对爆破振动试验区或附件的静态预埋观测仪器（主要是采用多点位移计），进行爆破前后对比读数，该数值变化一方面可评价爆破震动造成的影响程度，同时也将其与岩体开挖卸载后引起的变形及应力变化作比较，对比分析爆破与岩体开挖卸载影响的大小及关系。
(4)爆破前后的对比宏观调查和巡视检查
除依靠目视、耳听、手摸外，还应携带一些简单工具，如钢尺、地质锤、放大镜、石芯试纸、照相机等进行宏观调查。目的是研究对边坡的保护和减振情况，以确定爆破安全控制标准，研究和掌握不同爆破条件、地形和地质情况下爆破震动衰减规律，以确定施工中的爆破参数、装药结构及起爆方式和网络，以安全监测的反馈分析为主，及时调整爆破参数和施工工艺，确保施工质量和边坡的安全。
针对黄衢高速公路边坡爆破情况，主要采用了边坡爆破质点监测和爆破前后对比调查两种手段。
1.2 监测仪器与传感器选择
爆破振动测量系统主要由振动传感器，振动记录仪。电脑和输出设备四部分组成。目前爆破振动记录仪类型很多，其中具有代表性的爆破振动测试仪器有MNI-SEISⅡ型小型数字式爆破地震仪、DSVM系列爆破振动测试仪、INV303/306型智能信号采集处理分析系统、Strata Visor NZ地震仪、TOPBOX爆破自记仪等。经过对比这几类爆破振动测试仪器，该项目最终采用了TOPBOX爆破记录仪进行采集和处理数据，如图1所示。
传感器采用的是由四川托普测控技术有限公司生产的水平检波器PSH-4.5B和垂直检波器PS-4.5B接受振动波形，其灵敏度为28mv/mm/s，如图2所示。
爆破振动信号具有持续时间短、突变快等特点，属于非平稳信号，其分析技术（包括相应的分析仪器）的发展主要依靠信号分析数学方法的进步以及研究者对爆破振动信号认识的深刻程度。目前所采取的分析方法主要为傅立叶变换和小波分析法。
本项目采用动态测试采集分析软件CRAS进行分析处理震动信号。CRAS软件系统界面如图3所示。
1.3 监测测点布置
监测测点的布置方法主要分两种：
(1)固定布点法
将测点事前固定布置在边坡最不稳定地带或临近爆区的重要工业设施、民居附近，观测各个部位的爆破地震波对附近边坡和工业设施、民居的直接影响程度和影响范围，这种布点法观测方便，缺点是难以获得爆破地震波前冲、后冲及侧向震动强度的对比资料。
(2)移动布点法
在每次爆破的前方、后方和侧方方向布置观测点，或者根据特殊要求布置观测点，以求出爆破地震波的衰减规律。
本次测试采用移动布点法，在边坡垂直爆区方向布置测试线。测点布置示意图如图4所示。
应注意：
(1)为了深入研究爆破对边坡体不同部位的震动效应，在受影响的坡脚和坡顶处分别布置测点。
(2)爆心距的选取应使各测点的比尺距之间有一定的差距。在测试现场可能的条件下，第一测点要尽量靠近爆心，最后一个测点可根据爆破震动对建筑物的破坏程度适当选取。
(3)为了深入研究爆破对建筑物的地震效应和确定安全区域，在地震效应较大的范围内，测点应适当加密。
传感器的安装比较简单，在安放时，须将测点出的比较松散的岩土体去掉，然后用石膏把传感器牢靠固定在坡体上。
2 不同类型岩石边坡控制爆破振速安全值评价和安全允许距离
2.1 爆破振速安全值评价
通常采用介质质点的振动速度最大值或加速度最大值与药量和距离的关系，目前国内普遍应用苏联学者萨道夫总结的经验公式，即：
式中：V——质点最大振速，cm/s；
Q——最大段药量，kg
R——爆心距，m
K、α——场地影响系数，其数值经回归求得。（α=0.5～2.8之间，平均1.51，最大/最小=5.6，K=9-630之间，平均175，最大/最小=70。）
在实际应用中，工程类比选取K、α带有主观性，易造成较大误差，宜在爆破现场进行爆破试验，然后整理观测数据，用回归分析的方法整理得到K、α。下面根据典型监测结果来示例黄衢段高速公路不同类型岩石边坡的爆破振动速度的测试和分析。
(1)B5标段
爆破台阶处于ZK33+307路段边坡第三个台阶的外侧，该台阶海拔高程为230-238m，边坡局部有大块的凸起。岩体主要为强风化严重的钙质泥岩和碳质泥岩。岩层节理发育，主要为横向急倾斜节理。
根据现场的地表状况，选取了三个测点进行地震效应振动测试。对每个测点进行测试质点的水平振动速度和垂直振动速度。其测点的布置如图5所示。测点的振动测试结果见图6。
从各测点测试数据来看，主爆引起的地震效应比光面爆破引起的地震效应要大，主爆引起的测点最大垂直振速为第一个测点的垂直振速，为15.637cm/s，最大水平振速也达到13cm/s以上。而光面爆破引起的质点振速一般小于5cm/s。
当地震波沿岩层传播时，地震效应与该岩层的岩性和岩体结构有关。该区域岩层构造较复杂，节理很发育，并且有黄土夹层。反映在地震波上是：能量衰减大，衰减时间短。爆破震动传播规律为：
水平速度传播规律
对比公式（2）（3），震动波的能量在垂直方向上衰减速度和质点振动强度比水平方向上都大。
(2)B3标段
该标段主要为上墅组下端，岩性为浅灰色片理化流纹质晶屑玻屑凝灰岩，晶屑熔泥灰岩、灰绿色变质安玄言、安山岩、辉绿岩等。根据现场的地表状况，选取四个测点进行地震效应振动测试。对每个测点进行测试质点的水平振动速度和垂直振动速度。其测点的布置如图7所示。测点的振动测试结果见图8。
爆破震动传播规律為：
水平速度传播规律
垂直速度传播规律
对比公式（4）（5），震动波的能量在垂直方向上衰减速度比水平方向上都大，但质点振动强度比水平方向上小。
参照相关规范，根据多次现场爆破效果和质点振速的监测，针对黄衢高速公路边坡的爆破安全允许标准，以爆区上一个坡脚处的最大振动速度，作为爆破振动安全控制的衡量指标，提出了适合本工程的高边坡爆破安全控制标准，其峰值振动速度和主振频率，安全允许标准如表1。
表1 爆破振动安全允许标准
2.2 爆破安全允许距离
在确定爆破安全允许距离时，首先考虑爆炸源与人员和其他保护对象之间的安全允许距离，应按爆破各种有害效应（地震波、冲击波等）分别核定，并取最大值。
爆破振动安全允许距离，可按式（6）计算。
式中 —爆破振动安全允许距离，单位为米（m）；
Q—炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，单位为千克（kg）；
V—保护对象所在地质点振动安全允许速度，单位为厘米每秒（cm/s）；
—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，可按表2选取，或通过现场试验确定。
表2 爆区不同岩性的 值
群药包爆破，各药包 至保护目标的距离差值超过平均距离的10%时，用等效距离 和等效等药量 分别代替 和 值。 和 的计算采用加权平均值法。
对于条形药包，可将条形药包以1～1.5倍最小抵抗线长度分为多个集中药包，参照群药包爆破时的方法计算其等效距离和等效药量。
光面爆破时，飞散物对人员的安全距离应按爆破设计确定，但不应小于200m。沿山坡爆破时，下坡方向的飞石安全允许距离应增大50%。
3结语
黄衢高速公路沿线地质条件复杂，岩性差异大，局部受构造影响强烈、褶曲发育，岩体破碎，该工程基本涵盖了浙江山区公路边坡的特点。根据多次现场爆破效果和质点振速的监测，针对黄衢高速公路边坡的爆破安全允许标准，以爆区上一个坡脚处的最大振动速度，作为爆破振动安全控制的衡量指标，提出了适合本工程的高边坡爆破安全控制标准，以及不同边坡类型的峰值振动速度和主振频率。给出了不同硬度岩石的爆破安全距离的计算经验公式。该工程光爆实践经验对浙江山区高速公路边坡光面爆破安全监测具有很好的指导意义。
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[关键词] 山区高速公路光面爆破安全监测技术
随着我国交通建设的飞速发展，对公路边坡施工要求越来越严格，边坡施工中如果爆破控制不当，不单对所爆破的边坡工程稳定性有较大的影响，对周围环境也会产生有害效应，一般的爆破危害包括：爆破震动、爆破飞石、爆破有害气体、爆破噪声等。近年来，光面爆破技术在山区高速公路边坡施工中得到了越来越广泛的应用。对于爆破安全的控制，目前由于未针对不同的地质构造进行分类和区分，现有的安全阈值研究尚不具有普遍性意义。事实上，在爆破荷载作用下，不同地质构造岩体边坡的失稳模式存在较大差异，边坡的安全阈值也应该有所不同。本文依托黄衢高速公路边坡爆破工程实践经验，总结出针对不同类型的岩石边坡的光面爆破安全控制标准。
1边坡光面爆破的监测
1.1 监测的主要内容和方法
(1)爆破时的地表质点振动速度和坡体内质点振动速度的实时监测
以质点振动速度监测为主，在分析监测成果的基础上，提出爆破安全控制标准，回归出爆破震动衰减规律，随着爆破开挖高程的降低，对爆破安全控制标准和爆破震动衰减规律进行修正。
(2)爆破前后的声波对比测试
声波在岩体中的传播速度取决于岩体的密度、弹性模型、风化程度以及结构面发育程度等地质条件，通过波速测试可得到岩体质量的相关信息。
(3)边坡的静态变形观测
对爆破振动试验区或附件的静态预埋观测仪器（主要是采用多点位移计），进行爆破前后对比读数，该数值变化一方面可评价爆破震动造成的影响程度，同时也将其与岩体开挖卸载后引起的变形及应力变化作比较，对比分析爆破与岩体开挖卸载影响的大小及关系。
(4)爆破前后的对比宏观调查和巡视检查
除依靠目视、耳听、手摸外，还应携带一些简单工具，如钢尺、地质锤、放大镜、石芯试纸、照相机等进行宏观调查。目的是研究对边坡的保护和减振情况，以确定爆破安全控制标准，研究和掌握不同爆破条件、地形和地质情况下爆破震动衰减规律，以确定施工中的爆破参数、装药结构及起爆方式和网络，以安全监测的反馈分析为主，及时调整爆破参数和施工工艺，确保施工质量和边坡的安全。
针对黄衢高速公路边坡爆破情况，主要采用了边坡爆破质点监测和爆破前后对比调查两种手段。
1.2 监测仪器与传感器选择
爆破振动测量系统主要由振动传感器，振动记录仪。电脑和输出设备四部分组成。目前爆破振动记录仪类型很多，其中具有代表性的爆破振动测试仪器有MNI-SEISⅡ型小型数字式爆破地震仪、DSVM系列爆破振动测试仪、INV303/306型智能信号采集处理分析系统、Strata Visor NZ地震仪、TOPBOX爆破自记仪等。经过对比这几类爆破振动测试仪器，该项目最终采用了TOPBOX爆破记录仪进行采集和处理数据，如图1所示。
传感器采用的是由四川托普测控技术有限公司生产的水平检波器PSH-4.5B和垂直检波器PS-4.5B接受振动波形，其灵敏度为28mv/mm/s，如图2所示。
爆破振动信号具有持续时间短、突变快等特点，属于非平稳信号，其分析技术（包括相应的分析仪器）的发展主要依靠信号分析数学方法的进步以及研究者对爆破振动信号认识的深刻程度。目前所采取的分析方法主要为傅立叶变换和小波分析法。
本项目采用动态测试采集分析软件CRAS进行分析处理震动信号。CRAS软件系统界面如图3所示。
1.3 监测测点布置
监测测点的布置方法主要分两种：
(1)固定布点法
将测点事前固定布置在边坡最不稳定地带或临近爆区的重要工业设施、民居附近，观测各个部位的爆破地震波对附近边坡和工业设施、民居的直接影响程度和影响范围，这种布点法观测方便，缺点是难以获得爆破地震波前冲、后冲及侧向震动强度的对比资料。
(2)移动布点法
在每次爆破的前方、后方和侧方方向布置观测点，或者根据特殊要求布置观测点，以求出爆破地震波的衰减规律。
本次测试采用移动布点法，在边坡垂直爆区方向布置测试线。测点布置示意图如图4所示。
应注意：
(1)为了深入研究爆破对边坡体不同部位的震动效应，在受影响的坡脚和坡顶处分别布置测点。
(2)爆心距的选取应使各测点的比尺距之间有一定的差距。在测试现场可能的条件下，第一测点要尽量靠近爆心，最后一个测点可根据爆破震动对建筑物的破坏程度适当选取。
(3)为了深入研究爆破对建筑物的地震效应和确定安全区域，在地震效应较大的范围内，测点应适当加密。
传感器的安装比较简单，在安放时，须将测点出的比较松散的岩土体去掉，然后用石膏把传感器牢靠固定在坡体上。
2 不同类型岩石边坡控制爆破振速安全值评价和安全允许距离
2.1 爆破振速安全值评价
通常采用介质质点的振动速度最大值或加速度最大值与药量和距离的关系，目前国内普遍应用苏联学者萨道夫总结的经验公式，即：
式中：V——质点最大振速，cm/s；
Q——最大段药量，kg
R——爆心距，m
K、α——场地影响系数，其数值经回归求得。（α=0.5～2.8之间，平均1.51，最大/最小=5.6，K=9-630之间，平均175，最大/最小=70。）
在实际应用中，工程类比选取K、α带有主观性，易造成较大误差，宜在爆破现场进行爆破试验，然后整理观测数据，用回归分析的方法整理得到K、α。下面根据典型监测结果来示例黄衢段高速公路不同类型岩石边坡的爆破振动速度的测试和分析。
(1)B5标段
爆破台阶处于ZK33+307路段边坡第三个台阶的外侧，该台阶海拔高程为230-238m，边坡局部有大块的凸起。岩体主要为强风化严重的钙质泥岩和碳质泥岩。岩层节理发育，主要为横向急倾斜节理。
根据现场的地表状况，选取了三个测点进行地震效应振动测试。对每个测点进行测试质点的水平振动速度和垂直振动速度。其测点的布置如图5所示。测点的振动测试结果见图6。
从各测点测试数据来看，主爆引起的地震效应比光面爆破引起的地震效应要大，主爆引起的测点最大垂直振速为第一个测点的垂直振速，为15.637cm/s，最大水平振速也达到13cm/s以上。而光面爆破引起的质点振速一般小于5cm/s。
当地震波沿岩层传播时，地震效应与该岩层的岩性和岩体结构有关。该区域岩层构造较复杂，节理很发育，并且有黄土夹层。反映在地震波上是：能量衰减大，衰减时间短。爆破震动传播规律为：
水平速度传播规律
对比公式（2）（3），震动波的能量在垂直方向上衰减速度和质点振动强度比水平方向上都大。
(2)B3标段
该标段主要为上墅组下端，岩性为浅灰色片理化流纹质晶屑玻屑凝灰岩，晶屑熔泥灰岩、灰绿色变质安玄言、安山岩、辉绿岩等。根据现场的地表状况，选取四个测点进行地震效应振动测试。对每个测点进行测试质点的水平振动速度和垂直振动速度。其测点的布置如图7所示。测点的振动测试结果见图8。
爆破震动传播规律為：
水平速度传播规律
垂直速度传播规律
对比公式（4）（5），震动波的能量在垂直方向上衰减速度比水平方向上都大，但质点振动强度比水平方向上小。
参照相关规范，根据多次现场爆破效果和质点振速的监测，针对黄衢高速公路边坡的爆破安全允许标准，以爆区上一个坡脚处的最大振动速度，作为爆破振动安全控制的衡量指标，提出了适合本工程的高边坡爆破安全控制标准，其峰值振动速度和主振频率，安全允许标准如表1。
表1 爆破振动安全允许标准
2.2 爆破安全允许距离
在确定爆破安全允许距离时，首先考虑爆炸源与人员和其他保护对象之间的安全允许距离，应按爆破各种有害效应（地震波、冲击波等）分别核定，并取最大值。
爆破振动安全允许距离，可按式（6）计算。
式中 —爆破振动安全允许距离，单位为米（m）；
Q—炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，单位为千克（kg）；
V—保护对象所在地质点振动安全允许速度，单位为厘米每秒（cm/s）；
—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，可按表2选取，或通过现场试验确定。
表2 爆区不同岩性的 值
群药包爆破，各药包 至保护目标的距离差值超过平均距离的10%时，用等效距离 和等效等药量 分别代替 和 值。 和 的计算采用加权平均值法。
对于条形药包，可将条形药包以1～1.5倍最小抵抗线长度分为多个集中药包，参照群药包爆破时的方法计算其等效距离和等效药量。
光面爆破时，飞散物对人员的安全距离应按爆破设计确定，但不应小于200m。沿山坡爆破时，下坡方向的飞石安全允许距离应增大50%。
3结语
黄衢高速公路沿线地质条件复杂，岩性差异大，局部受构造影响强烈、褶曲发育，岩体破碎，该工程基本涵盖了浙江山区公路边坡的特点。根据多次现场爆破效果和质点振速的监测，针对黄衢高速公路边坡的爆破安全允许标准，以爆区上一个坡脚处的最大振动速度，作为爆破振动安全控制的衡量指标，提出了适合本工程的高边坡爆破安全控制标准，以及不同边坡类型的峰值振动速度和主振频率。给出了不同硬度岩石的爆破安全距离的计算经验公式。该工程光爆实践经验对浙江山区高速公路边坡光面爆破安全监测具有很好的指导意义。
注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看