孔祥雷，何曉光，張敢生
（遼寧科技學院資源與土木工程學院，遼寧 本溪 117004）
摘 要：為了解決爆破振動監測過程中在土壤、邊坡等非理想條件下的測點難于固定傳感器及固定可靠度低的問題，本文在分析爆破振動監測固定傳感器現行方法特點及現場監測需求的基礎上，提出了在非理想條件下固定振動傳感器的新方法，包括三角臺法、萬向臺法，詳細介紹了其結構、原理、操作方法、適用條件及效果分析；三角臺法、萬向臺法在使用條件上軟硬互補，解決了在絕大多數情況下的測點上固定傳感器的難題，和現有的粘貼法固定傳感器構成了一套完整的固定方法體系，保證了振動傳感器現場安放固定的可靠度以及振動數據的精確度，使爆破振動現場監測細節工作更加科學、規范。
關鍵詞：爆破振動；監測；傳感器；三角臺法；萬向臺法
0 引 言
隨著爆破技術應用越來越廣泛，爆破危害也越來越受到人們的關注和重視。其中爆破振動危害是熱點之一，發生在很多爆破工程中的“工民互擾”問題都與爆破振動有關，振動導致房屋建筑裂隙、邊坡滑塌、設備損壞、人畜驚嚇等都是比較常見的訴求反應現象。針對爆破振動問題，我國頒布的國標《爆破安全規程》、以及不同的行業規范如《水電水利工程爆破施工技術規范》等都專門提出了對環境、對象振動強度的控制標準。利用測振儀對爆破振動進行現場監測是獲取爆破振動強度的最科學、直接、有效的方法，而可靠固定振動傳感器是爆破振動監測的關鍵步驟，直接影響采集振動數據的精確性和評價結論的準確性；同時也是最容易被忽視的一個細節，因為一般固定傳感器操作簡單、沒有技術難度而缺乏足夠的重視，突然面對復雜的現場情況如在覆土、浮石、坡面等上布點安放傳感器監測人員往往又束手無策，加之缺乏有效的現場監督往往在這一環節容易敷衍了事；目前爆破振動監測的薄弱環節，是在不同的監測環境條件下尚無有針對性的有效固定傳感器的方法、具體的操作要求以及質量驗收標準。
1 固定傳感器的基本方法
1.1 傳感器固定的要求
傳感器是監測振動信號的關鍵部件，為了保證所采集振動信號的精度，傳感器必須與測點表面牢固地結合在一起，確保傳感器與被測體同步振動[1]。測點應選擇與基礎（基巖）為一體的堅固的測點，避免選擇浮點（如松動的磚）、空鼓點（下方為空區）、懸空點（如鐵軌等）等，測點表面盡量平整、干凈；如遇非平面、覆土、浮石、基礎軟弱、積水等情況，要采取針對性措施進行可靠固定傳感器，例如一些長期測點用混凝土砌筑永久性安裝平臺。固定完傳感器后還要對傳感器、測振儀進行必要的防護，避免意外觸碰、觸發和干擾。
1.2 當前的傳感器固定方法
爆破振動監測現場的條件往往復雜多變，根據測點介質情況大體可分為理想測點和非理想測點，把表面平整堅固的測點如建筑基礎、設備基礎、室內地面、路面等通過簡單粘貼即可固定傳感器的稱為理想測點；把松軟、粗糙、帶有坡面、不連續的如草坪、耕地、山地、礦山采場、斜坡道、巷道、廊道、大壩等不能直接或不便于安放固定傳感器的稱為非理想測點。根據測點監測次數又可分為固定測點和臨時測點，固定測點一旦選定后，位置固定不變，其監測的周期長、次數多，多在礦山、水利水電等工程中使用；臨時測點多在現場臨時指定，位置不固定，監測次數少，根據爆破情況隨變隨撤，如在拆除爆破、隧道爆破、路塹橋基爆破、場平爆破等工程中的振動監測，涉及范圍廣、現場情況也更復雜。本文主要討論臨時、非理想測點傳感器的固定方法。
1.2.1 理想條件下固定方法
在理想測點固定傳感器的方法通常采用粘貼法，根據氣候條件可以分兩種情況，一種采用石膏固定[2]，適合糙面、潮濕、帶有微小坡度尤其是氣溫較高的情況，不適用于較低溫度情況，如北方冬季零度以下；一種采用黃甘油直接粘貼，適合低溫、平整的測點情況，不適于高溫天氣下使用。以上方法具有可靠、簡便、快捷、成本低等特點，為監測人員廣泛使用[3-5]，是比較基本的方法。除此之外，也有其它粘貼方法，如用AB膠等粘貼固定。
1.2.1 非理想條件下固定方法
目前在非理想條件下并沒有可靠的固定傳感器的方法，現有的一些方法也都具有很大的局限性和不穩定性。
非理想爆破振動監測條件大體可分為兩類，一類是軟、散基條件，比較常見的有土壤、草坪、覆土層、碎石路面等，一類是坡面條件，常見的有混凝土斜坡面、礦山邊坡巖石、隧（巷）道周壁等。對于軟基條件下固定傳感器是最難的，甚至是不可能的，有些監測人員使用測振儀廠家配帶的圓錐用螺絲擰在傳感器上，然后再將圓錐扎入土壤中，如圖1所示，也有采用較長的鋼筋代替圓錐，這些方法雖然安裝方便，但在連續振動狀態下容易松動或產生自由振動，難以保證數據的真實性。對于隧（巷）道側壁或頂壁的情況采用類似圖2所示的夾具固定傳感器，其它坡面情況下尚無簡便可靠的方法。
因此，在現有的監測技術、條件下，亟需一種可靠、簡便、快捷的固定方法來解決現場固定傳感器這一細節問題。
圖1 單腳錐固定傳感器 圖2 固定傳感器的夾具
Fig. 1 Single foot cone fixed senso Fig. 2 Fixture for fixed sensors
2 非理想條件固定傳感器的新方法
2.1 三角臺法
三角臺法也可以稱為三角錐法，叫法有兩種含義，一是用三根錐腳，二是三根錐腳及其延長線在空間上近似為三角錐形，這樣可以最簡單的結構和對土壤最小的擾動滿足在三維空間的穩定與耦合要求。
（1）組成及原理[6]
三角臺在結構上由四部分組成，如圖3所示，第一部分是基板，用于粘貼傳感器，基板上有水準泡、指南針和螺絲卡座，分別用于確定水平度、方向和卡緊固定隨變樁管；第二部分是隨變樁管，由不同長度的鋼管用螺紋接續而成，長度隨實際的土壤厚度決定，可長可短，其一端與基板相接，另一端用強力貫入土體中，用于支撐固定基板；第三部分為錐頭，形狀為圓錐形，安裝于樁管端部，主要是擠壓利于楔入土壤；第四部分為保護蓋帽，作用是套在樁管端部，在錘擊時保護柱節內螺紋。根據三角穩定原理，并借助錐腳與介質的摩擦力，利用三根可接續變長的樁管以一定的外展角度釘入土壤中直至持力層，上部和基板固定組成微型平臺，這樣在空間上形成一個穩定的三角臺體，然后在平臺上安放傳感器；而常見的固定方式，（如單腳錐法，即用一個約8 cm長的圓錐通過螺紋固定在傳感器底部，然后扎入土壤中），在長度上達不到基巖（或持力層），在橫向上依靠土體也難以提供可靠的約束，如圖4所示。
Fig.3 Triangular pyramid platformobject圖3 三角臺法實物圖
圖4 三角臺法原理及對比示意圖a 三角臺法 b 單腳錐法
Fig.4 Principle of triangular pyramid platform method and comparisondiagram
（2）操作步驟
先準備好相關部件材料，包括錐頭、樁管、基板、黃油、扳手、錘子等，然后進行以下幾個關鍵的步驟：
（1）打探桿。取一根樁管，下端擰緊錐頭，上端安上保護蓋帽，穿過基板上的一個固定孔以3°-4°的外傾角用錘子向土壤中楔入，直至土壤底部持力層（以不下沉、不晃動為準），期間根據樁管楔入情況續接長短樁管，以安裝好基板后上端富余1 cm左右為宜，通過此步驟可探明測點的軟土壤薄厚松軟等情況。
（2）根據探桿探知的情況，通過另外兩個固定孔繼續向土壤中楔入樁管，方法同上個步驟，此時三根樁管在空間上近似為三角錐形。
（3）調平與固定。根據水準泡的指示將基板調至水平，然后用扳手依次緊固基板上的固定螺絲，此時安放振動傳感器的三角臺即已完成。
（4）用粘貼法固定傳感器。根據指北針的指示或爆區方向，用黃油或石膏將傳感器粘貼在三角平臺上。在安裝的過程中，應注意盡量減少對測點土壤的擾動，三角臺完成后也應避免外力擾動。
（3）適用環境
一般來講，三角臺法可以用在松軟、松散的介質上固定傳感器，比較常見的如城鄉的土路、土堤、大地、草坪，礦山的覆土路、碎石路以及各種施工工地等。圖5、圖6是三角臺法兩種比較典型的應用。
圖5 三角臺法在郊區使用
Fig.5 Triangular pyramid platform method applying in suburbs
圖6 三角臺法在礦山使用
Fig.6 Triangular pyramid platform method applying mines
（4）效果分析
為了驗證三角臺法的可靠性，進行粘貼法、三角臺法和單腳錐法三種方法對比振動模擬監測試驗，測試采用相同廠家相同型號的測振儀和傳感器，設置相同的采集參數，其中觸發電平為0.100 cm/s，模式為內觸發，采樣率為4 K，采樣延時為-100 ms，距離振源的距離相等，X、Y、Z軸指向相同，測試地點在鐵路路基下方，模擬振源為運行通過的列車產生的振動。當列車通過時三臺測振儀同時觸發，同時采集記錄相同的振動信號，如圖7所示。
圖7 三種方法對比監測
Fig.7 Comparative monitoring with three methods
以粘貼法為標準，對所采集的振動數據進行初步分析，其中采用三角臺法和粘貼法測得的峰值振速和主頻基本相同，采用單腳錐法測得的數據和粘貼法相比其峰值振速和主頻則有一定的偏差，詳見表1。對比三種方法所測得的波形圖，在持續近10 s的監測時長內，三角臺法和粘貼法測得的波形更清晰，兩組波形基本一致，振速峰值點出現的時刻和位置相同，都在3.08 s時刻波峰位置出現，如圖8、9所示，而用單腳錐法測得的波形則比較模糊雜亂，主要的波峰、波谷出現的時刻和位置和粘貼法都不相同，振速峰值點出現在6.95 s時刻，如圖10所示。
通過上述試驗證明，三角臺法固定傳感器具有更高的可靠度，在土壤等松散、軟弱介質上能夠保證振動數據的精度要求。
表1 三種方法對比振動數據
Table 1 Comparison of vibration data with three methods
Fig.8 Waveform of paste method8 粘貼法波形圖
Fig.9 Waveform of triangular pyramid platform method圖9 三角臺法波形圖
Fig.10 Waveform of single foot cone method圖10 單腳錐法波形圖
2.2 萬向臺法
（1）組成及原理[7]
萬向臺由基座（軸）、T型管、基板組成，如圖11所示，基座是將主軸管固定在平板上，平板四角開四個固定孔，基軸則不用將主軸管固定在平板上；T型管由兩個管件互相垂直焊接組成，在較粗的管壁有三個螺紋孔和螺絲，可以套在主軸上，能夠繞主軸任意轉動，并能夠用三個螺絲旋緊固定；基板下部焊接一根空心管，空心管上同樣有三個螺紋孔和螺絲，可以套在T型管較細的管上，能夠繞其任意轉動，并能夠用三個螺絲旋緊固定，基板上部有水準泡，用以調平。將T型管繞基軸的轉動稱為公轉，基板繞T型管的轉動稱為自傳，通過公轉與自轉的配合，能夠在幾乎具有任意角度的坡面上獲得一個水平的微小平臺來固定振動傳感器，如圖12所示。
圖11 萬向臺法實物圖圖 12 萬向臺法原理示意圖
Fig.11 Universal platformobject Fig.12 Principle of universal platform method
（2）操作步驟
1）固定基座。對于巖石，先用鑿巖機鉆10-15 cm的固定孔（角度不限），然后用錨固劑將基軸固定在孔內，如圖13所示；對于混凝土，可用射釘槍將基座通過四個固定孔固定在測點上，如圖14所示。
圖13 在巖石上鉆孔錨固示意圖圖 14 在混凝土坡面固定示意圖
Fig.13 Drilling and anchoring on rocks Fig.14 Fixing on concrete slope
2）連接套管。先將T型管套在基軸上，再將基板通過下部的空心管套在T型管上。
3）調平和固定。同時轉動T型管和基板，待水準泡處于中心位置時，擰緊固定螺絲將平臺固定。
4）用粘貼法固定傳感器。
（3）適用環境
萬向臺法主要用于具有一定坡度、弧度、或者表面有淺層積水的堅硬測點，如混凝土壩體、礦山邊坡、斜坡道、巷（隧）道等。
（4）效果分析
由于萬向臺法是在堅硬介質上采用剛性連接，和測點介質錨固成為一體，具有更高的可靠度，完全能夠滿足監測的精度要求。
3 結 論
本文為現場臨時固定測振傳感器提供了新的思路和方法，使研究和監測人員在爆破振動監測實踐中有更多的選擇。
在非理想條件下固定爆破振動監測傳感器，三角臺法主要解決松軟介質的固定問題，而萬向臺法則解決了堅硬介質的問題，兩種方法達成互補，解決了絕大多數情況下測點固定傳感器的難題；和現有的固定方法構成一套完整的科學規范的監測固定體系，在基礎等堅固、平整的理想測點下固定傳感器可以使用粘貼法，在土壤等松軟介質上固定傳感器可以使用三角臺法，在邊坡等堅硬的坡面上固定傳感器可以使用萬向臺法。
影響監測結果精度的因素有很多，其中人員是最大的影響因素，監測人員應足夠重視現場工作，提前進入現場踏勘，根據監測設備的性能和現場條件制定可靠的監測方案，做好充分的監測準備，做好每一個細節工作，保證監測數據的科學、準確。
參考文獻：
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