爆破振動預測與控製技術

重慶市爆破工程建設有限責任公司孟祥棟

爆破地震是爆破工程三大危害之一，當爆破振動達到一定強度時，可造成爆源附近建(構)築物破壞、邊坡失穩以及地下工程片邦與冒頂，控製爆破地震效應已成為爆破工程界重要的研究課題。爆破生產實踐中，常常根據被保護體的結構特性和保護級別所確定的安全振動速度來設計爆破參數，因此非常必要研究質點振動速度與爆破相關因素間的相互關係。

爆破振動的預測技術是近幾年來新開辟的一門學科，涉及爆炸動力學、岩石動力學、信號學等諸多學科。實現爆破振動信號的預測，需熟知爆源作用機理及地震波的傳播規律，然而達到此要求就需要首先掌握影響爆破振動的諸多因素及各自對振動信號的作用原理。本章主要介紹了爆破地震效應及對其研究的發展，結合實際的工程和相關的試驗工作，係統地分析分散藥包、微差爆破、裝藥結構等一係列因素和質點振動速度之間的關係。

2.1 爆破振動影響因素研究

在爆破地震波作用下，建(構)築物的破壞程度主要取決於爆破振動的強度。而在衡量爆破振動強度的諸多物理量中，地麵質點振動速度與建(構)築物破壞的相關性最好，因此，各國都逐漸采用質點振動速度作為衡量爆破振動強度的物理量^[9]。

與天然地震相比，爆破地震的震源及爆破施工過程是人為進行的，在藥量和爆源位置已知的情況下，人們可以根據周圍的環境條件，通過嚴格的設計，改變起爆方式和采取一定的技術措施對爆破振動強度進行預測和控製，達到避免或減少爆破振動危害的目的。為了更好的了解爆破的作用機理及更直接有效的實施爆破控製，結合國內外在此方麵的研究，提出了影響爆破振動效應的影響因素。

作為衡量爆破振動強度的三大要素，幅值、主頻和振動持續時間的不同組合決定了爆破施工的安全與否，下麵圍繞影響這三個要素的因素做出探討。

2.1.1 三大要素對地震效應的影響

（1） 振動速度

與天然地震一樣，爆破地震的強度可以用加速度、速度和位移中的某一最大值或某種意義下的有效值表示，隻是因為大量的現場試驗表明，爆破振動強度與質點震速大小的相關性較好，且震速與岩土性質有較穩定的關係，而與質點振動位移及加速度都不具有這種關係^[9]。然而速度矢量在空間坐標中有三個方向（垂直方向、水平徑向和水平切向），采用哪一個方向上的震速在爆破研究中一直是一個熱點話題。目前國際上采用最普遍的是用質點的垂直振動速度作為衡量爆破振動強度的標準，但是這並不能全麵的反映爆破結構破壞的實質。

（2） 振動主頻

結構體對於介質中傳來的地震波具有選擇放大作用，這種作用主要表現在爆破地震中與結構體固有周期相近的諧波分量放大最多，使該波引起的振動最為激烈。即爆破振動的卓越周期與該結構體的固有周期一致時，將產生共振，使結構體的振幅大大增加。

（3）振動持續時間

研究表明^[10]，當振動頻率和幅值相同時，不同的爆破振動持續時間引起的結構應力響應最大值是相同的，但對考慮累積損傷的結構來說，結構產生的塑性應變隨振動持續時間的增加而增大。

以上分別講述了爆破振動三要素對地震效應的影響，但三者並不是相互獨立的，而是同時作用於爆破對結構損傷的全過程；另外，結構體受震破壞不僅僅取決於振動的幅值，而且還與振動頻率和振動持續時間密切相關，有時後麵的兩個因素起到決定性的作用。因此，僅僅采用建築物的振動峰值作為爆破振動破壞的標準是不能全麵反映爆破振動破壞實質的。

2.1.2影響爆破地震效應的因素

（1）裝藥量

目前，我國的《爆破安全規程》中對振動峰值預測所采用的是前蘇聯的薩道夫斯基公式：

V =K(Q^1/3/R)^a                           （2-1）

式中，V 為爆破振動速度, m/s; Q為裝藥量,對於分段爆破取最大段藥量齊發爆破取總藥量,kg;R為爆心距,m; K，a分別為爆破條件、岩石特性等有關的係數。

從經驗公式可以看出，爆破振動強度正比於爆破的最大的裝藥量。其中，裝藥量又分兩種情況，對於分段爆破指最大段藥量齊發爆破指總藥量,兩者對爆破地震效應的影響表現為：隨著最大藥量的增加，爆破地震的主振頻帶有往低頻發展的趨勢。對於微差爆破，雷管段數的增加有利於改善幹擾降震的效果，但在爆破的近區這種降震效果並不明顯，對於多段毫秒延期爆破，增加段裝藥量並不預示著一定會使最大振動速度增加。另外，隨著總藥量的增加，爆破振動信號主頻所攜帶的能量有明顯的增加。

裝藥量可根據炸藥單耗和孔排距計算，炸藥單耗的確定是非常複雜的。對於每一種岩石，在一定的炸藥與爆破參數下，隻有一個合理的單耗。實踐表明，單純的增加單耗對提高爆破效果是徒勞的，有時甚至是有害的，這樣做隻能是把能量消耗在岩石的過度粉碎和增加爆破的有害效應上。影響炸藥單耗的因素很多，主要有岩石的可爆破性，炸藥種類，臨空麵條件，起爆方式和塊度要求等。選取合理的單耗往往根據實踐經驗或爆破實驗來確定。對單孔裝藥量也必須以保證必要的堵塞長度為前提，如裝藥量滿足設計要求，而堵塞長度不夠，很容易形成衝天炮，爆破效果不理想。

（2）爆心距

從各國的經驗公式中可以看出，爆心距與爆破地震強度存在反比關係。研究表明：隨著爆心距的增加，信號的總能量不斷衰減，高頻部分比低頻部分衰減的要快，爆破振動主頻有往低頻發展的趨勢。由於工程結構體的自振頻率往往較低，因此爆破地震波在傳播的過程中雖然其振動強度不斷衰減，但其破壞效應可能更大；隨著爆心距的增加，爆破振動信號的能量重心在往低頻發展的同時，信號的能量分布更加發散，主震頻帶的寬度增加。

（3）傳播介質

上麵的經驗公式表明，傳播介質對爆破地震強度有非常重要的影響，在一定條件下，質點振動速度與其應力的大小成正比，而應力的大小與應力波傳播途徑的介質的特性有關，所以傳播途徑也是影響爆破振動強度的重要因素。研究表明^[11],在爆破荷載作用下,近距範圍內爆破振動速度迅速衰減,中遠距範圍內爆破振動速度衰減趨緩;傳播介質為Ⅰ～Ⅲ級岩體時,隨著岩體質量降低,K值有增大趨勢,對於Ⅳ～Ⅴ級岩體,K值變化沒有明確的規律;a值總體上具有隨岩體質量降低而增大的趨勢,從式子中可以看出K、a值具有與爆破振動速度近似相同的增減關係。

（4）炸藥爆轟速度 ^[12]

根據爆轟與岩石碰撞的彈性波理論，炸藥爆炸後作用於炮孔壁的最大徑向壓力為：

                     （2-2）

式中： ， 分別為岩石、炸藥密度；C、D為岩石縱波速度與炸藥爆速。

爆炸應力波壓力隨傳播距離衰減規律為：

                    （2-3）

式中： 為藥包半徑；r為爆炸應力波傳播到達距離； 為波衰減指數； 為泊鬆比，且r處質點爆破振動速度V 與該處壓力 關係為：

                           （2-4）

因此，對某種岩石， 屬定值，震速隨壓力的增大而增大，隨其壓力的減小而減小。即震速與爆轟速度亦成正比。

（5）臨空麵條件

根據利氏理論，炸藥爆炸的能量分配與藥包埋置深度即臨空麵條件有直接關係。臨空麵起到反射拉應力波和聚能作用。因此，臨空麵的大小和數目對爆破效果有著明顯影響。當臨空麵隻有1個時，爆破作用受到岩石夾製作用大，爆破困難，單位岩石耗藥量增大。因此，施工中臨空麵隻有1個時，要人為創造臨空麵，以改善爆破效果。比如在深孔梯段爆破中，如臨空麵隻有l個，可設計采用第1排為小孔距，並適當加大裝藥量，其後為正常孔距，采用微差爆破的方案。這樣第l排孔爆破結束後就形成一個較大的爆破漏鬥，增加了一個臨空麵。此法能使岩石得到充分破碎。而對保留岩體的破壞也最小，爆破效果非常理想。當然，還可利用現場地形形成臨空麵，但要考慮爆破方法對拋擲方向、距離和堆積形狀的影響，以確保爆破後的清方工作順利進行。但要注意，如果臨空麵太多也會影響爆破效果。這是因為當臨空麵超過4個時，爆破能量分散，臨空麵反而起不到聚能作用，且缺少了岩石的夾製作用（當然這種夾製作用有時是有害的），導致大塊率增多。比如工程施工中，有時需要對大塊孤石進行爆破，但孤石爆破後往往被炸成大塊，並非想象的那樣出現大量碎石。一般情況下，藥包埋置深，臨空麵條件不好，炸藥爆炸的能量在岩石彈性變形方麵消耗的比例增大，即引起的爆破振動強度大，反之則減小。

（6）節理、裂隙與預裂縫

岩體中含有節理裂隙時，應力波傳到界麵後會產生反射和折射，若預裂縫中全由空氣充填而無其他物質，則預裂縫起到了隔振作用。

（7）段數

微差爆破振動信號的優勢能量主要分布在主震頻帶，工程結構是一個包含眾多子結構的係統，個字結構的固有特性各不相同，因而其對爆破振動的響應具有多模態，多振型的特點；隨著雷管段數的增加，爆破振動信號的極高頻和極低頻所占比例都有所減少，中低頻成分所占的比例增加，信號的能量有往主震頻帶集中的趨勢，從而起到幹擾降震的效果。

（8）微差間隔時間

間隔時間的長短對爆破效果的影響極大。時間過短則後爆孔可能因先爆孔未形成新的臨空麵而起不到微差的目的，且易產生強烈的地震效應；而時間過長先爆孔飛石則可能將後爆孔的起爆網路破壞。間隔時間的確定主要依據岩石特性，布孔參數，岩石破碎要求等因素。

通過實測波形分析表明^[9]：在毫秒延遲微差爆破中，隨著爆破規模的增大，延遲間隔也需要增長；毫秒延遲爆破引起的振動比齊發爆破具有幅值小、頻率高、持續時間短等特點。如果兩個波形相互疊加，其相位時差為0.5T或（n+0.5）T（n=1，2，3，……，n）時，疊加後的幅值最小，當相位差為T 時，則疊加後的幅值最大，理論和實測基本一致。

（9）孔網參數

利用大孔距、小排距、縮小抵抗線，適當控製孔深，超深值不宜過大時，爆破振動強度減弱。最小抵抗線小，爆破振動頻率高，土層地震波衰減快，房屋響應振動小，底部地震剪力和豎向慣性力均小^[13]。

（10）裝藥方式

當采用柱狀裝藥時，起爆藥包的位置決定著炸藥起爆後爆炸應力波的傳播方向和爆轟氣體的作用時間，對爆破效果的影響不容忽視。根據起爆藥包在炮孔中放置的方向不同，有3種不同的起爆方式：反向起爆，正向起爆，和中間(雙向)起爆。過去考慮施工操作方便，多用正向起爆，實踐證明，反向起爆能提高炮孔利用率，減小岩石破碎塊度，增大拋碴距離，降低炸藥消耗量。這是因為反向起爆時，爆轟波的傳播方向和岩石向臨空麵運動的方向一致，有利於在臨空麵形成反射拉伸應力波，從而提高了臨空麵附近岩石的破碎效果。藥包距臨空麵較