Сейсмическое и акустическое действия буровзрывных работ при строительстве метро Текст научной статьи по специальности «Физика»

-------------------------------------------- © А.В. Адушкин, А.И. Гончаров,

В.И. Куликов, А.Ю. Дмитриев,

2011

УДК 622.235.535.2

A.В. Адушкин, А.И. Гончаров,

B.И. Куликов, А.Ю. Дмитриев

СЕЙСМИЧЕСКОЕ И АКУСТИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЯ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МЕТРО

Приведены результаты мониторинга БВР при строительстве наклонного хода станции метрополитена. В ходе мониторинга регистрировались сейсмические и акустические волны. Получены зависимости максимальных скоростей колебаний и амплитуды акустических волн от гипоцентрального расстояния и массы ВВ на ступень замедления. Отмечается аномально низкое значение коэффициента сейсмичности для известняка, в котором проводились БВР.

Ключевые слова: сейсмический эффект, буровзрывные работы, метрополитен.

Многочисленные исследования промышленных взрывов на карьерах (скважинное взрывание) показали, что сейсмический эффект массовых взрывов (амплитуда скорости сейсмических колебаний) зависит от эпи-центрального расстояния от взрываемого блока до объекта (места регистрации) и от массы заряда на одну ступень замедления [1]. Например, для массовых взрывов на железорудных карьерах Курской магнитной аномалии специалистами ИДГ РАН была получена усредненная зависимость максимальной скорости колебаний от приведенного расстояния, которая описывается формулой [2]:

V = К ■

R

(1)

где V — максимальная скорость колебаний в мм/с, ц — масса заряда на одну ступень замедления в кг, R — эпицентраль-ное расстояние в м. Коэффициент К в этой формуле называется коэффициентом сейсмичности. Его величина зависит от

физико-механических свойств горной породы (прочности, трещиноватости, влажности и т.д.) и условий взрывания (зажатая среда, число обнаженных поверхностей, качество забойки скважин и т.д.) В частности, в приведенной выше зависимости для КМА К = 2050. Такой коэффициент сейсмичности получен для железистых кварцитов с крепостью по Протодья-конову около 16—20 и этим объясняется его высокое значение.

Зависимость (1) получена для широкого диапазона скоростей колебаний от 20 мм/е до 0,01 мм/с. Из нее следует, что амплитуда сейсмической волны затухает с расстоянием по степени 1,5 и амплитуда пропорциональна корню квадратному из массы заряда в ступени замедления (группе). В ближней зоне взрыва, когда амплитуды достигают 1 м/с и более, степень затухания в формуле (1) может равняться двум и больше [1]. Но этот диапазон амплитуд сейсмовзрывных волн не представляет практического интереса, так как волны такой амплитуды приводят к разрушению сооружений

1,5

и на практике недопустимо их действие на охраняемые сооружения.

Зависимости (1) необходимы для расчета сейсмического действия проектируемых БВР. Как и любую эмпирическую зависимость, ее нельзя распространять на все виды БВР и на различные горные породы. По-видимому, можно лишь полагать, что степень затухания 1,5 в зависимости максимальной скорости колебаний от приведенного эпицентрального расстояния в данном диапазоне скоростей сохранится, но коэффициент сейсмичности К для БВР строго индивидуален и лучше, если он определяется по результатам мониторинга БВР.

Данная работа посвящена мониторингу БВР при проходке наклонного хода станции «Сретенский бульвар» московского метрополитена. Ее целью было получить оптимальные параметры БВР, при которых гарантировано отсутствие негативных последствий для охраняемых объектов, и получить коэффициент сейсмичности, необходимый для проектирования БВР.

Особенность этих БВР в том, что они ведутся в центре города и в непосредственной близости от площадки работ находятся охраняемые объекты. На рис.1 приведен план-схема наклонного хода станции, места проведения БВР и охраняемых объектов, Из него видно, что подземный пешеходный переход находится на эпицентральном расстоянии 9 м, здание Лукойла — на расстоянии 27 м, здание банка ВТБ-24 — на 48 м, подземный гараж — на 58 м и Параолимпий-ский центр — на 87 м.

Проходка наклонного хода станции «Сретенский бульвар» ведется в скальных и полускальных грунтах. Грунты представлены известняками средней прочности, трещиноватыми, с прослоями твердой глины (группа 6 по трудности бурения). Коэффициент крепости

грунтов по шкале Протодьяконова равен 6.

Протяженность наклонного хода составляет 75 м. Угол его наклона 30°. Сечение выработки составляет около 80 м2 . Согласно проекту БВР проходка велась заходами глубиной 1,5 м, методом горизонтальных шпуровых зарядов. Диаметр шпуров 42 мм. Применялсь патрониро-ванные заряды диаметром 32 мм из аммонита 6ЖВ. В сечении выработок БВР проводились по четырем и двум ярусам (уступам).

На стадии проектирования были предусмотрены практические меры снижения сейсмического действия взрывов до безопасного уровня для охраняемых сооружений. Для снижения сейсмического и акустического (воздушная ударная волна) действия БВР применялся метод электрического КЗВ. Для реализации этого метода использовались электродетонаторы ЭД-3-Н с 36 ступенями замедлениями от 20 мс до 10000 мс. В одной группе (ступени замедления) могло быть от 4 до 10 скважин. Масса ВВ в скважине по проекту БВР могла быть от 0,2 до 0,4 кг. По проекту БВР было предусмотрено вести четырьмя уступами с мощностью взрыва 7 кг ВВ. Однако мониторинг позволил пересмотреть параметры проекта и перейти к работе в два уступа с мощностью взрыва 19 кг.

На рис. 2 показана типичная схема бурения шпуров в забое при работе в два уступа, реализованная 13 ноября 2009 г. Общее число шпуров составляло 56. Шпуры были объединены в 9 ступеней замедления. Номера при шпурах на рисунке соответствуют номеру ступени замедления В табл. 1 приведены число шпуров в каждой ступени замедления, номер серии ЭД в данной ступени, величина замедления и суммарная масса ВВ в каждой ступени. Суммарная мощность взрыва — 19 кг ВВ.

Рис. 2. Схема бурения

Таблица 1 Параметры БВР

Порядковый номер ступени замедления Число шпуров в ступени замедления Номер серии ЭД Величина замедления мс Масса ВВ на ступень замедления кг

1 4 3 50 1,2

2 4 5 100 1,2

3 6 6 125 1,8

4 6 13 400 1,8

5 6 16 600 1,8

6 6 18 800 1,8

7 6 20 1000 2,2

8 10 22 1500 4

9 8 24 2000 3,2

Технология КЗВ «растянула» выделение энергии взрыва на 2 секунды. На рис. 3 по данным табл. 1 построена зависимость выделения энергии взрыва (в кг ВВ) от времени. Наибольшая масса ВВ на одну ступень замедления приходилась на две последние ступени замедления и составляла 4 и 3,2 кг.

Мониторинг включал регистрацию сейсмовзрывных и воздушных волн. Было установлено три пункта регистрации, которые показаны на рис. 1. Пункты № 1 и 2 были размещены в подземном переходе на расстоянии 9/30 м и 5/38 м, пункт № 3 у входа в Параолим-пийский центр на расстоянии 87/93 м (в числителе эпицентральное расстояние, в знаменателе гипоцентральное).

В сейсмопунктах № 1 и 2 были установлены индукционные датчики скорости GS-20DX, полоса частот регистрации которых от 4 до 200 Гц. В сейсмопункте № 3 были установлены сейсмоприемники СМ-3КВ, у которых полоса частот регистрации от 0,5 до 100 Гц.

Воздушная волна регистрировалась только в сейсмопункте № 3, так как только этот сейсмопункт был размещен на дневной поверхности и был приближен к выходу на поверхность наклонного хода строящейся станции метро.

На рис. 4 показаны сейсмограммы скоростей колебаний, зарегистрированных 13 ноября в сейсмопункте № 2 индукционными датчиками скорости GS-20DX. Красная регистрограмма — скорость вертикальных колебаний, синяя — скорость горизонтальных колебаний в направлении Юг-Север, зеленая — скорость горизонтальных колебаний в направлении Запад-Восток. По оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат — скорость колебаний в мм/с.

Из сейсмограмм видно, что продолжительность колебаний составляет 2 секунды и соответствует времени подрыва скважин. Сейсмограмма состоит из ряда цугов колебаний, каждый из которых соответствует взрыву одной ступени замедления. Фактически при этих БВР классическая схема КЗВ не реализована, замедления слишком велики. Только волны от взрыва ступеней 2 и 3, интервал времени между которыми составлял 25 мс, слились в один цуг.

Из рис. видно, что амплитуда вертикальных колебаний больше, чем амплитуда горизонтальных колебаний. Это характерно для заглубленных взрывов и небольших эпицентральных расстояний.

О 1

Рис. 4. Велосиграммы сейсмических колебаний

По зарегистрированным трем сейсмограммам был вычислен вектор скорости колебаний, величина которого построена на рис. 5. Максимальные скорости колебаний составили 1,2 мм/с. Причем, максимальная скорость колебаний получена от взрыва ступеней 2 и 3. Дальнейшая обработка сейсмограмм позволила получить максимальные смещения — 4,5 мкм и максимальные ускорения 0,009g.

На рис. 6 приведен амплитудный спектр Фурье скоростей колебаний. В спектре доминируют частоты от 3 до 130 Гц.

Аналогичные сейсмограммы были зарегистрированы в других сейсмопунктах. Из рис. 5 и аналогичных для других сейсмопунктов и других взрывов были выделены амплитуды вектора скорости колебаний практически для каждой ступени замедления. Наиболее просто было выделить амплитуду скорости для взрыва первой ступени замедления или для взрыва «вру-

ба». Это амплитуда, с которой начинаются регистрограммы. На рис. 7 эти значения вектора скорости отложены от приведенного гипоцентрального расстояния (красные ромбики). По методу наименьших квадратов по этим данным была построена зависимость вида (1) со степенью 1,5, которая на рис. 7 в двойных логарифмических координатах имеет вид прямой линии. Метод наименьших квадратов в этом случае определяет только коэффициент К в этой зависимости. Эта зависимость описывается формулой (2):

V = 130 •

^ л/з V’5 ч_____

R

мм/с,

(2)

где V — максимальный вектор скорости колебаний в мм/с, д — масса ВВ «вруба» в кг, R — гипоцентральное расстояние в м. Коэффициент сейсмичности для взрыва «вруба» К = 130.

0.003

гг- І

10 100 110*

Рис. 6. Амплитудные спектры Фурье

Рис. 7. Зависимость максимальных скоростей сейсмических колебаний от приведенного гипо-центрального расстояния

енность взрыва «вруба» в том, гроисходит в ненарушенной горной среде, т.е. в зажатой среде с одной обнаженной поверхностью — круговое сечение выработки. Однако коэффициент сейсмичности оказался невысоким. По-видимому, это обусловлено двумя причинами. Первая, крепость взрываемых пород довольно низкая, около 6 по Протодьяконову. А как известно из литературы [1, 3], для горных пород с низкой крепостью коэффициент сейсмичности меньше. Вторая причина, недостаточно эффективная забойка, которая приводила к выходу продуктов взрыва в атмосферу и уменьшению сейсмического эффекта взрыва.

Взрыв последующих ступеней замедления происходил в среде, разрушенной взрывами предыдущих ступеней, т.е. в среде частично раздробленной. Это приводило к утечке продуктов детонации в поровое пространство грунта и к еще большему снижению сейсмического эффекта взрыва. Этот эффект снижения сейсмического действия взрыва особенно ярко виден на примере цуга сейсмических колебаний от взрыва последних ступеней замедления (см. рис. 5). Это один из важнейших выводов мониторинга, который следует учитывать при проектировании БВР. «Вруб» при соблюдении прочих равных условиях (масса ВВ в ступени) дает максимальный сейсмический эффект.

Если вернуться к рис. 5, то можно обратить внимание, что максимальное значение вектора скорости колебаний достигается не от взрыва «вруба», а спустя 50 мс. Из рис. 3 понятно, что максимальная скорость колебаний была от взрыва второй и третьей ступени замедления. Интервал времени между второй и третьей ступенями был всего

25 мс, так что цуги волн от взрыва этих ступеней сложились, что и обусловило наибольшую скорость колебаний при этом взрыве. Интервалы времени между последующими ступенями замедления были более 50 мс и даже 100 мс, поэтому эффект сложения волн от разных ступеней больше при этом взрыве не наблюдался. Таким образом, можно полностью исключить эффект суперпозиции волн от «соседних» ступеней замедления, если при проектировании БВР предусматривать интервалы времени между ступенями замедления не менее 50 мс.

Однако суперпозиция волн от «соседних» ступеней замедления наблюдалась при мониторинге всех взрывов. Поэтому, наряду с величиной вектора скорости от взрыва «вруба», были определены наибольшие значения вектора скорости для каждого взрыва. Источником этого вектора скорости считалась суммарная масса в двух «соседних» ступенях, от взрыва которой этот вектор скорости зарегистрирован. По этим данным методом наименьших квадратов была получена зависимость:

V = 150 •

/О/з V’5 ч___

я

мм/с.

(3)

Она отличается от зависимости для «вруба» несколько большим коэффициентом сейсмичности К = 150. Однако его величина всего на 15 % больше, чем для «вруба», а не в 2 раза, как можно было ожидать. Это объясняется обсуждавшимся выше более слабым сейсмическим эффектом взрыва последних ступеней в уже разрушенной среде.

Следует отметить, что полученные в результате мониторинга значения коэффициента сейсмичности на порядок меньше опубликованных в литературе [1, 3]. Это еще раз подчеркивает значе-

ние местных условий ведения БВР на сейсмический эффект взрыва и важность проведения мониторинга.

Интенсивность сейсмического действия БВР определяется по максимальной скорости колебаний. При мониторинге БВР регистрация сейсмических колебаний велась в трех сейсмопунктах, но только один из которых № 3 был размещен непосредственно у охраняемого объекта — Параолимпийского центра. Максимальная скорость колебаний на этом охраняемом объекте достигла 0,63 мм. Для других охраняемых сооружений максимальные скорости колебаний определялись по полученной формуле (3). Наибольшая скорость колебаний 1 мм/с была оценена для здания Лукойла, на других охраняемых сооружениях она была меньше 1 мм/с. Эти значения более, чем на порядок меньше предельнодопустимых скоростей колебаний при взрывах 15— 16,5 мм/с, установленных в нормативных документах [3, 4] и ут-вержденых Ростехнадзором.

В 2007 году введен в действие ГОСТ на виброколебания и удар [5]), который распространяется и на действие взрыва на сооружения. Он базируется на нормативных документах Великобритании, Германии и США, которые учитывают спектральный состав сейсмовзрывных волн. Из спектра, приведенного на рис. 6, видно, что максимум спектра скоростей колебаний приходится на частоту 30 Гц. Для этой частоты предельно-допустимая скорость колебаний для зданий делового назначения в Германии составляет 28 мм/с, в Великобритании — 50 мм/с, в США — 50 мм/с [5]. Таким образом, максимальные скорости колебаний на охраняемых объектах при БВР в метро в 30—50 раз меньше предельнодопустимых по зарубежным нормативам.

Как отмечалось выше воздушные волны регистрировались только в сейсмопункте № 3 перед входом в Пара-

олимпийский центр. Для примера, на рис. 8 показана регистрограмма воздушной волны и ее амплитудный спектр Фурье для взрыва 13 ноября. Источник воздушных волн очевиден - это вылет забойки из шпура и последующий выход продуктов детонации в атмосферу, которые расширяясь формируют воздушную волну. На регистрограмме можно выделить воздушные волны практически от каждой ступени замедления. Максимальная амплитуда воздушной волны 33 Па. Следует отметить, что воздушные волны от первых ступеней замедления имеют большую амплитуду, чем от взрыва последних. По-видимому, это связано с тем, что при взрыве последних ступеней значительная часть продуктов детонации проникает в поро-вое пространство раздробленной среды и уменьшается доля продуктов детонации, выходящих в атмосферу из шпуров.

Спектр воздушной волны ограничен полосой частот от 3 до 50 Гц. Слуховой аппарат «среднего» человека воспринимает частоты более 40 Гц, поэтому на «звуковой» эффект БВР горожане практически не обратили внимание. Воздушные волны с таким спектральным составом и амплитудой не могут вызвать у населения чувства дискомфорта.

По регистрограммам воздушных волн были определены амплитуды первых пришедших воздушных волн (от «вруба») и еще амплитуды наиболее сильных волн от других ступеней замедления. По этим данным на рис. 9 была построена зависимость амплитуды воздушной волны от приведенного гипо-центрального расстояния (синие ромбы). Так как зарегистрированные амплитуды воздушных волн составляют десятки Па, то такие воздушные волны считаются акустическими (а не ударными) и они затухают обратно пропорционально расстоянию в первой степени. Поэтому по

точкам на рис. 9 была проведена осред-няющая зависимость со степенью 1, которая описывается формулой:

Р = 1400•

^^1/3 ^ V "к у

, Па,

(4)

где Р — амплитуда воздушной волны в Па; q — масса ВВ в ступени замедления в кг; R — гипоцентральное расстояние в

м. Эта зависимость может быть рекомендована для расчета амплитуды воздушных волн при проектировании БВР в метро. Столь низкий акустический эффект БВР связан с гашением воздушных волн защитным экраном из минеральной ваты, установленным в сечении выработки вблизи ее устья.

5 111 ^ 1 V, >ш/с : |||/|| і ! Г"""— Ї Г . л , і 1>с

' о і : з * .* *

Р,Па ' 1 |] і і і і

ц 1 ТУГ (ууггйгуР"— к, с 1 1 . I » —

« 1 2 3 « І 4

1 1 '-г“ ^

Рис. 8. Регистрограммы велосиграммы (верхняя), давления воздушной волны (средняя) и спектр давления воздушной волны (нижняя)

Рис. 9. Амплитуды воздушных волн, генерируемых взрывами зарядов ВВ

Выводы.

1. В результате мониторинга получена зависимость максимальной скорости колебаний от приведенного гипоцентраль-ного расстояния, которая рекомендуется для расчетов сейсмического действия БВР в метро при их проектировании. Значение коэффициента сейсмичности в этой зависимости на порядок меньше рекомендованных в литературе.

2. Мониторинг показал, что при таком фактическом сейсмическом воздействии БВР на охраняемые объекты допустимо ведение БВР во всем сечении

выработки одним ярусом или одним уступом.

3. Получена зависимость амплитуды воздушных волн от приведенного гипо-центрального расстояния, которая рекомендуется для расчетов при проектировании БВР в метро.

4. Воздушные волны при БВР благодаря защитному экрану имеют амплитуду несколько десятков Па, не представляют никакой опасности для остекления и населения и не являются препятствием для ведения БВР одним уступом или одним ярусом по всему сечению выработки.

1. Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промыш-леннх взрывов. - М.: Недра, 1981. -192 с.

2. Гончаров А.И., Куликов В.И., В.И. Мине-ев, Седоченко В.В. Сейсмическое действие массовых взрывов на подземных и открытых работах. Сб. Динамические процессы во взаимодействующих геосферах. Изд. ГЕОС, 2006. - С. 22—33.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Технические правила ведения взрывных работ в энергетическом строительстве. Изд. Гидроспецпроект. Москва. 1997 г.

4. Богацкий В.Ф., Пергамент В.Х. Сейсмическая безопасность при взрывных работах. -М.: Недра, 1978.

5. ГОСТ Р 52892—2007 Вибрация и удар. Изд. Стандартинформ, 2008. Н5Н=Д

Адушкин А.В. — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник,

Гончаров А.И. — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Куликов В.И. — кандидат физико-математических наук, зав. лаб., киНкоу@1ё£.chph.ras.ru. Институт динамики геосфер РАН,

Дмитриев А.Ю. — инженер, СМУ-5 Мосметростроя.