戴革林，周弘揚(yáng)，王為奎

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空彈藥系，江蘇徐州 221000)

我軍械倉(cāng)庫(kù)大都處于山區(qū)與丘陵地帶，近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)以及高鐵隧道開(kāi)挖等民用爆破工程的逐年增多，基于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，有的民用爆破工程距離倉(cāng)庫(kù)很近，特別是大、中型硐室爆破、隧道掘進(jìn)爆破的施工直接威脅庫(kù)存彈藥的質(zhì)量安全，除引發(fā)軍民糾紛外也給庫(kù)存彈藥留下大量質(zhì)量不明的“定時(shí)炸彈”［1-2］。由于爆破引起的震動(dòng)時(shí)間較短以及軍械倉(cāng)庫(kù)缺少必要的爆破震動(dòng)監(jiān)控手段，這類受爆破震動(dòng)影響后的彈藥的危險(xiǎn)性與隱蔽性極強(qiáng)，給庫(kù)存彈藥的碼垛、裝卸、運(yùn)輸?shù)惹趧?wù)處理帶來(lái)極大的安全隱患。

1 爆破震動(dòng)的機(jī)理

當(dāng)炸藥在巖石內(nèi)部爆炸時(shí)，爆破沖擊波與壓縮波將巖石破壞，當(dāng)壓縮波到達(dá)一定距離后，再也不能引起巖石的破裂，只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)的彈性震動(dòng)，這種震動(dòng)以彈性波的形式向外傳播，引起沖擊波、壓縮波與地震波。當(dāng)距離大于150 倍藥包半徑時(shí)，壓縮波變?yōu)榈卣鸩āＫc天然地震一樣也會(huì)引起介質(zhì)內(nèi)部與地面的震動(dòng)，圖1 表示了爆破地震波的形成與傳播機(jī)理。

圖1 爆破地震波的形成與傳播機(jī)理

地震波具有遠(yuǎn)距離傳播特性，是由若干復(fù)雜波組成，可分為體波(包括縱波與橫波)與面波(包括瑞利波與勒夫波)［3-4］，可在介質(zhì)內(nèi)傳播，也可對(duì)介質(zhì)進(jìn)行拉伸與壓縮，引起遠(yuǎn)處地面震動(dòng)與地面建筑物的破壞［5］。當(dāng)然，工程中可以通過(guò)控制如爆炸震源的大小和位置以及爆心距、裝藥量等因素影響質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度以及加速度從而可以控制爆炸震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。

1.1 震動(dòng)速度模型分析

我國(guó)計(jì)算爆破震動(dòng)安全允許速度為［6］

式中:r 為藥包半徑(mm); V 為地震波引起的保護(hù)對(duì)象所在地面所產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度(cm/s); Q 為單次爆破藥量(kg);R 為爆破中心到保護(hù)物距離(m); K、α 為地質(zhì)條件系數(shù)與衰減系數(shù)，數(shù)值按照《爆破安全規(guī)程》中的規(guī)定選取。

由此可以計(jì)算保護(hù)對(duì)象(樓房、庫(kù)房、庫(kù)存彈藥)所在地面所產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度，質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度隨單次爆破藥量增大而增大，隨距離的增大而減小。

1.2 震動(dòng)加速度模型分析

通過(guò)地震波觀測(cè)數(shù)據(jù)研究表明，同時(shí)應(yīng)該考慮離爆心的距離和炸藥當(dāng)量的影響，也就是在構(gòu)造幅值包絡(luò)線函數(shù)L(t)時(shí)應(yīng)考慮到距離和炸藥當(dāng)量的影響。

關(guān)于爆炸地震波的模擬理論分析方面，曾德斌等將M.Shinozuka 等得出的雙指數(shù)包絡(luò)函數(shù)［7］通過(guò)改進(jìn)應(yīng)用于爆破地震波的模擬來(lái)反映峰值前的幅值增長(zhǎng)規(guī)律為

式中:L0，b1，b2為給定的常數(shù); t 為時(shí)間; t0為地震波到達(dá)時(shí)間，s;t0=R/c，c 為波速，m/s。

趙申，馮仲齊等又將L0用amax來(lái)代替，得出了包絡(luò)函數(shù)新的改進(jìn)形式:

式中:amax為爆破地震波最大加速度，m/s2; 根據(jù)文獻(xiàn)［8］中可知:常數(shù)c=10，n=2.03，m=448.53。

2 爆破震動(dòng)對(duì)彈藥部件影響因素分析

儲(chǔ)存是彈藥相對(duì)靜態(tài)的環(huán)節(jié)，彈藥包裝件在重力作用下承受靜壓載荷作用。靜壓載荷主要作用于彈藥外包裝，一般不會(huì)對(duì)內(nèi)裝彈藥造成直接影響。因此包裝破損、彈藥零部件損壞和其他質(zhì)量問(wèn)題的主因主要是各種形式的沖擊和震動(dòng)構(gòu)成了彈藥儲(chǔ)運(yùn)的動(dòng)態(tài)力學(xué)環(huán)境。

如圖2 所示:以T 為尺度的檢測(cè)周期觀測(cè)抽取的3 個(gè)同樣的部件。部件1 由于工作環(huán)境惡劣或者突然失效造成的故障，下降極快，無(wú)法避免;部件3 由于提前更換部件造成剩余壽命浪費(fèi)的問(wèn)題，技術(shù)手段可以為之延長(zhǎng)一定的壽命; 部件2 是因?yàn)殚L(zhǎng)期儲(chǔ)存中，受到震動(dòng)的影響，故障發(fā)生達(dá)到各部件的CBM(Condition Based Maintenance)狀態(tài)基準(zhǔn)線時(shí)間值在部件1 和2 達(dá)到CBM 時(shí)間值之間，但之后故障發(fā)展卻急劇加速，受損加劇。所以必須采取有效的措施監(jiān)測(cè)彈藥潛在故障發(fā)生時(shí)間，以此利用技術(shù)手段規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 固定檢測(cè)周期下不同條件彈藥疲勞損傷狀態(tài)

在工程爆破施工中，往往就伴隨著沖擊和振動(dòng)等動(dòng)載荷作用，會(huì)在瞬間對(duì)包裝件形成較大的峰值破壞，對(duì)于彈藥中那些易受震動(dòng)影響的部件如表1 所示影響更大。與跌落、猛烈撞擊的單次震動(dòng)相比，爆破工程一般長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)，震動(dòng)次數(shù)多，在缺少監(jiān)控手段情況下，特征不明顯，很難發(fā)現(xiàn)與預(yù)防，與跌落、猛烈撞擊的彈藥相比具備更大的危險(xiǎn)性與隱蔽性，是引發(fā)爆炸事故的隱蔽性極強(qiáng)的“定時(shí)炸彈”。這種動(dòng)載荷既容易造成外包裝箱破損，也可能導(dǎo)致彈藥內(nèi)部機(jī)構(gòu)破壞或提前動(dòng)作，如引信機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn);零部件松動(dòng)、變形和斷裂;裝藥松動(dòng)和破裂等。這些后果不僅影響彈藥的正常儲(chǔ)存，對(duì)彈藥勤務(wù)的安全造成嚴(yán)重危害。

表1 具有震動(dòng)敏感特性的彈藥部件

對(duì)某一彈藥來(lái)說(shuō)，易損部件疲勞極限是確定的，循環(huán)次數(shù)與工程爆破次數(shù)、時(shí)間相關(guān)。因此，本研究以彈藥的某一易損部件為關(guān)鍵部件，考慮單次爆破，震動(dòng)加速度對(duì)其影響，建立彈藥震動(dòng)模型，分析震動(dòng)對(duì)彈藥影響關(guān)系。

3 數(shù)值分析震動(dòng)對(duì)彈藥的影響

為方便研究，本文選取文獻(xiàn)《某型機(jī)庫(kù)樁基快速成孔施工技術(shù)研究》中的炸藥包為原型，在此基礎(chǔ)上加大彈藥當(dāng)量，滿足地震波形成條件。爆破藥包［9］如圖3 所示(單位:mm)。

圖3 爆破藥包

整個(gè)藥包成柱狀結(jié)構(gòu)，總高度220 mm，其中上部70 mm為直徑200 mm 圓柱，中部50 mm 為圓臺(tái)，下部100 mm 為直徑233 mm 圓柱，最下部800 mm 為藥包支架，由三根角鐵焊接而成，用于放置藥包，形成有利炸高。其中起爆裝置1 由壓制的特屈兒藥柱和8 號(hào)電雷管組成，隔板2 采用紅松木，藥型罩3 采用等壁厚的半球型(或圓錐型，未畫(huà)出)的鑄鐵、鑄銅和鑄鋁的金屬罩，支架4 由三根角鐵焊接(或鐵管)焊接而成，炸藥5 用20%梯恩梯和80%黑索金混合熔鑄而成，外殼6 由厚2 mm 鋁皮焊接而成，整個(gè)藥包總質(zhì)量約41.2 kg，裝藥總質(zhì)量約30.75 kg。

模型選取使用函數(shù)式(1)、式(3)和式(4)，計(jì)算得出圖4、圖5、圖6 是在不同距離(10 m，20 m，30 m)，相對(duì)應(yīng)的時(shí)間為0.01 s，0.02 s，0.03 s 處的爆破震動(dòng)時(shí)程的數(shù)值模擬結(jié)果。結(jié)果表明，彈藥當(dāng)量一定時(shí)，不同距離處爆破震動(dòng)頻率和幅值因中心距不同而不同，時(shí)間越短幅值越高，震動(dòng)加速度越大，在一定時(shí)間后接近為零，對(duì)彈藥部件破壞越小。

圖4 爆破地震波加速度時(shí)程(t0 =0.01 s，s=10 m)

圖5 爆破地震波加速度時(shí)程(t0 =0.02 s，s=20 m)

圖6 爆破地震波加速度時(shí)程(t0 =0.03 s，s=30 m)

30 kg 的彈藥當(dāng)量，在10 m 范圍內(nèi)地震波的加速度峰值接近30 m/s2，而工程爆破的彈藥使用量以及次數(shù)與之相比較，加速度峰值一定更高。

以某型箱裝彈藥為研究對(duì)象，建立了關(guān)于易損部件的三自由度彈藥振動(dòng)力學(xué)模型，包裝箱正常情況有枕木與大地隔開(kāi)，因?yàn)楣舱裥?yīng)［10］，可以假設(shè)之間有“共振彈簧”的存在如圖7 所示，為方便觀察，中間鏤空。在地震波加速度激勵(lì)的動(dòng)力作用下，彈藥與之振動(dòng)響應(yīng)?！肮舱駨椈伞弊枘嵯禂?shù)主要受到包裝箱減震程度、彈藥整體質(zhì)量等因素影響，受到的位移力取決于彈藥當(dāng)量與中心距。某型箱裝彈藥位置與爆破中心距越遠(yuǎn)且彈藥包裝箱保護(hù)能力越好，共振程度越低。因此，工程爆破產(chǎn)生的震動(dòng)必須受到重視，對(duì)彈藥保護(hù)也要足夠重視，箱體要有一定的抗震性。

圖7 箱裝彈藥震動(dòng)與共振彈簧關(guān)系假想圖

4 解決措施

1)加強(qiáng)軍地雙方溝通與協(xié)調(diào)

民用爆破的管理與批準(zhǔn)權(quán)限隸屬地方公安系統(tǒng)的治安管理局(科)，每次實(shí)施爆破前必須報(bào)請(qǐng)治安管理局(科)批準(zhǔn)［11-13］，為準(zhǔn)確掌握地方爆破工程實(shí)施的規(guī)模、時(shí)間與地點(diǎn)，必須加強(qiáng)與地方公安部門的協(xié)調(diào)與溝通，軍地雙方及時(shí)通報(bào)爆破工程作業(yè)實(shí)施信息，必要時(shí)進(jìn)行爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)采集爆破震動(dòng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，分析庫(kù)存彈藥受爆破震動(dòng)的影響情況。

2)對(duì)爆破震動(dòng)進(jìn)行有效控制

根據(jù)上述爆破震動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度以及加速度公式可知，爆破震動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度與單次爆破藥量成正比，與距離成反比，因此必須控制單次起爆藥量，禁止大型峒室爆破與庫(kù)區(qū)附近的隧道爆破，確實(shí)需要進(jìn)行隧道爆破的，建議承包公司該標(biāo)段采取盾構(gòu)施工技術(shù)或?qū)Ρ普饎?dòng)進(jìn)行有效控制，主要控制技術(shù)包括:降低單次起爆藥量、多次起爆、采用低威力、低爆速炸藥，除此之外，采取毫秒微差爆破技術(shù)，實(shí)踐證明，毫秒微差爆破與齊發(fā)爆破相比，降震效果非常明顯，間隔時(shí)間大于100ms 時(shí)平均降低震動(dòng)50%左右［14］，分段越多，降震效果越好，采取毫秒微差爆破技術(shù)是對(duì)爆破震動(dòng)進(jìn)行有效控制的關(guān)鍵技術(shù)措施。

3)購(gòu)置便攜震動(dòng)監(jiān)測(cè)儀

為控制爆破，減少爆破破壞效應(yīng)以及對(duì)爆破工程方案進(jìn)行性能評(píng)估等用途，目前國(guó)內(nèi)對(duì)爆破效應(yīng)采取mini-series 便攜震動(dòng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)控［15］，該儀器體積小巧，自備電池，放置于監(jiān)控場(chǎng)所自動(dòng)記錄震動(dòng)波形，無(wú)需人為參與值班，自動(dòng)記錄，發(fā)現(xiàn)異常情況或定期對(duì)記錄波形結(jié)果進(jìn)行分析，分析震動(dòng)波形前震段、主震段與尾震段，重點(diǎn)分析震動(dòng)幅值、震動(dòng)發(fā)生的時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)，有利于與民用爆破公司一起改進(jìn)爆破技術(shù)方案。

4)改進(jìn)彈藥包裝箱

為了提高彈藥防震能力，除在彈藥碼垛時(shí)底部采用防震墊木、有機(jī)減震材料等措施外，改進(jìn)彈藥包裝箱的防震能力是一個(gè)有效方法，具備防震能力的彈藥包裝箱也稱為緩沖包裝箱，可以采取全面緩沖、部分緩沖與懸浮緩沖3 種方式解決彈藥防震問(wèn)題，其中部分緩沖是在彈藥包裝箱拐角或局部地方使用緩沖材料襯墊，不僅能產(chǎn)生良好的防震效果，與全面緩沖和懸浮緩沖相比大大降低材料成本，是應(yīng)用最廣泛的緩沖包裝措施，可以很好解決爆破震動(dòng)對(duì)庫(kù)存彈藥的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

去年某部后方軍械倉(cāng)庫(kù)在進(jìn)行彈藥勤務(wù)作業(yè)時(shí)發(fā)生爆炸，給庫(kù)存彈藥勤務(wù)處理安全帶來(lái)嚴(yán)重影響，分析可能影響庫(kù)存彈藥安全因素成為重要研究課題，特別是隱蔽性強(qiáng)的質(zhì)量不明彈藥是造成爆炸事故的主要因素，本文基于近年城市化進(jìn)程的不斷加快以及高鐵隧道工程的不斷增多，地方民用爆破對(duì)后方軍械倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存彈藥安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅的實(shí)際情況，提出了受爆破振動(dòng)影響后的質(zhì)量不明彈藥是一種被忽視的危險(xiǎn)庫(kù)存彈藥，給出了爆破震動(dòng)對(duì)庫(kù)存彈藥機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響以及這種危險(xiǎn)彈藥出現(xiàn)的原因，給出了幾種具體的解決措施，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)與解決這類危險(xiǎn)彈藥的隱蔽性問(wèn)題，對(duì)于庫(kù)存彈藥的防爆安全具有一定的參考價(jià)值。

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