本发明属于爆破技术领域，具体涉及一种可减小地面爆破振动的减振孔布设方法。
背景技术：
在城市在隧道等地下作业施工中，由于地质状况的复杂多变，不可避免的将遇到各式各样的岩石状况。如果在隧道开挖中遇到完整坚硬的岩石状况时，由于机械开挖效率低、成本高，常常采用施工效率高、施工进度快等优点突出的钻爆法施工。然而，在隧道内爆破施工的过程中，会随之伴生有噪声、飞石、毒气、灰尘和地震波等危害，其中地震波将以球体型的波震面快速向各方向扩散，爆炸从初始的冲击波演变成压应力波沿着岩土介质传播到附近建筑物的衬砌处，压应力波在建筑物的衬砌处会发生复杂的衍射、透射和反射的现象，此时如果是对震动敏感的建筑物会因受到压应力、剪应力和拉应力的作用而遭受破坏的可能，所以因爆破震动产生的地震波必然会对周边建筑物或设施造成不利影响，如何尽可能的克服地下爆破对地面建筑物的影响成为技术难题。
通常在地表环境复杂的城市爆破工况下，人们利用减振孔来实现峰值振动速度的降低，以得到施工的安全顺利进行，目前在实施中常见的方法是通过理论模拟得到减振孔的参数，在实际中存在模拟计算不准确，参数设置不合理等因素，使得地下爆破实施存在较大的风险。
技术实现要素：
本发明提出了一种减小地面爆破振动的减振孔布设方法，根据理论模拟计算的结果，选择几组特定数据进行等效爆炸试验，获得了减振孔对爆破振动的影响规律及最优参数，最后将试验结果应用至地下爆破试验中，最终有效减小了对地面爆破振动的影响。
本发明的技术方案如下：
一种减小地面爆破振动的减振孔布设方法，包括以下步骤：
根据理论模拟得到的减振孔孔径尺度、孔深、孔距、排距参数，选择与地下爆破隧道岩石结构一致的地段进行地面基坑爆炸等效验证试验，所述基坑的截面与施工爆炸区域的截面参数相同，并按照距离基坑从远到近的距离分别设置第1～n组、每组m排的减振孔线阵，在平行于减振孔线阵的两侧分别设置两组振动测试探头线阵，测量得到n(m+1)次地面基坑爆炸等效试验，得到布设减振孔后的减振率，并按照最大减振率参数的方案在地下爆破隧道与地面之间的掌子面上布置减振孔。
其中第i组减振孔爆炸等效验证试验按照以下的步骤进行：
【1】在设定的距离安装测试探头线阵，在基坑中安装等效当量的炸药进行爆炸试验，获得该距离处无减振孔时所有振动测试探头的最大振速vmax(i,0)。
【2】在振动测试探头线阵中间位置处设置该组的第1排减振孔线阵，进行等效爆炸试验，获得最大振速vmax(i,1)，计算得到减振率k(i,1)＝[vmax(i,0)-vmax(i,1)]/vmax(i,0)。
【3】在第1排减振孔线阵附近设置该组的第2排减振孔线阵，进行等效爆炸试验，获得最大振速vmax(i,2)，计算得到减振率k(i,2)＝[vmax(i,0)-vmax(i,2)]/vmax(i,0)。
【4】依次类推，获得vmax(i,m)，计算得到减振率k(i,m)＝[vmax(i,0)-vmax(i,m)]/vmax(i,0)；其中i＝1,2,……n，m＝3。
进一步的，所述的减振孔线阵每排设置20～30只孔，孔距为10～20cm，排距为10～20cm。
进一步的，所述的减振孔线阵的孔距为20cm，排距为15cm。
进一步的，爆炸等效验证试验中减振孔线阵与爆心之间的距离为4～15m。
进一步的，减振孔为梅花形、矩形或圆形，孔径尺度为90mm，孔深为4m。
进一步的，隧道的洞身为微风化花岗岩、中风化花岗岩或强风化花岗岩。
进一步的，测试探头线阵为2组，排距为60～100cm，每组振动测试探头线阵包括5只水平设置的振动传感器，每只传感器测量平行于减振孔线阵方向和垂直于减振孔线阵方向的振动参数。
进一步的，爆炸等效验证试验中，减振孔成孔后用棉纱堵塞孔口，避免异物进入孔内。
进一步的，地下爆炸实施时，掌子面上布设3排减振孔线阵，孔距为20cm，排距为15cm，孔径为90mm，孔深为4m，每排减振孔为20～30只。
本发明具有以下的有益技术效果：
1、本发明通过理论模拟得到了减振孔的初步排布参数，并利用地面基坑等效爆炸试验，获得了最佳的减振孔最优参数，并应用至地下爆炸试验中，可避免理论模拟计算存在的不确定度较大问题，安全稳定可靠，有效降低了地下爆破带来的风险。
2、本发明在等效爆炸试验中，采取了与地下爆破岩石结构相同、爆炸当量等效，且基坑的截面与地下隧道的截面相同的方案，尽可能地模拟地下爆破的参数进行等效爆炸试验，测量得到的振动数据可真实反应爆炸参数，结果真实可靠，置信度高。
3、本发明在等效爆炸试验中，采取了距离基坑从远到近的距离依次设置减振孔阵列并开展试验，远距离的试验不会对后续的近距离试验带来影响，振动探头可以拆卸后重复安装，从而在同一个区域完成了多组的爆炸试验，并有效减小了试验施工量和工程造价。
4、本发明的振动探头通过钢板和钢筋嵌入在地面基岩内，并通过水泥砂浆固化后，可以近似与基岩等效，并确保振动传感器测量得到基岩的振动参数，减小了测量误差。
附图说明
图1为本发明地面等效爆炸试验中减振孔布设试验系统示意图；
图2为本发明地面等效爆炸试验中的某一组减振孔布局图；
图3为本发明振动测试设备安装示意图；
图4为本发明地下隧道爆炸施工中的减振孔布局图；
附图标记为：1—地面区域；2—减振孔；3—减振孔线阵；4—振动测试探头线阵；5—爆心；6—基坑；7—隧道；8—地平面；9—建筑物；11—第1组试验布局；12—第2组试验布局；13—第n组试验布局；14—振动传感器；15—钢筋；16—水泥砂浆；17—钢板；18—爆破振动仪；19—地面。
具体实施方式
在地下隧道爆破施工中，常采用多排的减振孔对地面振动进行减振处理，为了得到最佳减振孔参数，本发明先进行了理论模拟，获得了减振孔的孔径、深度、间距等参数，然后通过地面基坑爆炸等效试验对理论模拟的结果进行试验验证，并获得最优化的减振孔排布参数。
一、理论模拟
利用大型动力有限元软件ansys/ls～dyna，建立三维数值计算模型，对不同参数孔径、超深、爆心距、孔距等的减振孔模型的减振效果进行系统分析，得出不同的布置参数对减振效果影响的一般规律，并为减振孔参数设计提供可参考的依据。模拟中采用多物质euler材料与lagrange结构相耦合算法，即将炸药、空气、岩石等物质的相互作用进行耦合计算。模拟计算了不同爆炸时刻减振孔线阵对爆炸振动的影响，得到了如下的结论：
(1)在其他参数条件相同的情况下，随着减振孔孔径的增大，减振率也会增大。但伴随减振孔孔径的增大，减振率增大的趋势逐渐减缓。由此可知，合理的减振孔孔径能带来带来良好的降振效果，同时也能降低工程量。
(2)在其他减振孔参数条件相同的情况下，随着减振孔与炮孔深度差增大，减振率也会增大。但是随着减振孔与炮孔深度差不断增大，减振率增长趋势减缓，存在一个最佳的深度差，当减振孔与炮孔深度差大于最佳深度差，减振率将不会增大，将趋于一个稳定值。所以减振孔的合理深度能提高减振率，达到良好的降振效果，减少所需的钻孔量。
(3)减振率和减振孔与爆源距离呈负相关关系，在对减振孔进行参数设计时，减小减振孔与爆源之间的距离能够更大程度的提高减振率。
(4)减振率随着排数的增大而不断增大，当减振孔排数较多时，减振率随排数增加的趋势减缓，因此在实际施工中为了减少钻孔的工作量，排数不宜选择过多。
(5)随着减振孔孔距的增大，减振率减小，为了保证减振孔的减振效果，减振孔孔距不宜过大。
结合爆炸当量和实际工程施工情况，最终获得了减振孔的参数：减振孔为梅花形、矩形或圆形每排设置20～30只孔(最优化为25只)，孔距为10～20cm(最优化为20cm)，排距为10～20cm(只有为15cm)，孔径尺度为90mm，孔深为4m。
二、等效验证试验
为了对上述的结果进行验证，采取了在地面挖设基坑模拟地下隧道爆炸的方式进行试验，选取了与地下爆破隧道岩石结构一致的地段进行地面基坑爆炸等效验证试验，基坑的截面与施工爆炸区域的截面参数相同，并安装等效当量的炸药进行试验，获得了该减振孔排布下的减振率。这种在地面进行的验证方案具有等效性，并可大大节约成本，并具有高效安全的特点。
如图1所示，为了减小工程造价，在同一块选定岩石结构的地面完成n组的试验，11为第1组试验布局，12为第2组试验布局，13为第n组试验布局，其与基坑6的距离l依次从远到近。1～n组试验对应设置第1～n组的减振孔线阵，前面的一组试验完毕后，将测试探头线阵4移走，在更近的距离开始下一次试验，并钻设减振孔2、安装测试探头线阵4，这样可避免前面试验的产生的减振孔2对后续试验的影响，减小了施工量。每次减振孔2成孔后用棉纱堵塞孔口，避免异物进入孔内。
在每组试验中，采用了先无减振孔，其次设置1排减振孔，接着设置2排减振孔，最后设置3排减振孔的方案，分别进行爆炸试验，共计n(m+1)次地面基坑爆炸等效试验，最终得到了排数和距离对减振效果的影响，具体如下。
其中第i组减振孔爆炸等效验证试验按照以下的步骤进行：
【1】在设定的距离安装测试探头线阵，在基坑中安装等效当量的炸药进行爆炸试验，获得该距离处无减振孔时所有振动测试探头的最大振速vmax(i,0)。
【2】在振动测试探头线阵中间位置处设置该组的第1排减振孔线阵，进行等效爆炸试验，获得最大振速vmax(i,1)，计算得到减振率k(i,1)＝[vmax(i,0)-vmax(i,1)]/vmax(i,0)。
【3】在第1排减振孔线阵附近设置该组的第2排减振孔线阵，进行等效爆炸试验，获得最大振速vmax(i,2)，计算得到减振率k(i,2)＝[vmax(i,0)-vmax(i,2)]/vmax(i,0)。
【4】依次类推，获得vmax(i,m)，计算得到减振率k(i,m)＝[vmax(i,0)-vmax(i,m)]/vmax(i,0)，其中i＝1,2,……n，m＝3。
如图2所示，本发明的减振方案由若干组布置在地面区域1的减振孔2组成，图中只显示了其中的一组，每组与上一组中试验中减振孔与爆心的距离均不同。减振孔排布成1～3排的减振孔线阵3，孔距、排距、孔径尺度和孔深按照模拟计算的结果设置，数量为20～30只，并与远处的基坑6保持一定的距离。减振孔线阵3的外部平行设置两组振动测试探头线阵4，每组振动测试探头线阵包括5只水平设置的振动传感器，每只传感器测量平行于减振孔线阵方向和垂直于减振孔线阵方向的振动参数。
如图3所示，振动测试仪器采用爆破振动仪18及配套的振动传感器14，其采样率1khz～50khz，量程0v～20v，最大量程35cm/s。每个测点都将钢筋15植入地面的基岩内，用水泥砂浆16填筑后，钢筋15上部焊接钢板17用于埋设振动传感器18，每测点埋设两组振动测试仪器。这种安装方式在水泥砂浆16固化后，可以近似与基岩等效，并确保振动传感器14测量得到基岩的振动参数，减小了测量误差。
每组的5只振动传感器中其中1和5的测点在减振孔的边缘地带，爆炸产生的应力波在传播过程中发生绕射的现象，造成数据的离散性较大，所以从中剔除该数据组，剩下的数据保留作为试验分析的依据。
试验结果表明：当设置一排减振孔时，减振率在8.78％～30.08％，其平均值为19.92％；两排减振孔的减振率为16.71％～51.97％,平均减振率为38.28％；而三排减振孔的减振效果最好，减振率可以达到41.32％～69.23％,平均减振率为56.83％，即三排减振孔可以减振一半以上，即大孔径减振孔随着排数增加，减振效果更明显，一般设置三排以上能减少50％以上，另外，随着减振孔距爆源距离靠近，减振效果会得到一定提升。
三、地下爆炸试验
如图4所示，根据上述验证试验计算得到的减振率方案，结合地下爆炸施工的实际情况，在地下爆破隧道7与建筑物9之间地面19上垂直设置了减振孔2。排数为3排，孔距为20cm，排距为15cm，孔径为90mm，孔深为4m，排空中心距离爆心5为5m。地下爆破施工时，采用该减振孔方案在设定爆炸当量的情况下，既不影响工地正常施工，又能有效降低爆破振动的影响。