爆破振动影响因素及控制技术研究现状

2022-01-15罗志业

矿业安全与环保 2021年6期

孙冰，罗志业，曾晟，何旺

(1.南华大学土木工程学院，湖南衡阳 421001；2.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南衡阳 421001)

近年来随着我国经济的飞速发展，工程爆破在露天与地下开采、水利水电工程及城市交通建设等领域的应用日益增多。然而，由于爆破振动引起的一系列危害效应也愈加引起人们的关注。在爆区一定范围内，爆破振动不仅干扰居民的日常生活，甚至会造成建筑物结构破坏、边坡滑移、地下工程结构失稳和地基基础下沉等工程灾害问题，控制爆破振动的危害程度是工程爆破亟待解决的关键问题。目前国内外对爆破振动的传播特性、影响因素、控制措施和安全判据等进行了相关研究并取得了一定的进展，但是爆破振动受多重复杂因素影响，引起结构的动力响应复杂，对于如何采取科学的控制措施和制订合理的安全判据等问题还缺少系统的认识。因此，笔者首先基于爆破振动的衰减理论，从爆源条件和传播途径2个方面分析爆破振动的主要影响因素和控制技术，其次讨论波动破坏和响应破坏2种破坏机制下的爆破振动安全判据，最后提出现阶段在爆破振动影响因素、控制技术和安全判据等方面需要进一步研究的内容，为爆破振动减振防灾和安全防护提供参考。

1 爆破振动影响因素

由于爆破振动的影响因素具有多样性，导致爆破过程复杂。通过建立爆破振动速度与各影响因素之间的理论关系，可实现爆破振动的预测和控制。目前我国用于爆破引起的质点振动速度衰减规律的描述比较通用的是萨道夫斯基公式[1]：

(1)

式中：v为质点振动速度；K为场地系数；Q为单段最大装药量；R为爆心距；α为衰减指数。

卢文波等[2]认为爆破振动强度仅仅考虑单段装药量和爆心距的影响是不全面的，于是基于柱面波理论、球面波理论及长柱状装药子波理论推导了与炸药种类、装药结构、炮孔孔径和岩石性质等相关的衰减公式，其表达式如下：

(2)

式中：ρ为岩石密度；cP为岩石纵波波速；ρ0为炸药密度；D为炸药爆轰速度；γ为炸药等熵指数；k、β为与装药结构相关的系数，耦合装药条件下k和β均取1；a为炮孔半径。

式(2)是在单孔起爆条件下推导的衰减公式，多孔起爆时地震波的相互作用导致爆破振动产生叠加效应。而延期时间与爆破振动的叠加效应直接相关，是多孔延期爆破中至关重要的参数。陈仕海等[3]借助Heelan短柱状药包爆破振动理论，推导了与延期时间相关的质点振动速度表达式：

(3)

(4)

式中：vPi(t)、vSi(t)为第i个炮孔起爆时压缩波P波和剪切波S波引起的质点振动速度；l为装药长度；G为岩石剪切模量；cS为岩石横波波速；z为测点与爆源中心的垂直距离；t为振动持续时间；i为炮孔数目；d为延期间隔时间。

若采用多孔延期起爆方式，由于P波传播速度较S波快，会在中远区产生叠加效应，如图1所示[3]。

图1 多孔爆破叠加示意图

对于双孔爆破，延期时间越短，爆破振动的叠加效应越明显，发生叠加效应的爆心距越小，如图2 所示[3]。

图2 不同延期时间下双孔爆破质点峰值振动速度变化曲线

根据爆破振动衰减理论，爆源条件和传播途径是影响爆破振动的两大因素。其中，爆源条件因素主要包含炸药种类、孔网参数、单段最大装药量、装药结构和延期时间等；传播途径因素主要包含岩石性质、地质与地形条件、爆心距等。因此，在工程实践中进行爆破振动控制时，可采取调整爆破方法和爆破参数等措施，从爆源条件和传播途径2个方面对爆破振动进行控制。

2 爆破振动控制技术及措施

2.1 降低振源能量

1)控制单段最大装药量

单段最大装药量代表了爆炸时的最大瞬时输入能量，而最大瞬时输入能量对结构的破坏起决定性作用[4]。减少单段最大装药量是降低爆破振动强度最简单有效的方法，QIN Q H等[5]在大断面隧道开挖时采用控制单段装药量的方法将爆破振动速度控制在 1.5 cm/s 以内，确保了爆破安全；蒋培等[6]遵循少装药、短进尺、多循环的施工原则，通过减少单孔装药量降低单段起爆药量，将爆破振动速度降低了20%～30%；管志强等[7]在复杂环境下的大规模爆破中采用逐孔接力式起爆网路，将总药量分成932段分段起爆，严格控制了单段最大装药量，避免了爆破振动对大坝和油罐的破坏。

控制单段最大装药量的常用方法包括减少单孔装药量和调整同时起爆炮孔数量。而毫秒延期爆破技术利用延时雷管将总药量分段起爆，减少了同时起爆炮孔数量，是工程爆破中广泛用于控制爆破振动强度的有效方法之一[8-9]。

2)选择合理的延期时间

延期时间的选取是实现延期爆破降振的关键，不合理的延期时间不仅不能减振，反而会增大爆破振动强度。过短的延期时间下爆破振动的主振相叠加而导致振动加剧；过长的延期时间下每个炮孔产生的地震波发生分离而相当于互相独立的单孔爆破，虽有效避免了主振相叠加，但加长了振动持续时间且爆破效果也相对较差。因此，延期时间的选择较为复杂，对此不同学者有着不同的看法，曾晟等[10]指出地下开采的延期时间大于50 ms才能有效地降低爆破振动的危害；邓红卫等[11]认为延期时间不宜太长，孔间一至两个段别的延期方式更有利于爆破振动的控制。一般地，延期时间为25～110 ms时较为合适，具体时间的选取需考虑爆破方法和爆破环境等因素的影响，如浅孔爆破和保护对象较近的近区爆破应取小值，反之则应取大值[12]。

当延期时间选取为爆破振动波半周期的奇数倍时，可实现振动波波峰与波谷相抵消的干扰降振效果[13]。普通的毫秒非电雷管时间精度较低，且不能任意设置延期时间，无法实现干扰降振[14]。高精度电子雷管的研发为干扰降振提供了技术支撑。近年来，随着电子雷管的大力推广与广泛应用，从业人员对电子雷管干扰降振的问题越来越关注。管晓明等[15]发现电子雷管爆破比毫秒非电雷管爆破振动速度可减小60%以上；钟冬望等[16]认为爆破振动并非平稳信号，合理的孔间延期时间往往不是某一具体值，而是多个间断的时差区间；刘建友等[17]根据典型单孔爆破主振波的持续时间，指出干扰降振的炮孔延期时间为10～20 ms。另一方面，爆破振动信号处理技术的发展为分析延期时间提供了新方法；ALDAS等[18]利用小波信号和面波传播速度模拟不同延迟时间条件下的多孔爆破，得到实现干扰降振的最佳延期时间；邱贤阳等[19]结合HHT能量谱分析，研究表明干扰降振效果与段数、相邻振幅比和最大段药量位置有关。通过已有研究分析表明，采用电子雷管的干扰降振法减振效果较好，但是其技术尚未成熟，控制难度较大，还需进一步开展相关研究工作。

3)创造良好自由面

良好自由面有利于炸药爆炸能量的快速稀释，从而减少以地震波形式传播的能量，可减少炮孔的阻挡和夹制作用进而可避免形成“闷炮”，并降低爆破振动效应。目前有关自由面减振效应的研究主要基于不同自由面条件引起爆破振动峰值速度、频率和能量等的变化。汪万红[20]、LU W[21]等研究表明，自由面数量越多，面积越大，则爆破诱发的峰值振动速度越低；杨建华等[22]发现在自由面条件下爆破振动频率增大，并且抵抗线越小，振动频率越高；吴从师等[23]指出自由面数量越多，则爆破振动信号总能量越小，且能量更趋向高频分布，中低频能量有减小趋势。因此，良好的自由面可在降低爆破振动强度和避免地震波与大型结构发生共振等方面发挥重要作用，有利于爆破振动危害效应的控制。

获取良好自由面的方法包括设计合理的孔网参数、延期时间和起爆顺序等。赵文等[24]在尖山磷矿采用宽孔距小抵抗线爆破技术，通过调整孔网参数增加爆破漏斗角度，爆破后形成的凸弧形自由面面积更大，爆破振动强度更低；GUAN X M等[25]认为过短的延期时间不利于自由面的形成，提出了考虑自由面形成的延期时间计算公式；王因因等[26]在露天矿爆破开采时采用了斜线顺序起爆和V字形顺序起爆方式，先起爆炮孔为后起爆炮孔提供了良好自由面，起到了较好的减振作用。

2.2 阻隔地震波的传播

1)采用预裂爆破技术

预裂爆破过程中，当相邻的预裂孔被引爆时，孔壁岩石在猛烈的冲击压力和应力波作用下沿孔中心线出现初始裂纹，爆生气体准静态应力的作用会使裂纹扩展并连通，最终形成具有一定深度和宽度的预裂缝。由于预裂孔是设置在开挖边界上且在主爆区起爆之前起爆的密集炮孔，形成的预裂缝能阻隔爆破振动波向保护区传播，具有降低爆破振动和保护预裂面以外岩体的作用。

预裂爆破操作较为复杂，一旦控制不好则易增强爆破振动甚至造成预裂爆破失败。目前，国内外学者主要从装药条件、炮孔及孔网参数等方面研究预裂爆破的成缝质量和减振效果。蔡峰[27]认为合理的孔间距有利于预裂孔之间裂隙的贯通，并通过现场试验确定了切顶卸压沿空留巷开采的最优预裂孔孔间距；XIAO S S等[28]根据爆炸应力波和爆破气体作用下预裂孔附近的应力分布，推导出装药量、孔距和预裂孔到缓冲孔距离等参数的公式，为预裂爆破提供了理论指导；王建国等[29]通过优化炮孔直径、孔距和装药不耦合系数等参数，有效地降低了爆破振动效应和对边坡保留岩体的损伤。此外，数值模拟软件在预裂爆破的应用方面也较多，ALIABADIAN等[30]采用二维动态离散元分析法模拟了边坡预裂爆破，结果表明孔距和装药量是控制最终预裂形态的2个重要参数；李磊[31]利用LS-DYNA软件模拟双预裂孔爆破裂纹扩展，表明控制孔区域裂纹带分布密度和面积随着预裂孔间距的增大而减小。预裂爆破成功的关键在于设计合理的孔径、孔网参数和装药参数等，在工程实践中应通过工程经验类比初步确定爆破参数，再根据现场试验调整并优选爆破参数。

2)预设减振沟(孔)

在爆区和保护对象之间预设减振沟(孔)，可对地震波的传播起到反射和干扰作用，从而加快地震波的衰减，降低爆破振动强度。与减振沟相比，减振孔的减振效果相对较差，但减振孔施工更为简便，而且对保护对象的影响几乎可以忽略。

地震波经过减振沟(孔)时发生的振动机理十分复杂，目前尚未有爆破振动与减振沟(孔)参数之间的理论关系，但在减振沟(孔)参数对减振效果的影响方面已有一定研究。王利军等[32]指出对减振沟减振效果影响程度从大到小的参数依次为减振沟深度、爆心距和减振沟宽度；孙崔源等[33]研究表明，爆心距较大时减振孔几乎不起作用。一般地，深度和保护对象爆心距对减振沟(孔)的减振效果具有较大影响。深度越大、保护对象与爆源之间距离越小，则减振沟(孔)的减振作用越明显。因此，针对爆源近区建(构)筑物的保护可通过预设减振沟(孔)来减小爆破振动的破坏作用实现，同时要保证开挖(钻凿)深度大于保护对象的基础深度。

2.3 采用综合控制措施

爆破振动控制是一项综合技术，单一的控制技术措施往往很难在保证爆破效果和施工进度的前提下达到理想的减振目标。因此，若要最大程度地降低爆破振动强度，应根据爆区地形地质条件和周围环境因素，综合运用各种控制技术措施，在工程实际中扬长避短，将其降振作用发挥至最大。当前国内的专家在解决工程中的爆破振动问题时积极采用综合控制措施，如陈明星[34]为降低隧道下穿地面加油站的爆破振动，通过减少循环进度、分部及分序钻爆和延期起爆等弱振动爆破技术将加油站主要控制点的质点峰值振动速度控制在0.8 cm/s以内，确保了加油站安全；赖广文等[35]针对爆破区域紧邻运营地铁、居民区的复杂环境，对不同区域采取逐孔起爆、减振孔和孔底气垫层等综合降振措施，从而使爆破振动全程未超出控制指标；李红勇等[36]为使水下钻孔爆破振动控制达到最佳效果，从减振孔、起爆方式和堵塞措施等方面对爆破振动进行主动与被动联合控制，使爆破振动强度降低了64%以上，保护了邻近桥梁桩基。

3 爆破振动安全判据

3.1 基于波动破坏的安全判据

在爆破地震波的作用下，爆源近区的基岩、地下硐室围岩和混凝土衬砌等会产生开裂现象，这是由于地震波中的体波，特别是P波在传播介质结合面或表面处发生透、反射而产生拉伸和压缩作用造成的。在评价这种由地震波波动引起的破坏时需要考虑质点峰值振动速度与材料强度之间的关系，唐曌等[37]基于应力波传播理论和极限拉应力准则，结合数值模拟建立了拉应力峰值与质点振动速度之间的函数关系，得到了机场跑道的爆破振动速度安全阈值；吴忠仕等[38]采用现场测试与三维数值模拟相结合的方法，对近距离既有衬砌在爆破荷载作用下的振动速度峰值和应力进行分析，得到了既有衬砌安全振动速度判据和单段最大允许装药量。

3.2 基于响应破坏的安全判据

在爆破振动作用下中远区建筑物的损伤和边坡的失稳等主要是由结构的动力响应造成的。其中，以房屋为主的建筑物安全判据需综合考虑爆破振动速度、频率、持续时间，以及结构动力响应特征等因素。为此，许多学者试图通过频谱和能量分析探究建筑结构的安全判据，如魏海霞等[39]认为可使用简化模型作统一化输入分析爆破振动作用下建筑结构响应的频谱及能量特性，为爆破振动安全判据的频谱和能量分析提供了参考；中国生等[40]利用小波包能量谱分析爆破振动信号不同频带能量分布特征，结合受振结构对爆破振动的响应特性，首次建立了考虑爆破振动三要素和受控结构自身动态响应特征的响应能量判据；包辉[41]以爆破振动速度反应谱谱面积SR为特征值建立了考虑爆破振动综合作用效应和结构振动特性的安全判据。此外，边坡的动力失稳主要是由爆破振动引起边坡岩土体性质劣化和产生附加动力荷载作用造成的。目前，爆破振动作用下边坡动力响应分析的常用手段有极限平衡法和数值模拟分析法。陈明等[42]综合考虑振动频率、加速度及边坡体应力状态的相互关系，提出了边坡爆破动力稳定极限平衡分析的等效加速度计算方法；何怡等[43]利用离散元软件3DEC分析表明，爆破作用下台阶边坡的坡脚振动速度相对较大，指出应以坡脚为标准制订爆破振动安全判据；贾晓敏[44]运用FLAC3D软件模拟双台阶顺层边坡在爆破振动作用下的动力响应规律，得到了边坡动力响应规律及关键点位移、最大拉应力和抗剪屈服函数对边坡稳定性的影响。