爆破振动预测与控制技术

重庆市爆破工程建设有限责任公司孟祥栋

爆破地震是爆破工程三大危害之一，当爆破振动达到一定强度时，可造成爆源附近建(构)筑物破坏、边坡失稳以及地下工程片邦与冒顶，控制爆破地震效应已成为爆破工程界重要的研究课题。爆破生产实践中，常常根据被保护体的结构特性和保护级别所确定的安全振动速度来设计爆破参数，因此非常必要研究质点振动速度与爆破相关因素间的相互关系。

爆破振动的预测技术是近几年来新开辟的一门学科，涉及爆炸动力学、岩石动力学、信号学等诸多学科。实现爆破振动信号的预测，需熟知爆源作用机理及地震波的传播规律，然而达到此要求就需要首先掌握影响爆破振动的诸多因素及各自对振动信号的作用原理。本章主要介绍了爆破地震效应及对其研究的发展，结合实际的工程和相关的试验工作，系统地分析分散药包、微差爆破、装药结构等一系列因素和质点振动速度之间的关系。

2.1 爆破振动影响因素研究

在爆破地震波作用下，建(构)筑物的破坏程度主要取决于爆破振动的强度。而在衡量爆破振动强度的诸多物理量中，地面质点振动速度与建(构)筑物破坏的相关性最好，因此，各国都逐渐采用质点振动速度作为衡量爆破振动强度的物理量^[9]。

与天然地震相比，爆破地震的震源及爆破施工过程是人为进行的，在药量和爆源位置已知的情况下，人们可以根据周围的环境条件，通过严格的设计，改变起爆方式和采取一定的技术措施对爆破振动强度进行预测和控制，达到避免或减少爆破振动危害的目的。为了更好的了解爆破的作用机理及更直接有效的实施爆破控制，结合国内外在此方面的研究，提出了影响爆破振动效应的影响因素。

作为衡量爆破振动强度的三大要素，幅值、主频和振动持续时间的不同组合决定了爆破施工的安全与否，下面围绕影响这三个要素的因素做出探讨。

2.1.1 三大要素对地震效应的影响

（1） 振动速度

与天然地震一样，爆破地震的强度可以用加速度、速度和位移中的某一最大值或某种意义下的有效值表示，只是因为大量的现场试验表明，爆破振动强度与质点震速大小的相关性较好，且震速与岩土性质有较稳定的关系，而与质点振动位移及加速度都不具有这种关系^[9]。然而速度矢量在空间坐标中有三个方向（垂直方向、水平径向和水平切向），采用哪一个方向上的震速在爆破研究中一直是一个热点话题。目前国际上采用最普遍的是用质点的垂直振动速度作为衡量爆破振动强度的标准，但是这并不能全面的反映爆破结构破坏的实质。

（2） 振动主频

结构体对于介质中传来的地震波具有选择放大作用，这种作用主要表现在爆破地震中与结构体固有周期相近的谐波分量放大最多，使该波引起的振动最为激烈。即爆破振动的卓越周期与该结构体的固有周期一致时，将产生共振，使结构体的振幅大大增加。

（3）振动持续时间

研究表明^[10]，当振动频率和幅值相同时，不同的爆破振动持续时间引起的结构应力响应最大值是相同的，但对考虑累积损伤的结构来说，结构产生的塑性应变随振动持续时间的增加而增大。

以上分别讲述了爆破振动三要素对地震效应的影响，但三者并不是相互独立的，而是同时作用于爆破对结构损伤的全过程；另外，结构体受震破坏不仅仅取决于振动的幅值，而且还与振动频率和振动持续时间密切相关，有时后面的两个因素起到决定性的作用。因此，仅仅采用建筑物的振动峰值作为爆破振动破坏的标准是不能全面反映爆破振动破坏实质的。

2.1.2影响爆破地震效应的因素

（1）装药量

目前，我国的《爆破安全规程》中对振动峰值预测所采用的是前苏联的萨道夫斯基公式：

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

式中，V 为爆破振动速度, m/s; Q为装药量,对于分段爆破取最大段药量齐发爆破取总药量,kg;R为爆心距,m; K，a分别为爆破条件、岩石特性等有关的系数。

从经验公式可以看出，爆破振动强度正比于爆破的最大的装药量。其中，装药量又分两种情况，对于分段爆破指最大段药量齐发爆破指总药量,两者对爆破地震效应的影响表现为：随着最大药量的增加，爆破地震的主振频带有往低频发展的趋势。对于微差爆破，雷管段数的增加有利于改善干扰降震的效果，但在爆破的近区这种降震效果并不明显，对于多段毫秒延期爆破，增加段装药量并不预示着一定会使最大振动速度增加。另外，随着总药量的增加，爆破振动信号主频所携带的能量有明显的增加。

装药量可根据炸药单耗和孔排距计算，炸药单耗的确定是非常复杂的。对于每一种岩石，在一定的炸药与爆破参数下，只有一个合理的单耗。实践表明，单纯的增加单耗对提高爆破效果是徒劳的，有时甚至是有害的，这样做只能是把能量消耗在岩石的过度粉碎和增加爆破的有害效应上。影响炸药单耗的因素很多，主要有岩石的可爆破性，炸药种类，临空面条件，起爆方式和块度要求等。选取合理的单耗往往根据实践经验或爆破实验来确定。对单孔装药量也必须以保证必要的堵塞长度为前提，如装药量满足设计要求，而堵塞长度不够，很容易形成冲天炮，爆破效果不理想。

（2）爆心距

从各国的经验公式中可以看出，爆心距与爆破地震强度存在反比关系。研究表明：随着爆心距的增加，信号的总能量不断衰减，高频部分比低频部分衰减的要快，爆破振动主频有往低频发展的趋势。由于工程结构体的自振频率往往较低，因此爆破地震波在传播的过程中虽然其振动强度不断衰减，但其破坏效应可能更大；随着爆心距的增加，爆破振动信号的能量重心在往低频发展的同时，信号的能量分布更加发散，主震频带的宽度增加。

（3）传播介质

上面的经验公式表明，传播介质对爆破地震强度有非常重要的影响，在一定条件下，质点振动速度与其应力的大小成正比，而应力的大小与应力波传播途径的介质的特性有关，所以传播途径也是影响爆破振动强度的重要因素。研究表明^[11],在爆破荷载作用下,近距范围内爆破振动速度迅速衰减,中远距范围内爆破振动速度衰减趋缓;传播介质为Ⅰ～Ⅲ级岩体时,随着岩体质量降低,K值有增大趋势,对于Ⅳ～Ⅴ级岩体,K值变化没有明确的规律;a值总体上具有随岩体质量降低而增大的趋势,从式子中可以看出K、a值具有与爆破振动速度近似相同的增减关系。

（4）炸药爆轰速度 ^[12]

根据爆轰与岩石碰撞的弹性波理论，炸药爆炸后作用于炮孔壁的最大径向压力为：

                     （2-2）

式中： ， 分别为岩石、炸药密度；C、D为岩石纵波速度与炸药爆速。

爆炸应力波压力随传播距离衰减规律为：

                    （2-3）

式中： 为药包半径；r为爆炸应力波传播到达距离； 为波衰减指数； 为泊松比，且r处质点爆破振动速度V 与该处压力 关系为：

                           （2-4）

因此，对某种岩石， 属定值，震速随压力的增大而增大，随其压力的减小而减小。即震速与爆轰速度亦成正比。

（5）临空面条件

根据利氏理论，炸药爆炸的能量分配与药包埋置深度即临空面条件有直接关系。临空面起到反射拉应力波和聚能作用。因此，临空面的大小和数目对爆破效果有着明显影响。当临空面只有1个时，爆破作用受到岩石夹制作用大，爆破困难，单位岩石耗药量增大。因此，施工中临空面只有1个时，要人为创造临空面，以改善爆破效果。比如在深孔梯段爆破中，如临空面只有l个，可设计采用第1排为小孔距，并适当加大装药量，其后为正常孔距，采用微差爆破的方案。这样第l排孔爆破结束后就形成一个较大的爆破漏斗，增加了一个临空面。此法能使岩石得到充分破碎。而对保留岩体的破坏也最小，爆破效果非常理想。当然，还可利用现场地形形成临空面，但要考虑爆破方法对抛掷方向、距离和堆积形状的影响，以确保爆破后的清方工作顺利进行。但要注意，如果临空面太多也会影响爆破效果。这是因为当临空面超过4个时，爆破能量分散，临空面反而起不到聚能作用，且缺少了岩石的夹制作用（当然这种夹制作用有时是有害的），导致大块率增多。比如工程施工中，有时需要对大块孤石进行爆破，但孤石爆破后往往被炸成大块，并非想象的那样出现大量碎石。一般情况下，药包埋置深，临空面条件不好，炸药爆炸的能量在岩石弹性变形方面消耗的比例增大，即引起的爆破振动强度大，反之则减小。

（6）节理、裂隙与预裂缝

岩体中含有节理裂隙时，应力波传到界面后会产生反射和折射，若预裂缝中全由空气充填而无其他物质，则预裂缝起到了隔振作用。

（7）段数

微差爆破振动信号的优势能量主要分布在主震频带，工程结构是一个包含众多子结构的系统，个字结构的固有特性各不相同，因而其对爆破振动的响应具有多模态，多振型的特点；随着雷管段数的增加，爆破振动信号的极高频和极低频所占比例都有所减少，中低频成分所占的比例增加，信号的能量有往主震频带集中的趋势，从而起到干扰降震的效果。

（8）微差间隔时间

间隔时间的长短对爆破效果的影响极大。时间过短则后爆孔可能因先爆孔未形成新的临空面而起不到微差的目的，且易产生强烈的地震效应；而时间过长先爆孔飞石则可能将后爆孔的起爆网路破坏。间隔时间的确定主要依据岩石特性，布孔参数，岩石破碎要求等因素。

通过实测波形分析表明^[9]：在毫秒延迟微差爆破中，随着爆破规模的增大，延迟间隔也需要增长；毫秒延迟爆破引起的振动比齐发爆破具有幅值小、频率高、持续时间短等特点。如果两个波形相互叠加，其相位时差为0.5T或（n+0.5）T（n=1，2，3，……，n）时，叠加后的幅值最小，当相位差为T 时，则叠加后的幅值最大，理论和实测基本一致。

（9）孔网参数

利用大孔距、小排距、缩小抵抗线，适当控制孔深，超深值不宜过大时，爆破振动强度减弱。最小抵抗线小，爆破振动频率高，土层地震波衰减快，房屋响应振动小，底部地震剪力和竖向惯性力均小^[13]。

（10）装药方式

当采用柱状装药时，起爆药包的位置决定着炸药起爆后爆炸应力波的传播方向和爆轰气体的作用时间，对爆破效果的影响不容忽视。根据起爆药包在炮孔中放置的方向不同，有3种不同的起爆方式：反向起爆，正向起爆，和中间(双向)起爆。过去考虑施工操作方便，多用正向起爆，实践证明，反向起爆能提高炮孔利用率，减小岩石破碎块度，增大抛碴距离，降低炸药消耗量。这是因为反向起爆时，爆轰波的传播方向和岩石向临空面运动的方向一致，有利于在临空面形成反射拉伸应力波，从而提高了临空面附近岩石的破碎效果。药包距临空面较