爆破地震效应影响因素评估分析(1).pdf

第 37 卷 第 1 期 2020 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 37 No. 1  Mar. 2020 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2020. 01. 022 爆破地震效应影响因素评估分析* 刘华丽， 刘 影， 谢全民 （陆军工程大学， 南京 210007） 摘 要 为了准确、 迅速地判断爆破地震动作用下爆破工程的安全问题， 便于更好地控制由于爆破地震动 引起的危害效应， 采用定性与定量相结合的形式， 将层次分析法和模糊数学方法结合起来， 根据最大隶属度 原理， 分析爆破地震效应的影响因素。研究结果表明 采用爆破地震效应影响因素评价指标体系、 模糊评判 分析模型及安全评估软件系统， 能迅速、 准确地判断爆破方案导致的爆破地震效应对周围环境的影响， 其危 险影响比较小， 计算结果与实际工程爆破所得结果一致。本方法与实验分析方法相比， 其原理简单、 结果可 靠， 计算迅捷、 节省时间、 可快速应用于爆破实际工程中， 同时又节省大量的费用。 关键词 爆破；爆破地震效应；模糊评判；安全分析；评估分析 中图分类号 TU432 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2020） 01 -0147 -05 Assessment and Analysis of Influencing Factors of Explosive Seismic Effect LIU Hua-li， LIU Ying， XIE Quan-min （Army Engineering University of PLA， Nanjing 210007， China） Abstract In order to accurately and rapidly judge the safety problems and control the harmful effects of blasting ground motion， the influence factors of the blasting seismic effect were analyzed according to the maximum member- ship degree principle. During the process of this research， AHP and fuzzy mathematics were combined qualitatively and quantitatively. The results show that the uation index system， fuzzy uation analysis model and safety - uation software system can be used to quickly and accurately judge the impact of blasting seismic effect on the sur- rounding environment. The risk impact is relatively small， and the calculation results are consistent with the actual engineering blasting results. Compared with the experiment analysis ， this has the advantages of simple principle， reliable result， fast calculation， time saving， rapid application in blasting engineering and large cost saving. Key words blasting；explosion seismic effect；fuzzy uation；safety analysis；assessment analysis 收稿日期 2018 -10 -25 作者简介 刘华丽 （1975 - ） ， 女， 河南省淮阳县人， 副教授、 博士， 主 要研究方向为防灾减灾，（E-mail） 1429211066 qq. com。 基金项目 国家自然科学基金面上项目 （51979205） 目前的城镇化建设工程中， 爆破技术已成为一 种不可或缺的技术手段， 它大大降低了人们的劳动 强度， 显著加快基础工程项目的建设进程。但爆破 技术对周围环境造成的影响也越来越引起人们的关 注， 因为爆破开挖改变了原有物体原来的约束条件， 其结构及相互间力学关系发生了变化 ［1， 2］。炸药爆 炸时会释放出冲击波， 冲击波随着传播距离的增大， 会逐渐衰减为应力波和地震波， 地震波引起近地表 或地面的震动称为爆破震动， 可能对爆区周围的建 （构） 筑物造成破坏性影响 ［3］。爆破地震效应受到 爆源、 传播介质、 地形地貌等多重复杂因素的影响， 动力响应规律较为复杂， 且这些影响因素之间关联 性较强， 加深了爆破地震危害效应控制研究的难度。 因此， 开展爆破地震效应的影响因素评估分析， 对于 减小爆炸地震动诱发的危害， 确保工程周围环境安 全， 具有极其重要的经济和社会意义 ［4， 5］。 万方数据 目前国内外在爆破地震效应影响规律分析方面 有很多研究工作， 大多采用实验分析法 ［6-9］。实验分 析法直观、 准确， 但成本高、 时间长、 工作量大、 难以 组织， 且限制条件较多。许多参数需要多次实验分 析， 难以适应工程项目大范围、 多点位预测工作的需 要。还有一些学者仅从定性方面开展纯理论研究分 析， 缺少实际工程应用定量参考的依据。模糊综合 评判法可将定性描述与定量分析进行有机结合， 且 不受被评价对象因素之间的影响， 根据影响爆炸地 震动的主要影响因素， 建立爆破地震效应模糊评判 分析模型， 开发爆破地震效应影响因素评估分析系 统， 快速、 准确地对爆破地震效应进行评估、 分析、 判 断。并把这种方法应用于爆破工程的实际分析中， 既节约了时间， 满足了快速预测的需求， 又节省了勘 察、 实验及计算的费用， 简单实用， 具有较大的经济 和社会效益。 1 影响因素的选取分析 爆破地震效应影响因素多， 如炸药种类、 炸药 量、 高程、 孔网参数、 延期时间、 雷管段别、 一次齐爆 药量、 爆心距等。根据已有的研究成果 ［10-14］， 对主 要影响因素进行分析、 甄别， 将爆破地震效应影响因 素划分为内部影响因素和外部影响因素。其中， 内 部影响因素主要包括结构特征尺寸、 结构类型和支 护结构状况等； 外部影响因素是指作用在结构上促 使内部条件发生变化的因素， 包括炸药、 爆破延期时 间、 高程差、 雷管段数、 爆心距、 传播介质、 地震波频 率、 地震波振幅、 地震波持续时间等。工程实践表 明， 若选取的爆破安全距离过于保守， 必将限制爆破 规模； 若选取的爆破安全距离过于激进， 可能导致周 边需保护目标的破坏。综合上述因素， 并考虑工程 实际经验后， 建立了如图 1 所示的爆破地震效应影 响因素评价指标体系。同时， 根据工程经验将爆破 地震效应下的效果分为四类等级， 即安全、 较安全、 不安全、 非常不安全。 图 1 爆破地震效应影响因素评价指标体系 Fig. 1 uation index system for influencing factors of blasting seismic effect 2 模糊综合评判模型 2. 1 评价集与因素集的确定 根据模糊数学原理 ［15］， 首先确定评价集 V ＝ ｛v1， v2， ， vm｝＝ ｛安全， 较安全， 不安全， 非常不安 全｝ ， 其中 m 为评价等级数， 此处 m ＝ 4。根据图 1 的评价指标体系， 确定评价对象的主控因素集 U ＝ ｛u1， u2， ， un｝＝ ｛炸药， 高程， 爆心距， 分段数， 间隔 时间， 初始抵抗线， 地震波振幅， 地震波频率， 地震波 持续时间， 类型， 特征尺寸， 支护， 结构状况｝ ， 式中 n 为评价因子数， 此处 n ＝12。见表 1。 表 1 评价因子及分级标准 Table 1 uation factors and grading standard 因素 安全 级 别 较安全不安全非常不安全 炸药较少少较多多 高程大较大较小小 爆心距远较远较近近 分段数多较多较少少爆破 参数 因素 间隔时间长较长较短短 初始抵抗线小较小较大大 地震波振幅小较小较大大 地震波频率高 （ ＞80 Hz）较高 （15 80 Hz）较低 （10 15 Hz）低 （1 10 Hz） 地震波持续时间短 （0 500 ms）较短 （0. 5 1 s）较长 （1 3 s）长 （ ＞3 s） 特征尺寸大较大较小小结构 自身 因素 支护和结构状况有部分有基本没有没有 类型钢筋混凝土砖石木土 841爆 破 2020 年 3 月 万方数据 2. 2 隶属度函数 根据影响因素的指标分为离散变量和连续变量 二种类型， 依据模糊数学中隶属度建立的原则， 对于 离散型变量采用专家评定法确定变量的隶属度值， 对于连续性变量采用公式法确定变量的隶属度值。 （1） 离散型变量的隶属度函数 根据专家工程实际经验采用打分法来确定离散 型变量的隶属度值， 如表 2 所示。表中， A/ B/ C 表 示的含义为 A 为本文隶属度取值， B 为参考文献 ［16］ 中的隶属度取值， C 为参考文献 ［17］ 中隶属度 取值， *表示参考文献中没标注具体数据。表 2 是 根据专家打分的方式可确定离散型变量的隶属度 函数。 表 2 离散型变量的隶属度值 Table 2 The membership value of discrete variables 离散型 变量 变量 特征 较少 炸 药 少较多多大 高 程 较大较小小 安全0.8/0.8/0.65 0.3/0.3/0.20/0/0.10/ /00/ */00.05/ */0.05 0.2/ */0.150.7/ */0.6 隶属 度 u 较安全0.2/0.2/0.25 0.5/0.5/0.5 0.2/0.2/0.20/0/0.050.1/ */0.15 0.05*/ /0.15 0.5/ */0.65 0.15/ */0.2 不安全0/0/0.050.2/0.2/0.2 0.5/0.5/0.50/0/0.050.3/ */0.20.4/ */0.45 0.25/ */0.15 0.1/ */0.15 非常不安全0/0/0.050/0/0.10.3/0.3/0.2 1.0/1/0.9 0.6/ */0.650.5/ */0.40.05/ */0.05 0.05/ */0.05 离散型 变量 变量 特征 多 分段数 较多较少少小 初始抵抗线 较小较大大 安全0.6/0.65/ * 0.25/0.25/ * 0.1/0.05/ * 0.05/0/ * 0.65/ */0.7 0.25/ */0.25 0.05/ */0.050.05/ */0 隶属 度 u 较安全0.15/0.3/ * 0.5/0.65/ * 0.4/0.1/ * 0.1/0.2/ * 0.20/ */0.20.5/ */0.50.2/ */0.20.1/ */0.1 不安全0.15/0.1/ * 0.2/0.1/ * 0.45/0.6/ * 0.3/0.1/ * 0.10/ */0.10.2/ */0.20.5/ */0.50.2/ */0.2 非常不安全0.1/0/ *0.05/0/ * 0.05/0.25/ *0.55/0.7/ * 0.05/ */00.05/ */0.05 0.25/ */0.25 0.65/ */0.7 离散型 变量 变量 特征 有 支护和结构状况 部分有基本没有没有钢筋混凝土 类型 砖石木土 安全0.8/0.85/ * 0.2/0.15/ *0/0/ *0.05/0/ * 0.65/ */0.65 0.3/ */0.150.2/ */0.050/ */0 隶属 度 u 较安全0.1/0.15/ * 0.65/0.8/ * 0.05/0.05/ *0.1/0.05/ * 0.2/ */0.25 0.5*/ /0.650.3/ */0.150/ */0.05 不安全0.1/0/ *0.1/0.05/ * 0.85/0.8/ *0.15/0.1/ * 0.1/ */0.15 0.15/ */0.15 0.45/ */0.650/ */0.1 非常不安全0/0/ *0.05/0/ *0.1/0.15/ *0.7/0.85/ *0.05/ */0.05 0.05/ */0.05 0.05/ */0.151/ */0.85 （2） 连续型变量的隶属度函数 根据公式法来确定连续型变量的隶属度值， 即 建立隶属度与指标数值之间的函数关系， 确定连续 型变量的隶属度函数， 再将实测值代入式 （1） 即可 得到。 μjM ∶ aj→μjM （aj） ， ujM （aj）∈ ［0， 1］ （1） 在评价集 V ＝ ｛v1， v2， ， vm｝ 中进行评价分析。 以 Mij＝ g （bi， aj） 表示第 j 个因素 aj对应第 i 个评价 指标 bi的效果指标值， 得到效果指标特征矩阵为 M ＝ M11M12M1n M21M22M2n  Mm1Mm2M             mn （2） 隶属度模型采用半梯形模型 rij（Ⅰ）＝ 1 ， Mij≤ c d - Mij d - c ， c ＜ Mij≤ d 0， Mij ﹛ ＞ d （3） rij（Ⅱ）＝ 0 ， Mij＜ c 或 Mij＞ e Mij- c d - c ， c ＜ Mij≤ d e - Mij e - d ， d ＜ Mij≤        e （4） rij（Ⅲ）＝ 0 ， Mij＜ d 或 Mij＞ f Mij- d e - d ， d ＜ Mij≤ e f - Mij f - e ， e ＜ Mij≤        f （5） rij（Ⅳ）＝ 0 ， Mij＜ e Mij- e f - e ， e ≤ Mij ≤ f 1， Mij ﹛ ＞ f （6） 其中，｛i ＝1， 2， ， m； j ＝1， 2， ， n｝ 。式中 c、 f 分别对应表 1 中连续型变量等级评定中的 2 个极 值； d、 e 为 2 个极值间的分点。需要说明的是， 工程 项目等级评定不同， c、 f、 d、 e 的取值也不同 ［18］。 2. 3 权重确定 设 Tj（Oik） 表示在第 j 个专家 （假设有 7 个专 941第 37 卷 第 1 期 刘华丽， 刘 影， 谢全民 爆破地震效应影响因素评估分析 万方数据 家） 排序中排在 Oik之后的目标数， 则有 A＇ kj＝∑ Q j ＝1 TjOik， k ＝ 1， 2， ， 6（7） 再利用下式 Aik＝ A＇ kj ∑ 7 j ＝1 A＇ kj （8） 将 Aik进行归一化处理， 即可得到权重。 2. 4 模糊综合评判体系 将效果指标矩阵转换为隶属度矩阵， 即 R ＝（rij） mn ＝ r11r1n  rm1r         mn （9） 由模糊算法原理， 基于式 （9） 可计算得到综合 隶属度。 B ＝ A ★ R（10） 再由最大隶属度原则进行评价， 即 bi0＝ max 1≤i≤m ｛bi｝（11） 在 V 中所对应的位置可得到评估结果 vi0。 3 工程应用 某采石场位于水泥生产厂区南侧 1 1. 5 km 之 间， 拟自南向北、 由低到高呈台阶状进行开采。水泥 厂日需石灰石原料为 5000 t。采石场周边环境较 好， 东侧 200 至 300 m 范围内有砖混结构居民房， 抗 振性能比较差。该采石场爆破方案 采用深孔松动 台阶爆破技术， 孔径90 mm， 台阶爆破爆高 H 为12 15 m； 底盘抵抗线为 Wd为 3. 0 3. 5 m； 超深 h 为 1. 5 2. 5 m； 孔深 L 为 13. 5 17. 5 m， 倾斜为 80 86； 多排矩形布孔方式， 炮孔间距 a 为 2. 5 3. 5 m， 排距 b 为 2. 5 3. 5 m； 岩石粉状乳化炸药， 爆速大于 3200 m/ s， 炮孔耦合连续装药， 孔口为 3. 5 4. 0 m 的堵塞长度； 非电毫秒雷管， 采用反向 传爆， 多排排间分段孔内微差起爆， 实际采用雷管段 别为 1、 3、 5、 7、 9、 11、 13 段。 根据 爆破安全规程 （GB67222014） 的规 定， 一般砖结构房屋最大安全允许振速 V 为 2. 0 3. 0 cm/ s。本项目爆破地震效应的安全评估如下。 根据表 2 及式 （3） 至式 （6） 得到爆破参数、 地震 波、 环境自身影响的模糊关系矩阵分别为 R1＝ 00. 70. 150. 60. 70. 25 0. 20. 150. 60. 150. 20. 5 0. 50. 10. 20. 150. 10. 2 0. 30. 050. 050. 100.           05 R2＝ 0.200.25 0.450.40.65 0.20.60.1 0.           1500 R3＝ 0.300.3 0.50.050.5 0.20.850.15 00.10.           05 根据式 （7） 和式 （8） 得到各影响因素的权重分 别为 ω ＝［0. 25 0. 45 0. 3］ T ω1＝［0. 1 0. 05 0. 2 0. 2 0. 3 0. 15］ T ω2＝［0. 2 0. 5 0. 3］ T ω3＝［0. 2 0. 3 0. 5］ T 根据式 （10） 计算得到隶属度 b1＝ R1ω1＝［0. 4325 0. 3125 0. 185 0. 07］ T b2＝ R2ω2＝［0. 115 0. 485 0. 37 0. 03］ T b3＝ R3ω3＝［0. 21 0. 0. 365 0. 37 0. 055］ T b4＝ Rω ＝（b1b2b3） ω ＝ ［0. 222875 0. 405875 0. 32375 0. 047500］ T 由计算数据表明 本项目爆破地震效应对周围 环境 的 影 响 处 于 安 全 状 态 下 隶 属 度 的 值 为 0. 222875， 处 于 较 安 全 状 态 下 隶 属 度 的 值 为 0. 405875， 处 于 不 安 全 状 态 下 隶 属 度 的 值 为 0. 323750， 处于非常不安全状态下隶属度的值为 0. 047500。 由式 （11） ， 即根据最大隶属度原则可知， 该爆破方案导致的爆破地震效应对周围环境的影响 处于较安全状态， 计算结果与实际工程爆破所得结 果一致。 4 爆破地震效应安全评估系统 采用 C 语言编制了基于上述分析、 计算的爆破 震动安全评估系统。其中图 2 为评价指标体系输入 界面， 输入参数分为爆破参数的影响、 地震波的影 响、 环境自身的影响、 权重设置、 评估结果六个模块。 前三模块包括了影响爆破地震效应的十二个因素， 每个因素对应四个数值调节按钮， 对应综合评判等 级， 即安全、 较安全、 不安全、 非常不安全的效果指标 值； 第四模块为相对权重模块， 可对各因素在该大类 影响因素中所占的权重进行调节； 第五模块可对爆 破参数、 地震波、 环境自身三个条件对爆破地震效应 影响的权重进行调节； 第六模块为评估结果， 输入数 据完毕后点击运算按钮可直接得到对该方案爆破地 震效应的评估结果。 将工程实际应用案例数据参数输入界面 2 中， 得到如图 3 所示的计算结果。图 3 显示， 其计算机 计算结果与前面手工计算结果一致， 且其系统可简 单、 迅速计算出爆破方案引起的爆破地震效应。 051爆 破 2020 年 3 月 万方数据 图 2 软件输入界面 Fig. 2 Software interface 图 3 结算结果 Fig. 3 Computing result 5 结论 爆破地震效应影响评价， 大多采用工程经验法 或实验分析法等等， 这些方法虽然应用较广泛， 但不 能满足快速预测的需求。因此针对爆破地震效应的 特点， 采用模糊评判的方法判断爆破地震效应结果 情况， 既能满足快速预测的需求， 具有较大的社会和 经济效益， 同时对于工程爆破技术人员制定与选择 工程爆破方案， 分析爆破状况， 进而为采取必要的工 程处理措施， 具有一定的参考和依据。 参考文献 （References） ［1］ 张雪亮， 王树堂. 爆破地震效应 ［M］ . 北京 北京地震 工程出版社， 1981. ［1］ ZHANG Xue-liang， WANG Shu-tang. 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