改良型中深孔爆破振动频率研究

闫鸿浩，赵碧波，李晓杰

(大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116023)

改良型中深孔爆破振动频率研究

闫鸿浩，赵碧波，李晓杰

(大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116023)

针对A，B，C，D四种改良型中深孔爆破，详细计算这四种改良类型的爆炸荷载时长，并与相对应的普通类型进行对比。通过非对称三角形荷载的频谱分析，发现荷载时长与频率成反比例关系；在此基础上，研究表明改良型中深孔爆破在一定程度上提高了爆破振动频率，降低了建筑物发生共振的几率，实现了增频降幅的目的。以大连市辛寨子地铁明挖车站为例，该工程项目采用浅孔和A、C改良型中深孔联合爆破技术，达到了降低造价、缩短工期的目标。

爆破振动；振动频率；改良型中深孔

“爆破安全规程：GB 6722—1986”规定：一般建、构筑物的爆破地震安全性应满足安全振动速度的要求，即现行规程是用质点振动速度表示地震强度的。但是，随着爆破技术的发展，人们认识到单一的速度评判标准已经不能满足日益复杂爆破环境的需要，只有同时考虑振动速度和频率才能比较全面地对爆破地震安全进行评估[1]。“爆破安全规程：GB 6722—2014”体现了频率的要求，给出了不同频率段下不同类型建构、筑物的爆破振动速度安全允许范围。同时当爆破振动波的主频与建筑物的固有频率接近时，即使较小的爆破振动也会产生较强的爆破振动效应，从而造成建、构筑物的破坏[2-3]。

爆破振动降幅的研究已经很广泛，主要通过降低单段起爆药量来控制爆破振动幅值。然而对于增频降幅的研究并不是很多，这里有技术潜力可以挖掘。假设在单段药量不变的情况下，提高爆破振动主频，那么被保护物允许的爆破振动速度幅值可以取大一些[4]。根据“爆破安全规程：GB 6722—2014”，露天深孔爆破的振动频率10～60 Hz，露天浅孔爆破的振动频率分布在40～100 Hz，地下深孔爆破的振动频率分布在30～100 Hz，地下浅孔爆破的振动频率在60～300 Hz。综上分析，浅孔爆破的振动频率高于深孔爆破的振动频率。如果实现深孔爆破的浅孔化、高频化，并能控制振动速度幅值的话，那么对于推进工程进度及节约成本将有巨大影响。

20世纪90年代，国外的研究者也针对如何减少爆炸振动的低频能量进行了研究。其中许多研究者认为，能够通过调整炮孔间隔时间来控制爆炸外部振动频率，从而达到减少低频能量的目的。Blair[5]认为振动幅值频谱是由均匀间隔延时爆破引起的，如果能精确地控制延时时间，也就能控制爆破振动的频率。后续的研究表明典型的延时扩散能够减小振动频谱峰值[6]。此方法的核心是控制炮孔起爆时间。在调高单孔爆破振动基频基础上，再配合孔外高精度雷管延时，实现整体爆破振动频率升高。这就要求对于各个炮孔的起爆时间进行精密的控制，直到最近五年来，电子雷管的应用才使这一技术得以实现。与其相比较而言，本文提出的方法更简便实用。

1 改良型中深孔爆破频率计算

1.1 装药形状改良

区别于以往耦合与不耦合的装药方式，对于孔径为80 mm、90 mm、100 mm和110 mm四种不同大小孔径，采取不同的装药方式，如图1所示。

图1 深孔改良类型Fig.1 The modified deep hole styles

分析表1，采用直径32 mm的乳化炸药，把1 kg/m线密度装药提高到3.0～6.0 kg/m，把110 mm直径的装药线密度10 kg/m、90 mm直径的装药线密度8 kg/m降低到3.0～6.0 kg/m，既保证了小孔的做功能力又防止大孔单孔药量过大引起振动速度超标，同时对于起爆网路中的单段药量控制提供了基础条件。另外，表1给出了不同类型装药的不耦合系数。

表1 深孔改良型号Tab.1 The modified deep hole styles

1.2 非对称三角形载荷的频谱分析

岩体爆破是一个瞬时的复杂过程。炸药在爆孔中爆炸时，瞬间产生高温高压的气体，在有限的空间里急剧膨胀，产生爆炸冲击波，同时作用于周围岩体，并很快衰减为应力波。整个过程仅仅持续数毫秒。人们在数值模拟时，把破碎圈的边界作为边界条件来计算岩体中的振动情况，同时采用三角形载荷。根据研究知，三角形载荷持续时间长度应该代表载荷的主周期，这就使控制载荷释放的快与慢来调整单孔主振频率成为可能。为验证其持续时长是否为载荷的主周期，采用非对称三角载荷，改变持续时长，选择10 ms与100 ms进行分析。

非对称三角载荷，时长10 ms，载荷表达式(1)，图2为载荷图。对其进行频域分析，得到功率谱密度，如图3所示。功率谱密度采用lg坐标，当采用线性坐标时，对频率计算不具贡献，应略去。其主频≈100 Hz，这与载荷时长10 ms相对应，并且其余频率为主频的倍数。

(1)

图2 非对称三角载荷(10 ms时长)Fig.2 Asymmetric triangular load (10 ms duration)

图3 非对称三角载荷功率谱密度Fig.3 Power spectral density of asymmetric triangular load

非对称三角载荷，时长100 ms，载荷表达式如(2)，图4为载荷图。对其进行频域分析，得到功率谱密度，如图5所示。功率谱密度采用lg坐标，当采用线性坐标时，对频率计算不具贡献，应略去。其主频≈10 Hz，这与载荷时长100 ms相对应，并且其余频率为主频的倍数。

(2)

图4 非对称三角载荷(100 ms时长)Fig.4 Asymmetric triangular load (100 ms duration)

图5 非对称三角载荷功率谱密度Fig.5 Power spectral density of asymmetric triangular load

1.3 改良型中深孔爆破频率计算

假设爆炸荷载来源于粉碎区加载段和破裂区卸载段，总的时间历程是初始启动到破裂区的边界。介质中的质点运动，如果在弹性范围内，质点恢复到原位。而在强荷载下，质点不能驻留在原地，而是产生移位。如果把观察点放在裂纹的尖端，粉碎或破裂的岩石减速向柱形装药中心方向运动。如果把质点移动速度和破裂半径联系起来，则荷载运行的历程可以求解。

设炸药密度ρ0，爆速D，爆压Pcj，绝热指数γ，装药半径Re，孔径R0，a和b是介质冲击波参数，其柱形装药爆炸后，考虑耦合不耦合装药情况下孔壁上产生的压力及最大质点速度计算如下：

(3)

Pmax=Pcj(coupling charging)

(4)

η=R0/Re

(5)

Pmax=Pcj×(1/η)2γ(decoupling charge)

(6)

Dmax=a+bumax

(7)

Pmax=ρmDmaxumax

(8)

破裂区域的边界半径Rmax对应的最小压力为Pmin，计算最大破裂半径及对应的质点速度采用如下公式：

2πR0ρmumax=2πRmaxρmumin

(9)

Dmin=a+bumin

(10)

Pmin=ρmDminumin

(11)

在破裂的边界，压强等于岩石的抗压强度[σ]max，荷载持续时间ΔT计算：

Pmin=[σ]max

(12)

(13)

当炸药爆速D=3 200m/s，绝热指数γ=1.2，外层介质取花岗岩ρm=2 630kg/m3，a=2 100m/s，b=1.63m/s，[σ]max=130MPa，爆破荷载时长计算，如表2所示。

表2 改良型中深孔爆破荷载时长Tab.2 Blasting load length of modified middle-deep hole

对比表2和表3可知：在同种传播介质中，药量相同的条件下改良型中深孔爆破具有较短的荷载时长。由前面提出的非对称三角荷载荷载时长与频率的关系，可以发现在其他条件相同时改良型较之普通型具有更高的爆破振动频率，通过计算发现平均提高了39.52%。

表3 普通型中深孔爆破荷载时长Tab.3 Blasting load length of normal middle-deep hole

通过对以上公式和表格的分析能够得出改良型提高爆破振动频率的原理：通过比较式(4)和式(6)能发现不耦合装药孔壁产生的最大压力由于空气介质的影响比耦合装药所受压力更小一些，这种变化造成最大质点速度降低。式(9)和式(13)结合可以得出式(14)。

(14)

当最大质点速度umax下降时，其他值保持不变，能够很直观的看出荷载持续时间ΔT随之减小，相对应的振动频率也就提高。查阅《爆破安全规程》关于爆破振动安全允许振速的规定，当<10 Hz时，一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物的安全允许振速为2.0～2.5 cm/s。如果采用改良中深孔爆破，频率将提升40%左右。此时频率将处于10～50 Hz之间，在这个频率区间下，安全允许振速变为2.3～2.8 cm/s，这将有利于周围建筑物的防护。

研究发现爆破振动可以看成不同频率谐波分量的叠加，可以将这些谐波分量单独进行考虑。根据有关单自由度系统研究[7]，它们在作用同一建筑物时，由于各自频率的不同，对应的位移放大系数也不同，只有与建筑物固有频率接近的谐波分量会得到最大程度的放大。这也就是所谓的共振。对于普通房屋建筑结构，它们的频率分布大都处于较低的水平[8]。因此本文提出的提高爆破振动频率的方法能够很有效地避免房屋的共振。

单独分析表3可知，在传播介质和不耦合系数相同的条件下，增加单孔药量，荷载时长也会随之增加。也就是说爆破振动产生的频率与药量呈反比，这与孟海利等[9]、张立国等[10]、卢文波等[11]的研究成果一致，证明计算公式采用的假设合理。

2 工程应用案例分析

辛寨子车站(中铁十一局承建)总长478.85 m，设计始、终点里程为CK29+220.166～CK29+673.466。主体分两部分，一部分为客运线，另一部分为存车线。客运线标准段宽度为20.5 m，存车线标准段宽度为26 m。车站类别为双地下岛式站，客运线段分为站厅层和站台层，存车线段分层只以横梁隔断。站台中心处底板顶面标高为17.585 m。车站起点处规划地面标高为34.750 m，终点处规划顶面标高为33.020 m，车站平均埋深约17 m。从基坑冠梁顶至基坑底深度16.0 m。所处地层主要为黏土层(Qa1+p1)，碎石土层及泥质灰岩层(Zwhn)。岩土层分界面起伏较大，黏土层厚2.7～3.4 m，风化碎石土层厚0.5～12 m，车站基坑泥质灰岩层厚2～14 m。基坑底需进行爆破施工的基岩层平均厚度约为8 m。主体基坑面积为9 600.0 m2，钻爆方量约为76 800 m3。该车站的南端区域为改良型中深孔爆破试验区，西侧距离二层楼房群25 m，东侧距离市政道路25 m，南侧为暗挖区间。基坑的两侧有围护桩，在爆破施工时不仅需要控制居民房屋的振动，还要注意爆破对围护桩的影响(见图6)。

图6 周边环境图Fig.6 The picture of surroundings

2.1 浅孔爆破参数

该项目前期的工期要求不紧，基坑采用浅孔爆破

开挖，爆破施工相应分区分段进行。首先在基坑中间开槽，为侧帮开挖创造爆破临空面。中间开槽采用浅孔加强爆破，开槽后两侧岩体爆破采用浅孔松动爆破，并控制浅孔与围护桩距离>50 cm，以控制或减小爆破对围护桩的不利影响。炸药采用乳化炸药，规格为φ32×200 mm。

每层厚度平均为2.0 m，开槽宽度8 m，两侧预留6 m，采用气腿凿岩机钻孔，孔径为42 mm。图7为浅孔爆破区域及起爆网路图(只是基坑的一半宽度示意)。

图7 浅孔爆破区域及网路Fig.7 The area and network of shallow hole blast

开槽区域：孔距、排距各1 m，孔深2.2 m，每孔装药0.8 kg，填塞1.4 m。孔内用Ms-9段非电导爆管雷管，地表采用Ms-3段非电导爆管雷管，换排采用Ms-5段非电导爆管雷管。四孔一族，单段药量3.2 kg，排的走向与基坑的中心线平行。

侧帮爆破：由于开槽开挖后为两侧侧帮提供了爆破临空面，可将侧帮的炸药单耗降低。孔距与排距为1.2 m，孔深2.2 m，每孔装药0.8 kg，填塞1.4 m。孔内用Ms-9段非电导爆管雷管，地表采用Ms-3段非电导爆管雷管，换排采用Ms-5段非电导爆管雷管。两孔一族，单段药量1.6 kg，排的走向与基坑的中心线平行，且第一排的孔距离临空面的间距>1.4 m。

2.2 改良型深孔爆破参数

当爆破开挖进度完成60%时，由于轨道调线调坡工期临近，剩余工程必须在当年10月之前完成，基于此情况对爆破施工进行了优化，放弃中间拉槽浅孔爆破，采用改良型中深孔爆破。采用C型改良装药方式，每捆5卷乳化炸药，1 kg×200 mm，钻孔直径100 mm，给出不同孔深装填参数(见表4)。

表4 爆破装填参数Tab.4 Blasting loading parameters

分段进行爆破作业，每次爆破总药量不超过1 t，并对剩余标高进行一次性爆破开挖，超深0.5 m。

孔内分层装药有两个目的：①能保证被爆破岩体均匀破碎；②可以通过调整雷管段别控制单段最大药量，进而控制爆破振动。孔内采用Ms-9段与Ms-7段两个段别雷管；孔外使用Ms-3段雷管，换排采用Ms-5段雷管。

为避免爆破对围护桩产生影响，在基坑的边界距离围护桩0.8 m处，打设预裂爆破孔，直径80 mm。孔内采用A型改良装药方式，使用Ms-9段与Ms-7段两个段别雷管；孔外使用Ms-2段雷管，通过Ms-11段雷管调整延时间隔，先于主爆区起爆(见图8)。

图8 改良型中深孔起爆网路Fig.8 Initiating network of modified middle-deep hole

2.3 爆破振动监测结果

爆破施工时，进行了爆破振动测试。在居民房屋处布监测点，其垂直方向上振动图谱，如图9所示。最大振动速度0.973 4 cm/s，振动主频27.778 Hz；水平方向上振动图谱，如图10所示。其最大振动速度0.876 4 cm/s，振动主频35.714 Hz。根据《爆破安全规程》，露天深孔爆破的振动频率10～60 Hz，露天浅孔爆破的振动频率分布为40～100 Hz，垂直方向上27.778 Hz落在深孔爆破振动频率范围；为什么达不到浅孔爆破振动频率？①是本测点距离爆破点>30 m，近距离无测点，爆破振动频率的主频随距离的增加而降低；②本基坑富含水，不耦合装药结构受到了水的影响，带来振动频率的降低。35.714 Hz接近于浅孔爆破的振动频率范围。

该振动图谱分两个区域，第一区域分布在0～0.5 s，另一个区域分布在1.0～2.5 s。两个振动区域是因为在主爆破区爆破之前，在基坑靠近围护桩的两侧首先进行了预裂爆破，孔距1.0 m，封口2.5 m，孔与孔之间采用MS-2段非电导爆管雷管。预裂爆破与主爆区之间用Ms-11段雷管过渡连接，其理论上时间间隔为460 ms，与实测数据基本一致。

在4个月的有效工作期内，飞石控制良好，累计完成2.5 万m3的爆破任务，保证了车站主体工程的工期。当然只从爆破与开挖这两个工序来讲不需要这么长的工期，因为对于地铁车站的明挖还涉及到支护、结构主体施工等其它交叉工序。但是至少可以说爆破方面没有影响工期。另外，从工程造价上分析，测算单位岩土立方爆破造价相对于浅孔爆破有50%的降低，这是十分可观的，对于未来城镇建设的爆破工程，本方法具有很好的参考价值。

图9 垂直向爆破振动图Fig.9 Blasting vibration toward vertical direction

图10 水平向爆破振动图Fig.10 Blasting vibration toward horizontal direction

3 结 论

文章在增频降幅理论基础上，给出了改良型中深孔爆破概念，并对爆破振动频率进行研究。通过对中深孔爆破装药方式进行改良，既可以很好的控制爆破振动，又能缩短工期和降低工程成本。另外，从爆破振动增频降幅机制分析来看，采用这种改良方式，实现了耦合向不耦合装药转变，其爆破振动频率得到了提高，减少了周边建筑物发生共振的可能性，避免了周边保护物的震动破坏。从国内外工程爆破界来讲，目前还没有文献给予相关介绍，所以此方法对未来城镇复杂环境下的露天爆破而言，无疑是一种进步。广大科技工作者可以根据不同的改装型号，动态调整及控制最大单段起爆药量，进而加快推进工程进度并节约成本。

当然还有一些问题需要探讨，比如孔外雷管的延时间隔大小对爆破振动频率的影响还有待进行深入探讨。同时需要说明的是文中在计算改良型中深孔不耦合系数时，采用的是等效面积法，这种方法忽略了改良型和传统不耦合装药结构的区别，这种计算方法目前还无法对两者的荷载持续时间和振动频率进行比较，这一难点是今后需要考虑和研究的问题。通过实践发现此类改良型装药结构与孔壁的间隙明显要小于传统不耦合装药，多个药柱之间存在的空腔有利于飞石控制。

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The study of blasting vibration frequency on modified middle-deep hole

YAN Honghao, ZHAO Bibo, LI Xiaojie

(State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

For the A, B, C, D four kinds of modified middle-deep hole blasting, detailed calculation was performed for the blasting load length of the four styles and compared with normal middle-deep hole blasting. By spectrum analysis of asymmetric triangular load, it is found that there is an inverse proportional relationship between the load duration and the frequency. The study shows modified styles improve blasting vibration frequency to some extent, reduce the chance of building resonance, and achieve the goal of increasing frequency and decreasing amplitude. An application of open-cut subway station at Xinzhaizi of Dalian city, which uses joint blasting technology of combining the shallow hole with the modified middle-deep hole of A and C styles, was used to as an example. The program achieves the aim of reducing cost and shorting the time limit.

blasting vibration; vibration frequency; modified styles middle-deep hole

2015-12-31 修改稿收到日期： 2016-05-17

闫鸿浩 男，博士，副教授，1975年生

E-mail: 923309973@qq.com

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10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.016