孫 冰，羅志業(yè)，曾 晟，何 旺

(1.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工程爆破在露天與地下開采、水利水電工程及城市交通建設(shè)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。然而，由于爆破振動引起的一系列危害效應(yīng)也愈加引起人們的關(guān)注。在爆區(qū)一定范圍內(nèi)，爆破振動不僅干擾居民的日常生活，甚至?xí)斐山ㄖ锝Y(jié)構(gòu)破壞、邊坡滑移、地下工程結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和地基基礎(chǔ)下沉等工程災(zāi)害問題，控制爆破振動的危害程度是工程爆破亟待解決的關(guān)鍵問題。目前國內(nèi)外對爆破振動的傳播特性、影響因素、控制措施和安全判據(jù)等進(jìn)行了相關(guān)研究并取得了一定的進(jìn)展，但是爆破振動受多重復(fù)雜因素影響，引起結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)復(fù)雜，對于如何采取科學(xué)的控制措施和制訂合理的安全判據(jù)等問題還缺少系統(tǒng)的認(rèn)識。因此，筆者首先基于爆破振動的衰減理論，從爆源條件和傳播途徑2個方面分析爆破振動的主要影響因素和控制技術(shù)，其次討論波動破壞和響應(yīng)破壞2種破壞機(jī)制下的爆破振動安全判據(jù)，最后提出現(xiàn)階段在爆破振動影響因素、控制技術(shù)和安全判據(jù)等方面需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容，為爆破振動減振防災(zāi)和安全防護(hù)提供參考。

1 爆破振動影響因素

由于爆破振動的影響因素具有多樣性，導(dǎo)致爆破過程復(fù)雜。通過建立爆破振動速度與各影響因素之間的理論關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)爆破振動的預(yù)測和控制。目前我國用于爆破引起的質(zhì)點(diǎn)振動速度衰減規(guī)律的描述比較通用的是薩道夫斯基公式[1]：

(1)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)振動速度；K為場地系數(shù)；Q為單段最大裝藥量；R為爆心距；α為衰減指數(shù)。

盧文波等[2]認(rèn)為爆破振動強(qiáng)度僅僅考慮單段裝藥量和爆心距的影響是不全面的，于是基于柱面波理論、球面波理論及長柱狀裝藥子波理論推導(dǎo)了與炸藥種類、裝藥結(jié)構(gòu)、炮孔孔徑和巖石性質(zhì)等相關(guān)的衰減公式，其表達(dá)式如下：

(2)

式中：ρ為巖石密度；cP為巖石縱波波速；ρ0為炸藥密度；D為炸藥爆轟速度；γ為炸藥等熵指數(shù)；k、β為與裝藥結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)，耦合裝藥條件下k和β均取1；a為炮孔半徑。

式(2)是在單孔起爆條件下推導(dǎo)的衰減公式，多孔起爆時地震波的相互作用導(dǎo)致爆破振動產(chǎn)生疊加效應(yīng)。而延期時間與爆破振動的疊加效應(yīng)直接相關(guān)，是多孔延期爆破中至關(guān)重要的參數(shù)。陳仕海等[3]借助Heelan短柱狀藥包爆破振動理論，推導(dǎo)了與延期時間相關(guān)的質(zhì)點(diǎn)振動速度表達(dá)式：

(3)

(4)

式中：vPi(t)、vSi(t)為第i個炮孔起爆時壓縮波P波和剪切波S波引起的質(zhì)點(diǎn)振動速度；l為裝藥長度；G為巖石剪切模量；cS為巖石橫波波速；z為測點(diǎn)與爆源中心的垂直距離；t為振動持續(xù)時間；i為炮孔數(shù)目；d為延期間隔時間。

若采用多孔延期起爆方式，由于P波傳播速度較S波快，會在中遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生疊加效應(yīng)，如圖1所示[3]。

圖1 多孔爆破疊加示意圖

對于雙孔爆破，延期時間越短，爆破振動的疊加效應(yīng)越明顯，發(fā)生疊加效應(yīng)的爆心距越小，如圖2 所示[3]。

圖2 不同延期時間下雙孔爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度變化曲線

根據(jù)爆破振動衰減理論，爆源條件和傳播途徑是影響爆破振動的兩大因素。其中，爆源條件因素主要包含炸藥種類、孔網(wǎng)參數(shù)、單段最大裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)和延期時間等；傳播途徑因素主要包含巖石性質(zhì)、地質(zhì)與地形條件、爆心距等。因此，在工程實(shí)踐中進(jìn)行爆破振動控制時，可采取調(diào)整爆破方法和爆破參數(shù)等措施，從爆源條件和傳播途徑2個方面對爆破振動進(jìn)行控制。

2 爆破振動控制技術(shù)及措施

2.1 降低振源能量

1)控制單段最大裝藥量

單段最大裝藥量代表了爆炸時的最大瞬時輸入能量，而最大瞬時輸入能量對結(jié)構(gòu)的破壞起決定性作用[4]。減少單段最大裝藥量是降低爆破振動強(qiáng)度最簡單有效的方法，QIN Q H等[5]在大斷面隧道開挖時采用控制單段裝藥量的方法將爆破振動速度控制在 1.5 cm/s 以內(nèi)，確保了爆破安全；蔣培等[6]遵循少裝藥、短進(jìn)尺、多循環(huán)的施工原則，通過減少單孔裝藥量降低單段起爆藥量，將爆破振動速度降低了20%～30%；管志強(qiáng)等[7]在復(fù)雜環(huán)境下的大規(guī)模爆破中采用逐孔接力式起爆網(wǎng)路，將總藥量分成932段分段起爆，嚴(yán)格控制了單段最大裝藥量，避免了爆破振動對大壩和油罐的破壞。

控制單段最大裝藥量的常用方法包括減少單孔裝藥量和調(diào)整同時起爆炮孔數(shù)量。而毫秒延期爆破技術(shù)利用延時雷管將總藥量分段起爆，減少了同時起爆炮孔數(shù)量，是工程爆破中廣泛用于控制爆破振動強(qiáng)度的有效方法之一[8-9]。

2)選擇合理的延期時間

延期時間的選取是實(shí)現(xiàn)延期爆破降振的關(guān)鍵，不合理的延期時間不僅不能減振，反而會增大爆破振動強(qiáng)度。過短的延期時間下爆破振動的主振相疊加而導(dǎo)致振動加??；過長的延期時間下每個炮孔產(chǎn)生的地震波發(fā)生分離而相當(dāng)于互相獨(dú)立的單孔爆破，雖有效避免了主振相疊加，但加長了振動持續(xù)時間且爆破效果也相對較差。因此，延期時間的選擇較為復(fù)雜，對此不同學(xué)者有著不同的看法，曾晟等[10]指出地下開采的延期時間大于50 ms才能有效地降低爆破振動的危害；鄧紅衛(wèi)等[11]認(rèn)為延期時間不宜太長，孔間一至兩個段別的延期方式更有利于爆破振動的控制。一般地，延期時間為25～110 ms時較為合適，具體時間的選取需考慮爆破方法和爆破環(huán)境等因素的影響，如淺孔爆破和保護(hù)對象較近的近區(qū)爆破應(yīng)取小值，反之則應(yīng)取大值[12]。

當(dāng)延期時間選取為爆破振動波半周期的奇數(shù)倍時，可實(shí)現(xiàn)振動波波峰與波谷相抵消的干擾降振效果[13]。普通的毫秒非電雷管時間精度較低，且不能任意設(shè)置延期時間，無法實(shí)現(xiàn)干擾降振[14]。高精度電子雷管的研發(fā)為干擾降振提供了技術(shù)支撐。近年來，隨著電子雷管的大力推廣與廣泛應(yīng)用，從業(yè)人員對電子雷管干擾降振的問題越來越關(guān)注。管曉明等[15]發(fā)現(xiàn)電子雷管爆破比毫秒非電雷管爆破振動速度可減小60%以上；鐘冬望等[16]認(rèn)為爆破振動并非平穩(wěn)信號，合理的孔間延期時間往往不是某一具體值，而是多個間斷的時差區(qū)間；劉建友等[17]根據(jù)典型單孔爆破主振波的持續(xù)時間，指出干擾降振的炮孔延期時間為10～20 ms。另一方面，爆破振動信號處理技術(shù)的發(fā)展為分析延期時間提供了新方法；ALDAS等[18]利用小波信號和面波傳播速度模擬不同延遲時間條件下的多孔爆破，得到實(shí)現(xiàn)干擾降振的最佳延期時間；邱賢陽等[19]結(jié)合HHT能量譜分析，研究表明干擾降振效果與段數(shù)、相鄰振幅比和最大段藥量位置有關(guān)。通過已有研究分析表明，采用電子雷管的干擾降振法減振效果較好，但是其技術(shù)尚未成熟，控制難度較大，還需進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作。

3)創(chuàng)造良好自由面

良好自由面有利于炸藥爆炸能量的快速稀釋，從而減少以地震波形式傳播的能量，可減少炮孔的阻擋和夾制作用進(jìn)而可避免形成“悶炮”，并降低爆破振動效應(yīng)。目前有關(guān)自由面減振效應(yīng)的研究主要基于不同自由面條件引起爆破振動峰值速度、頻率和能量等的變化。汪萬紅[20]、LU W[21]等研究表明，自由面數(shù)量越多，面積越大，則爆破誘發(fā)的峰值振動速度越低；楊建華等[22]發(fā)現(xiàn)在自由面條件下爆破振動頻率增大，并且抵抗線越小，振動頻率越高；吳從師等[23]指出自由面數(shù)量越多，則爆破振動信號總能量越小，且能量更趨向高頻分布，中低頻能量有減小趨勢。因此，良好的自由面可在降低爆破振動強(qiáng)度和避免地震波與大型結(jié)構(gòu)發(fā)生共振等方面發(fā)揮重要作用，有利于爆破振動危害效應(yīng)的控制。

獲取良好自由面的方法包括設(shè)計(jì)合理的孔網(wǎng)參數(shù)、延期時間和起爆順序等。趙文等[24]在尖山磷礦采用寬孔距小抵抗線爆破技術(shù)，通過調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)增加爆破漏斗角度，爆破后形成的凸弧形自由面面積更大，爆破振動強(qiáng)度更低；GUAN X M等[25]認(rèn)為過短的延期時間不利于自由面的形成，提出了考慮自由面形成的延期時間計(jì)算公式；王因因等[26]在露天礦爆破開采時采用了斜線順序起爆和V字形順序起爆方式，先起爆炮孔為后起爆炮孔提供了良好自由面，起到了較好的減振作用。

2.2 阻隔地震波的傳播

1)采用預(yù)裂爆破技術(shù)

預(yù)裂爆破過程中，當(dāng)相鄰的預(yù)裂孔被引爆時，孔壁巖石在猛烈的沖擊壓力和應(yīng)力波作用下沿孔中心線出現(xiàn)初始裂紋，爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力的作用會使裂紋擴(kuò)展并連通，最終形成具有一定深度和寬度的預(yù)裂縫。由于預(yù)裂孔是設(shè)置在開挖邊界上且在主爆區(qū)起爆之前起爆的密集炮孔，形成的預(yù)裂縫能阻隔爆破振動波向保護(hù)區(qū)傳播，具有降低爆破振動和保護(hù)預(yù)裂面以外巖體的作用。

預(yù)裂爆破操作較為復(fù)雜，一旦控制不好則易增強(qiáng)爆破振動甚至造成預(yù)裂爆破失敗。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要從裝藥條件、炮孔及孔網(wǎng)參數(shù)等方面研究預(yù)裂爆破的成縫質(zhì)量和減振效果。蔡峰[27]認(rèn)為合理的孔間距有利于預(yù)裂孔之間裂隙的貫通，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定了切頂卸壓沿空留巷開采的最優(yōu)預(yù)裂孔孔間距；XIAO S S等[28]根據(jù)爆炸應(yīng)力波和爆破氣體作用下預(yù)裂孔附近的應(yīng)力分布，推導(dǎo)出裝藥量、孔距和預(yù)裂孔到緩沖孔距離等參數(shù)的公式，為預(yù)裂爆破提供了理論指導(dǎo)；王建國等[29]通過優(yōu)化炮孔直徑、孔距和裝藥不耦合系數(shù)等參數(shù)，有效地降低了爆破振動效應(yīng)和對邊坡保留巖體的損傷。此外，數(shù)值模擬軟件在預(yù)裂爆破的應(yīng)用方面也較多，ALIABADIAN等[30]采用二維動態(tài)離散元分析法模擬了邊坡預(yù)裂爆破，結(jié)果表明孔距和裝藥量是控制最終預(yù)裂形態(tài)的2個重要參數(shù)；李磊[31]利用LS-DYNA軟件模擬雙預(yù)裂孔爆破裂紋擴(kuò)展，表明控制孔區(qū)域裂紋帶分布密度和面積隨著預(yù)裂孔間距的增大而減小。預(yù)裂爆破成功的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合理的孔徑、孔網(wǎng)參數(shù)和裝藥參數(shù)等，在工程實(shí)踐中應(yīng)通過工程經(jīng)驗(yàn)類比初步確定爆破參數(shù)，再根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)整并優(yōu)選爆破參數(shù)。

2)預(yù)設(shè)減振溝(孔)

在爆區(qū)和保護(hù)對象之間預(yù)設(shè)減振溝(孔)，可對地震波的傳播起到反射和干擾作用，從而加快地震波的衰減，降低爆破振動強(qiáng)度。與減振溝相比，減振孔的減振效果相對較差，但減振孔施工更為簡便，而且對保護(hù)對象的影響幾乎可以忽略。

地震波經(jīng)過減振溝(孔)時發(fā)生的振動機(jī)理十分復(fù)雜，目前尚未有爆破振動與減振溝(孔)參數(shù)之間的理論關(guān)系，但在減振溝(孔)參數(shù)對減振效果的影響方面已有一定研究。王利軍等[32]指出對減振溝減振效果影響程度從大到小的參數(shù)依次為減振溝深度、爆心距和減振溝寬度；孫崔源等[33]研究表明，爆心距較大時減振孔幾乎不起作用。一般地，深度和保護(hù)對象爆心距對減振溝(孔)的減振效果具有較大影響。深度越大、保護(hù)對象與爆源之間距離越小，則減振溝(孔)的減振作用越明顯。因此，針對爆源近區(qū)建(構(gòu))筑物的保護(hù)可通過預(yù)設(shè)減振溝(孔)來減小爆破振動的破壞作用實(shí)現(xiàn)，同時要保證開挖(鉆鑿)深度大于保護(hù)對象的基礎(chǔ)深度。

2.3 采用綜合控制措施

爆破振動控制是一項(xiàng)綜合技術(shù)，單一的控制技術(shù)措施往往很難在保證爆破效果和施工進(jìn)度的前提下達(dá)到理想的減振目標(biāo)。因此，若要最大程度地降低爆破振動強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)爆區(qū)地形地質(zhì)條件和周圍環(huán)境因素，綜合運(yùn)用各種控制技術(shù)措施，在工程實(shí)際中揚(yáng)長避短，將其降振作用發(fā)揮至最大。當(dāng)前國內(nèi)的專家在解決工程中的爆破振動問題時積極采用綜合控制措施，如陳明星[34]為降低隧道下穿地面加油站的爆破振動，通過減少循環(huán)進(jìn)度、分部及分序鉆爆和延期起爆等弱振動爆破技術(shù)將加油站主要控制點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度控制在0.8 cm/s以內(nèi)，確保了加油站安全；賴廣文等[35]針對爆破區(qū)域緊鄰運(yùn)營地鐵、居民區(qū)的復(fù)雜環(huán)境，對不同區(qū)域采取逐孔起爆、減振孔和孔底氣墊層等綜合降振措施，從而使爆破振動全程未超出控制指標(biāo)；李紅勇等[36]為使水下鉆孔爆破振動控制達(dá)到最佳效果，從減振孔、起爆方式和堵塞措施等方面對爆破振動進(jìn)行主動與被動聯(lián)合控制，使爆破振動強(qiáng)度降低了64%以上，保護(hù)了鄰近橋梁樁基。

3 爆破振動安全判據(jù)

3.1 基于波動破壞的安全判據(jù)

在爆破地震波的作用下，爆源近區(qū)的基巖、地下硐室圍巖和混凝土襯砌等會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，這是由于地震波中的體波，特別是P波在傳播介質(zhì)結(jié)合面或表面處發(fā)生透、反射而產(chǎn)生拉伸和壓縮作用造成的。在評價這種由地震波波動引起的破壞時需要考慮質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度與材料強(qiáng)度之間的關(guān)系，唐曌等[37]基于應(yīng)力波傳播理論和極限拉應(yīng)力準(zhǔn)則，結(jié)合數(shù)值模擬建立了拉應(yīng)力峰值與質(zhì)點(diǎn)振動速度之間的函數(shù)關(guān)系，得到了機(jī)場跑道的爆破振動速度安全閾值；吳忠仕等[38]采用現(xiàn)場測試與三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對近距離既有襯砌在爆破荷載作用下的振動速度峰值和應(yīng)力進(jìn)行分析，得到了既有襯砌安全振動速度判據(jù)和單段最大允許裝藥量。

3.2 基于響應(yīng)破壞的安全判據(jù)

在爆破振動作用下中遠(yuǎn)區(qū)建筑物的損傷和邊坡的失穩(wěn)等主要是由結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)造成的。其中，以房屋為主的建筑物安全判據(jù)需綜合考慮爆破振動速度、頻率、持續(xù)時間，以及結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征等因素。為此，許多學(xué)者試圖通過頻譜和能量分析探究建筑結(jié)構(gòu)的安全判據(jù)，如魏海霞等[39]認(rèn)為可使用簡化模型作統(tǒng)一化輸入分析爆破振動作用下建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)的頻譜及能量特性，為爆破振動安全判據(jù)的頻譜和能量分析提供了參考；中國生等[40]利用小波包能量譜分析爆破振動信號不同頻帶能量分布特征，結(jié)合受振結(jié)構(gòu)對爆破振動的響應(yīng)特性，首次建立了考慮爆破振動三要素和受控結(jié)構(gòu)自身動態(tài)響應(yīng)特征的響應(yīng)能量判據(jù)；包輝[41]以爆破振動速度反應(yīng)譜譜面積SR為特征值建立了考慮爆破振動綜合作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)振動特性的安全判據(jù)。此外，邊坡的動力失穩(wěn)主要是由爆破振動引起邊坡巖土體性質(zhì)劣化和產(chǎn)生附加動力荷載作用造成的。目前，爆破振動作用下邊坡動力響應(yīng)分析的常用手段有極限平衡法和數(shù)值模擬分析法。陳明等[42]綜合考慮振動頻率、加速度及邊坡體應(yīng)力狀態(tài)的相互關(guān)系，提出了邊坡爆破動力穩(wěn)定極限平衡分析的等效加速度計(jì)算方法；何怡等[43]利用離散元軟件3DEC分析表明，爆破作用下臺階邊坡的坡腳振動速度相對較大，指出應(yīng)以坡腳為標(biāo)準(zhǔn)制訂爆破振動安全判據(jù)；賈曉敏[44]運(yùn)用FLAC3D軟件模擬雙臺階順層邊坡在爆破振動作用下的動力響應(yīng)規(guī)律，得到了邊坡動力響應(yīng)規(guī)律及關(guān)鍵點(diǎn)位移、最大拉應(yīng)力和抗剪屈服函數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響。

4 存在的問題與展望

1)在爆破振動的影響因素中，不同因素對爆破振動的影響程度有主次之分，確定其中的優(yōu)勢因素有利于采取針對性的控制措施。因此，將多種敏感性分析方法相結(jié)合，建立不同影響因素與爆破振動特征參數(shù)的分析系統(tǒng)，研究快速、準(zhǔn)確評價爆破振動優(yōu)勢因素的分析方法。

2)爆區(qū)周邊建(構(gòu))筑物的安全是爆破施工高度關(guān)注的問題，爆破振動作用下的建(構(gòu))筑物損傷分析有利于確保建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)的安全。通過建立三維結(jié)構(gòu)信息模型，應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究不同爆破條件下的結(jié)構(gòu)損傷部位和損傷程度，從而優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，以及加固結(jié)構(gòu)易損構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)爆破振動危害效應(yīng)的預(yù)防與控制。

3)人對爆破產(chǎn)生的地震效應(yīng)十分敏感，而爆破振動安全標(biāo)準(zhǔn)中沒有考慮人的舒適性問題。因此，通過調(diào)查研究得出爆破振動作用下人的舒適感，并在爆破振動安全標(biāo)準(zhǔn)中加入與人舒適感相關(guān)的折減系數(shù)，以減少爆破振動對周邊居民的困擾。

4)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用定量化、數(shù)字化及智能化的爆破振動控制技術(shù)是未來的發(fā)展趨勢。開發(fā)基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的爆破振動智能分析系統(tǒng)，通過對爆破振動速度、頻率、持續(xù)時間、應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測與分析，掌控結(jié)構(gòu)安全信息，實(shí)現(xiàn)爆破振動動態(tài)化控制。