复杂爆破作业环境下的加速度功率谱密度分析

闫鸿浩， 浑长宏， 李晓杰， 赵铁军

(大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116024)

复杂爆破作业环境下的加速度功率谱密度分析

闫鸿浩， 浑长宏， 李晓杰， 赵铁军

(大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116024)

为了分析爆破振动对精密仪器的影响，以Intel集团场平爆破振动为案例，结合Intel公司提供的加速度功率谱密度要求标准和大连地区的爆破振动规律，设计了试验方案。对现场监测数据分析发现，原定控制点位置，无论深、浅孔爆破，在设计起爆网络下，振动速度均不大于0.02 cm/s，且加速度谱密度值均小于给定标准。这种加速度谱密度的控制方法不仅能降低爆破施工的经济成本，同时也为复杂作业环境下爆破振动的安全评价提供可靠依据。

加速度；功率谱密度；复杂环境；爆破振动；精密设备

随着国民经济建设的迅猛发展，爆破技术越来越多的应用于水利水电、矿山、交通、隧道和城建等工程领域。大规模频繁的爆破作业带来了一系列严重的问题，爆破振动危害一直是爆破安全技术的重大研究课题。目前关于爆破振动衰减规律的研究仍然是以质点振动速度峰值为主，各位学者也提出了很多方法对速度峰值进行了预测[1]，但是面对爆破测量技术研究的不断深入，以单一质点振动速度作为判断爆破振动强度的唯一指标出现很多不妥之处。最新出版的《爆破安全规程》(GB 6722—2014)在加速度控制方面做出了界定：核电站及受地震惯性力控制的精密仪器、仪表等特殊保护对象，应采用爆破振动加速度作为安全判据，安全允许质点加速度由相关运营单位和仪器、仪表说明书给出。国外对振动的评判也发展到不只考虑单一的爆破参数。美国矿务局、德国和芬兰以振动速度和频率作为爆破振动强度的判据，瑞典综合考虑了振动速度、频率、位移和加速度等多项指标[2]。

但爆破地震波的传播和引发的地面运动是一个复杂的力学过程，它会同时受到炸药性能、药量大小、爆源位置、装药结构、堵塞条件、起爆方式及爆破的地质地形条件等因素的影响[3]。与爆破振动质点振动速度、加速度、频率等方面的大量研究成果相比，国内外关于爆破振动加速度功率谱密度规律和影响因素方面的研究成果要少得多[4-16]。

李洪涛等[17-20]基于功率谱的爆破地震能量分析法，借助大量工程实测数据，针对爆源形式对爆破地震能量分布特征的影响进行了分析。该方法与小波变换能量分析方法原理是一致的，基于功率谱的能量分析方法直接利用频谱分析完成从时域到频域的转化，因此分析过程简便，物理意义明确，更容易理解和掌握。李国保等[21]运用功率谱的爆破地震能量分析方法，对隧洞掘进爆破的洞内和洞口邻近区域振动能量分布特征进行研究。根据各频带能量比例关系，制定了相应的安全控制标准。陈友红等[22]对爆破振动信号的不同周期形态进行频谱理论分析，求得爆破振动参量各个频率成分的幅值分布，从而得到主要幅度和能量分布的频率值。李德林等[23]论述了爆破地震对建筑物的影响因素，对这些反应谱曲线进行了分析和比较，得出建筑物整个结构的运动峰值在11 Hz左右，功率谱密度大约是地面的38倍。舒西刚等[24]结合歌乐山石灰石矿爆破实际，得出微差爆破有降震效果，在修筑建筑物或结构物时应尽量使其固有频率避开这一频段。

HAO[25]在节理岩石场地进行现场爆破试验。对平行、垂直和45°的岩石表面地面加速度进行了测量和加速度谱密度分析。发现应力波垂直于岩石节理方向衰减快，平行于岩石节理方向衰减慢。DOWDING[26]通过对表面采矿爆炸振动的功率谱密度和传递函数分析，得出了框架结构和砖混结构的固有频率和变化规律，这些结果可以直接应用于受地振动采矿活动结构响应的研究中。HACIEFENDIOLU等[27]运用功率谱密度函数，确定了一个对砌体桥梁的响应标准偏差的阴影图像计数器，分析了爆炸引起的地面运动下的历史砖石桥的随机动态响应。DATTA等[28]将地震考虑成一种部分相关的平稳随机过程特征的功率谱密度函数，分析了海底埋地管线的地震反应。

李洪涛只是对不同频率能量分布进行分析，并没对出实际工程操作提出一些建议，李国宝和舒西刚并没有提出如何对工程中功率谱密度进行控制，陈友红和李德林分析只是有一定指导意义，也是没有运用到实际。国外学者多数是运用谱密度函数模拟爆破信号，进行理论分析。众位学者分析中，多注意评判，很少具体指标控制建议，且均未考虑成本控制这一影响工程应用的重要因素。

本文基于大连Intel二期场平爆破工程实践，从保护光刻机这一核心设备出发，从国内外参考文献看，首次分析了爆破振动加速度功率谱密度控制的应用问题。

1 工程概况

大连Intel公司位于大连市金州新区出口加工区内，随着二期工程建设，需要在厂房北侧进行场平施工爆破作业，厂房内LNG 管线、冷冻水泵、中温水一次泵、中温水二次泵、变电所、空压机连轴器、光刻机等设备都需要进行保护，尤其是光刻机，必须要考虑爆破振动带来的影响，否则会因为光刻机停机造成经济损失和一定的社会影响，因此在实验前必须慎之又慎。

图1 功率谱密度控制红线Fig.1 Control red line of power spectral density

在爆破试验前，美方单方面提出了光刻机平台加速度谱密度控制红线：振动频率1～4Hz区间，PSD(加速度功率谱密度)为1.0×10-7(m/s2)2/Hz，大于20 Hz，PSD为1.0×10-5(m/s2)2/Hz如图1，可以看出低频部分要求标准较高，高频部分要求标准较低，相应的解决方法就是尽量提高爆破的频率。采用深浅孔结合的方案，并在试验时将光刻机设备停机，但其安全预警设备要处于工作状态。

1.1 爆破参数

爆破振动对于精密仪器低频部分(0～4 Hz)需要控制的标准要比高频部分(20～100 Hz)更为严格，所以应尽量调整提高爆破振动的主频率。浅孔爆破相对于深孔爆破，最大的特征是可提高爆破振动主频率，因此选择近处浅孔爆破，远处深孔爆破对于控制成本和保护设备安全都是比较合理的。

设计浅孔爆破台阶高2.5 m，布孔不超过1 000个，区域宽5 m，长166 m，深度2.5～2.8 m，并且东西方向窄、南北方向宽，起爆顺序坚持从南向北方向，炸药不超过1 t，具体参数如表1；深孔爆破区域，台阶高不大于6 m，炸药不超过10 t，区域宽24 m，长200 m，深度6 m，参数如表2。

深孔爆破装药采用两层装药结构和三层装药结构，浅孔爆破装药结构与深孔爆破也大致相同，只是孔内只装一个起爆体，起爆体内只装一发雷管。图1和图2分别为浅孔爆破、深孔爆破的起爆网路图。

1.2 数据采集

采集数据为爆破振动速度实测结果，浅孔与深孔爆破时，在被保护物方向上不等间隔布置20个测点，如图3、4。

表1 深孔台阶爆破参数表

表2 浅孔爆破孔网参数和装药量表

图2 浅孔爆破多族起爆网路图Fig.2 Multi family initiation network graph in shallow hole blasting

图3 深孔爆破分层装药起爆网路图Fig.3 Hierarchical charge initiation network diagram in deep hole blasting

图4 深孔爆破监测布点图Fig.4 Monitoring charts in deep hole blasting

图5 浅孔爆破监测布点图Fig.5 Monitoring charts in shallow hole blasting

由于实验振动较小，部分仪器未测到数据，深孔爆破未测到数据的测点有：测点1、2、3、4、5、6、9；浅孔爆破：测点2、3、10(10号测点为仪器故障)。

2 实验结果与分析

功率谱密度是一个非负实数，它直接反应了在频域中不同频率所对应的值。加速度函数a(t)在有限时间长度T傅里叶变换可写为：

(1)

式中:k=2πf是波数，对数据进行离散数字处理，采样长度T=NΔt，Δt是采样间隔等于0.000 5 s。以此作为离散信号的采样标准进行离散傅里叶变换

(2)

波数k则离散为2πfm，fm=m/(NΔt)是空间频率。式(2)中系数Δt可以保证PSD计算中得到正确的量纲和单位。

根据PSD定义表达式：

结合式(1),(2)，则PSD具体表达式：(单位是(m/s2)2/Hz)

对于测得数据通过微分方式求解加速度，再求解加速度功率谱密度，对于不同频率段对应的功率谱密度，给出光刻机能承受的红线指标，依据加速度功率谱密度控制粗黑线，反馈到确定爆破振动速度控制指标，在分析过程中，因为合加速度功率谱密度没有意义，因此选择每个测点的振动速度最大方向进行研究。

2.1 功率谱密度分析

对于深孔爆破，功率谱密度直到8号测点处才处于控制线以下，对应的分向速度为0.024 cm/s，可以看出速度值比爆破安全规程中规定的“一般古建筑与古迹”还要严格。为考察三维方向的加速度功率谱密度，选择第20号测点进行分析。将仪器测试的爆破振动速度图谱通过微分方法转化到加速度图谱，在转化之前，先将各自的振动速度峰值缩比调整到不大于0.02 cm/s，该指标基本处于爆破振动速度响应临界速度，同时确保了振动波形相似，只是频率分布保持不变。

图6 X向加速度功率谱密度图谱Fig.6 X direction acceleration power spectral density map

图7 Y向加速度功率谱密度图谱Fig.7 Y direction acceleration power spectral density map

图8 Z向加速度功率谱密度图谱Fig.8 Z direction acceleration power spectral density map

选择厂房边缘进行控制，通过上述深孔爆破分析可以看出，不改变当前工况下，厂房边缘处爆破振动速度控制在0.02 cm/s比较合适。

对于深孔爆破，功率谱密度直到20号测点处才处于控制线以下，对应的分向速度为0.020 5 cm/s，与深孔爆破类似，考察三维方向的加速度功率谱密度，选择第14号测点进行分析。

图9 X向加速度功率谱密度图谱Fig.9 X direction acceleration power spectral density map

图11 Z向加速度功率谱密度图谱Fig.11 Z direction acceleration power spectral density map

选择厂房边缘进行控制，通过上述浅孔爆破分析可以看出，不改变当前工况下，厂房边缘处爆破振动速度控制在0.02 cm/s比较合适。

2.2 爆破类型区域划分

依据《爆破工程消耗定额》(GYD-102—2008)，城镇及复杂环境石方爆破工程，对复杂环境应分类区别，露天石方爆破复杂环境分为A、B、C 三类，该工程采用深孔、浅孔爆破相结合的方法，两大类型区域的划分应满足既能保证精密仪器安全，又可以在局部实施深孔爆破降低工程造价。

浅孔爆破按照B级复杂环境，普坚石，定额编号：1-4-7，其造价为6 793.12元/立方米。深孔爆破按照B级复杂环境，普坚石，定额编号：1-4-15，其造价为3 410.92元/立方米。两者有将近2倍差距。如果深孔爆破浅孔爆破范围各占50%方法与全部采用浅孔爆破方法相比较，能降低25%费用，十分可观，具有重大经济价值。

浅孔与深孔爆破，在保持当前起爆网路下，振动速度不大于0.02 cm/s，其加速度功率谱密度全部在红线下，与Intel公司给出的红线指标是相符合的。根据萨道夫斯基公式，深孔爆破时，K=177.15，a=1.537，v=0.02 cm/s，计算半径为740 m，实际工程中按照750 m进行控制，当爆破点距离厂房大于750 m时采用深孔爆破。浅孔爆破时，K=590.5，a=1.93，v=0.02 cm/s，计算半径为207 m，按照210 m进行控制，实际工程中当爆破点距离厂房大于210 m，小于750 m时采用浅孔爆破。对于小于210 m区域，出于精密仪器安全考虑，推荐不采用爆破方法进行施工。

3 结 论

结合Intel实验相关实测数据，对爆破地震进行了研究，得出以下结论：

(1)采用加速度功率谱密度的分析方法进行分析，功率谱具有单位频率的平均功率量纲，可以看出随机信号的能量随频率的分布情况，以能量分布对振动测试进行评估，更具有说服力。

(2)加速度功率谱密度给出了不同频率下对应的标准，不只是单一考虑峰值大小，更加全面；而且通过观察满足功率谱密度标准下的对应速度峰值发现，对于速度峰值的控制标准比国标给出的标准更为严格。

(3)加速度功率谱密度控制方法的确定，可以通过对不同爆破布孔方案进行实验，将加速度谱密度结果反演到对应的速度标准，然后通过确定控制速度峰值的方法进行控制，更加方便。

(4)采用功率谱密度方法对深孔、浅孔爆破区域进行了划分，由于控制标准的严格，不但能够控制住爆破振动带来的危害，而且能够节约大量的成本，具有很高的经济效益。

(5)未来城镇爆破工程中可能会经常遇到精密仪器的保护问题，本文解答了在给定加速度谱密度控制红线后，如何对爆破振动进行有效的控制，并提出建设性方案，对今后爆破工程中相似情况具有一定的指导意义。

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Blasting vibration acceleration power spectral density analysis under complex blasting operation environment

YAN Honghao, HUN Changhong, LI Xiaojie, ZHAO Tiejun

(State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In order to analyze the influence of blasting vibration on precision instrument, taking the land leveling blasting vibration of Intel company as a case, combining the standard of blasting vibration acceleration spectral density provided by Intel company and the law of blasting vibration in Dalian, the test scheme was designed. The monitored data analysis showed that under the designed detonation network, the blasting is either deep hole style or shallow one, the vibration velocity at the original control point position is no more than 0.02 cm/s, and the vibration acceleration spectral density values are less than the given standard; this control method can not only reduce the cost of blasting operations, but also provide a reliable basis for the safety assessment of blasting vibration under complex operating environment.

acceleration; power spectral density; complex environment; blasting vibration; precision equipment

国家自然科学基金(10872044;11672068;10972051;10902023);中国辽宁省自然科学基金(20082161)

2015-07-20 修改稿收到日期：2016-01-07

闫鸿浩 男，博士，副研究员，1974年11月生

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10.13465/j.cnki.jvs.2017.03.018