褚懷保,余夢飛，嚴(yán)少洋，王 昌，孫 博

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，焦作 454000)

炸藥爆破作為一種傳統(tǒng)破巖手段，因其成熟度高、經(jīng)濟和便捷等優(yōu)點在工程建設(shè)和礦山開采占主要地位。但是，爆破作業(yè)過程中可能會造成建(構(gòu))筑結(jié)構(gòu)破壞、邊坡滑移、地基基礎(chǔ)下沉等工程災(zāi)害問題，控制爆破振動是解決這些工程爆破災(zāi)害問題的關(guān)鍵[1,2]。QIN Q H等在大斷面隧道開挖時嚴(yán)格控制單段裝藥量[3]，有效減小了爆破振動速度；鐘冬望等為減小爆破振動持續(xù)時間造成的振動累計和疲勞效應(yīng)[4]，基于地震波線性疊加原路，通過軟件編程，計算得到了毫秒微差爆破不同爆心距處合理延時區(qū)間；還有學(xué)者研究了設(shè)置減振溝、減振孔和預(yù)裂爆破等方法對于振動波傳播的影響[5,6]。這些研究成果對于減小爆破振動危害具有積極作用，但爆破振動控制效果依然不能完全滿足工程安全需要。因此，相關(guān)學(xué)者開始探索能夠有效減小爆破振動并能夠快速破巖的安全技術(shù)，以作為炸藥爆破的補充。

高壓氣體爆破技術(shù)是指通過機械壓縮的方式將氣體充進指定容器中，待容器內(nèi)壓力達到預(yù)定壓力時瞬間釋放，高壓氣體以射流的形式作用到介質(zhì)上，達到破巖效果[7]。該技術(shù)起初主要應(yīng)用于地下煤礦開挖和瓦斯抽采，主要作用是對煤儲層進行增透、提高瓦斯抽采了效率[8-10]。陶明等通過分析CO2相變和炸藥爆破破巖機理[11]，得出利用CO2相變產(chǎn)生高壓氣體對煤巖體致裂不產(chǎn)生任何有害氣體。褚懷保等通過高壓氣體沖擊試驗[12]，得出高壓氣體沖擊作用下孔壁附近基本不出現(xiàn)粉碎區(qū)，且能量利用率高。彭懷德等通過現(xiàn)場試驗[13]，對比分析了高壓氣體膨脹破巖和傳統(tǒng)鉆爆法的振動測試結(jié)果，得出了高壓氣體膨脹破巖能夠有效減小隧道開挖過程中的振動。以上研究得出了高壓氣體爆破過程中具有安全可靠、振動和噪音小、不產(chǎn)生有毒有害氣體、能量利用率高等優(yōu)點；因此高壓氣體爆破技術(shù)被認為是一種安全高效、綠色環(huán)保的破巖方式。炸藥爆破破巖主要是爆轟波和應(yīng)力波共同作用的結(jié)果，而高壓氣體爆破破巖是以氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用為主，沖擊動作用較小[14]。破巖機制的不同使這2種方式產(chǎn)生的振動持續(xù)時間、振動速度和振動信號能量在頻域上的分布特征也呈現(xiàn)明顯的區(qū)別。而有關(guān)高壓氣體爆破技術(shù)的研究主要是針對它的爆破破壞機理方面展開[15-17]，較少文獻是從振動方面對比分析高壓氣體爆破與炸藥爆破的區(qū)別，導(dǎo)致該技術(shù)在減振方面的優(yōu)勢無法完全展現(xiàn)。

為此，開展了高壓氣體爆破與炸藥爆破振動試驗，對2種方式的振動持續(xù)時間和振動速度進行了對比分析，并基于小波包變換技術(shù)分析了2種方式的振動信號能量在頻域上的分布特征。以期為現(xiàn)場實際應(yīng)用提供指導(dǎo)，同時為后期的更深入的理論研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗研究

1.1 高壓氣體爆破試驗裝置

參考氣體炮的工作原理，采用機械壓縮空氣產(chǎn)生高壓氣體，由于裝置內(nèi)外壓力差的存在，釋放后高壓氣體迅速膨脹擴散，經(jīng)泄壓口以射流的形式作用到巖體上。試驗設(shè)備包括：(1)空壓機，作用是對空氣進行初次壓縮；(2)增壓泵，作用是對氣體進行二次壓縮為試驗提供符合試驗的高壓氣體；(3)容積1 L的鋼制無縫氣瓶制成的壓力釜，作用是保證噴射過程中氣量充足、可控和試驗安全；(3)數(shù)字壓力表，作用是設(shè)置試驗時所需要的氣體壓力；(4)耐高壓電磁閥，作用是待增壓系統(tǒng)將壓力釜內(nèi)氣體壓力增至數(shù)字壓力表設(shè)定的壓力時，耐高壓電磁閥的閥門打開，實現(xiàn)高壓氣體的釋放。以上所有模塊經(jīng)高壓防爆管連接并進行系統(tǒng)性調(diào)試，主要設(shè)備連接示意圖如圖1所示。

圖 1 高壓氣體爆破裝置及示意圖Fig. 1 High-pressure gas blasting device and schematic diagram

1.2 試驗方案

因天然巖體開采、運輸困難，節(jié)理裂隙發(fā)育具有隨機性，采用相似模擬試驗可以嚴(yán)格控制變量且試驗方便。因此，本試驗采用相似模擬材料模擬天然巖體，根據(jù)相似模擬理論，對比各參數(shù)，本模型材料可看作是類砂巖材料。試件材料配比為：細沙∶水泥∶石膏∶水=3∶1.3∶0.15∶0.45。試件物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表 1 試驗?zāi)Ｐ筒牧蠀?shù)

炸藥爆破與高壓氣體爆破試驗?zāi)Ｐ鸵恢?，實驗室?nèi)制作30 cm∶60 cm∶30 cm的試塊，試塊在距一端12 cm處預(yù)留一個直徑1.6 cm，深20 cm的炮孔。振動測試每個試塊布置4個測點，測點位置距離炮孔為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm，試驗過程中，試塊置于反力框架內(nèi)并利用千斤頂、鋼板和復(fù)合木板對試塊施加圍壓(復(fù)合木板在試塊與鋼板之間，用于吸收爆破過程中產(chǎn)生的反射拉伸波)，炸藥爆破與高壓氣體爆破測點一致，如圖2所示。

圖 2 測點示意圖及試驗過程(單位：cm)Fig. 2 Schematic diagram of measuring points and test process(unit:cm)

由于2種方式的破巖機制和材料性質(zhì)的巨大差異，簡單地以材料質(zhì)量或破巖效率、效果作為比較標(biāo)準(zhǔn)是不合理的。一種實踐中常用的、簡單的方法是以含同等能量的高壓氣體和炸藥為基準(zhǔn)，對試驗結(jié)果進行對比分析，即“壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量”法[15]。炸藥爆破試驗使用黑索金炸藥，根據(jù)此方法確定本試驗高壓氣體爆壓與對應(yīng)炸藥當(dāng)量，如表2所示。

表 2 高壓氣體爆壓與對應(yīng)炸藥當(dāng)量

振動測試使用成都中科研發(fā)的 TC4850 爆破振動采集儀，采樣率設(shè)置為4 kHz，該儀器的振動測試量程從0.001～35.4 cm/s，頻響范圍從0～1000 Hz，其量程能充分滿足爆破振動測試的需求并且能包含工程爆破所涉及的所有頻段，可以充分保障爆破試驗測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。

2 試驗結(jié)果及分析

將波形起跳點至波幅衰減為最大幅值1/e間的波形對應(yīng)的持續(xù)時間定義為爆破振動持續(xù)時間，根據(jù)測試結(jié)果可知垂向(Z向)和徑向(Y向)振動速度較大，且大小接近，切向(X向)振速很小。根據(jù)工程實際，采用各測點的垂向速度(Z向)進行分析。對2種爆破方式的振動進行監(jiān)測，部分實測振動波形如圖3、圖4所示，測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表 3 測試結(jié)果

圖 3 炸藥爆破振動波Fig. 3 Explosive blast vibration wave

圖 4 高壓氣體爆破振動波Fig. 4 Vibration wave of high-pressure gas cracking

2.1 振動持續(xù)時間分析

爆破振動持續(xù)時間是評價爆破危害的重要指標(biāo)，探究高壓氣體爆破與炸藥爆破振動持續(xù)時間規(guī)律具有重要的理論價值和工程意義。圖5給出了高壓氣體爆破與炸藥爆破振動持續(xù)時間變化規(guī)律。從圖中可以看出，高壓氣體爆破振動持續(xù)時間大約是炸藥爆破的10倍；隨著距離的增大，2種振動持續(xù)時間都減??；隨著爆壓或當(dāng)量的增大，炸藥爆破振動持續(xù)時間逐漸增大、高壓氣體爆破振動持續(xù)時間逐漸減小。

圖 5 2種振動持續(xù)時間變化規(guī)律Fig. 5 Variation rule of two kinds of vibration duration

炸藥爆破破巖以爆轟波和應(yīng)力波的共同作用為主。首先是爆轟波作用于孔壁，在巖體內(nèi)形成沖擊波并很快衰減為應(yīng)力波，沖擊波在孔壁周圍巖體中形成粉碎區(qū)，應(yīng)力波則使巖體產(chǎn)生徑向裂隙，隨著距離的增大應(yīng)力波衰減為振動波，然后是爆生氣體對巖體中裂隙的楔入作用。在此過程中，幾μs內(nèi)孔壁壓力便達到幾千甚至幾萬MPa，因此，炸藥爆破引起的振動持續(xù)時間很短。炸藥當(dāng)量越大，炸藥爆轟時間越久，對孔壁的沖擊作用時間越長，引起的振動波持續(xù)時間也越長。

高壓氣體爆破破巖可以分為2個階段，第一階段是高壓氣體以射流的形式作用到孔壁上，巖體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波、孔壁產(chǎn)生初始裂紋，第二階段是高壓氣體楔入巖體裂紋中驅(qū)動裂紋向前擴展，這2個階段都會對巖體造成擾動形成振動波，但高壓氣體爆破破巖的第二階段是氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用，作用時間較長。因此，高壓氣體爆破振動波持續(xù)時間較長。高壓氣體爆壓越大，氣體射流出的速度越大，能在更短的時間內(nèi)將試塊裂紋貫通，試塊裂紋貫通后炮孔內(nèi)與裂紋內(nèi)高壓氣體迅速逸散，壓力迅速降低，無法對巖體造成擾動。因此，高壓氣體爆破振動持續(xù)時間隨爆壓的增大而減小。

2.2 振動速度對比分析

為揭示2種方式的振動衰減規(guī)律差異，對測試統(tǒng)計結(jié)果進行非線性擬合，擬合公式為y=kxα，擬合曲線和衰減系數(shù)見圖6。由圖6可以看出，高壓氣體爆破振動速度遠小于炸藥爆破，且衰減較慢。

圖 6 峰值振速衰減規(guī)律Fig. 6 Attenuation law of peak vibration velocity

圖7給出了2種爆破方式的試件破碎形態(tài)。從圖中可以看出，高壓氣體爆破產(chǎn)生的碎塊塊度明顯比炸藥爆破大，且爆破過程中沒有出現(xiàn)碎塊崩飛現(xiàn)象，高壓氣體爆破作用下炮孔附近沒有出現(xiàn)粉碎區(qū)，宏觀裂紋只有2條，而炸藥爆破作用下炮孔出現(xiàn)了明顯的粉碎區(qū)，且出現(xiàn)了多條宏觀裂紋，由2種方式的試件破碎形態(tài)可知，炸藥爆破沖擊動作用更強，而振動速度是反應(yīng)沖擊響應(yīng)的重要參數(shù)。因此，炸藥爆破振動速度遠大于高壓氣體爆破。同一種巖體內(nèi)振動頻率是影響振動衰減速度的主要因素，對高頻振動，介質(zhì)阻尼作用較大，即高頻部分能量更容易被吸收，由2.3節(jié)分析可知，高壓氣體爆破振動信號相對于炸藥爆破而言屬于更加低窄頻的振動，高壓氣體爆破振動信號能量主要分布在低頻帶，炸藥爆破振動信號能量主要分布在高頻帶。因此，高壓氣體爆破振動衰減較慢。

圖 7 試塊破碎形態(tài)Fig. 7 Breakage morphology of test block

進一步地，為量化高壓氣體爆破減振效果,圖8給出了不同爆壓下的炸藥爆破與高壓氣體爆破振動速度比值PPVe/PPVg變化規(guī)律。從圖中可以看出，炸藥爆破振動速度為高壓氣體爆破的2.72倍以上，隨距離的增大而減小。測點距離為0.4 m時，二者比例達到2.7以上，測點距離為0.1 m時，二者比例在5以上，說明高壓氣體爆破在近區(qū)減振效果更顯著。另一方面，觀察幾種爆壓之間的對比結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)二者比值隨爆壓的增大而減小，說明高壓氣體爆破更適合用于小規(guī)模破巖工程。

2.3 振動信號能量分布規(guī)律對比分析

由圖3、圖4可知，2種方式的爆破振動信號都是一種非周期性的瞬態(tài)隨機波形，其振動時程曲線是時域信號，可以直觀地得到振速大小、持續(xù)時間等信息，但頻率也是評價爆破振動危害的重要因素，因此其頻域信號同樣重要，為此采用小波包技術(shù)對2種振動信號能量在頻域上的分布規(guī)律進行分析。

振動監(jiān)測時采樣頻率設(shè)為4 kHz，由Shannon采樣定理，其Nyquist頻率為2 kHz，進行8層小波包分解，原信號 Nyquist頻率區(qū)間被劃分為頻帶寬為7.812 Hz的256個子頻帶。為確定合適的小波基種類，分別采用與爆破振動波相似且在爆破振動信號分析領(lǐng)域中應(yīng)用較多的sym系列的sym5、sym6、sym7、sym8和db系列的db5、db6、db7、db8對振動信號進行8層分解與重構(gòu)，以10 MPa第1個測點為例，重構(gòu)后發(fā)現(xiàn)sym8的重構(gòu)信號與原信號的峰值誤差最小，波形也沒有發(fā)生畸變，因此選取小波基sym8小波包對此信號分解至第 8層。同理選擇合適的小波基對其他振動信號進行分解重構(gòu)，利用matlab編程得到4.6 g炸藥爆破和10 MPa高壓氣體爆破各測點最大振速方向振動信號的能量分布百分比，如圖9和圖10所示。

圖 8 炸藥爆破與高壓氣體爆破振動速度比值Fig. 8 Ratio of vibration velocity between explosive blasting and high-pressure gas cracking

圖 9 炸藥爆破振動信號能量分布百分比柱狀圖Fig. 9 Explosive energy distribution of blasting vibration signal percentage histogram

圖 10 高壓氣體爆破振動信號能量分布百分比柱狀圖Fig. 10 High pressure gas energy distribution of cracking vibration signal percentage histogram

定義能量分布百分比峰值對應(yīng)的子頻帶為主頻帶，主頻帶能量比例統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。由表4可知，高壓氣體爆破與炸藥爆破振動信號一樣，隨著距離的增大，主頻帶向低頻轉(zhuǎn)移并且能量比例逐漸降低。

表 4 振動信號主頻帶及其對應(yīng)能量百分比

高壓氣體爆破振動信號相對于炸藥爆破而言屬于更加低窄頻的振動信號。由圖9和圖10可知，炸藥爆破振動能量主要分布在0～500 Hz，而高壓氣體爆破主要分布在0～200 Hz；由小波包能量分析結(jié)果可知在0～10的低頻帶范圍內(nèi)，即0～78.125 Hz，高壓氣體爆破振動信號能量達到總能量的59.04%～94.60%，而炸藥爆破只有1.92%～35.31%。

由圖9和圖10可知，炸藥爆破振動信號有多個頻帶的能量比例接近主頻帶，主頻帶并不突出，例如圖9(c)中，主頻帶能量比例為13.7%，但第11頻帶為12.99%、第16頻帶為11.36%，而高壓氣體爆破振動信號主頻帶能量比例與其他子頻帶相比具有明顯的優(yōu)勢；由表4可知炸藥爆破振動信號主頻帶所占能量比例為11.58%～16.81%，小于高壓氣體爆破振動信號主頻帶所占能量比例16.83%～30.98%。因此，高壓氣體爆破振動信號能量在頻域上更為集中。

統(tǒng)計圖10中不同距離測點1～10子頻帶能量占總能量的比例：94.6%(R=0.1 m)、73.01%(R=0.2 m)、66.54%(R=0.3 m)、63.34%(R=0.4 m)，可以得出，隨距離的增大，高壓氣體爆破振動信號的低頻能量比例逐漸降低。參考相關(guān)文獻可知，振動能量作用于建(構(gòu))筑物時其能量成分與結(jié)構(gòu)固有頻率接近的部分會產(chǎn)生放大效應(yīng)，而一般建(構(gòu))筑物的自振頻率集中在低頻，因此高壓氣體爆破振動隨距的增大低頻能量比例降低，有利于建筑安全。

3 結(jié)論

采用模擬巖體試塊，進行了同等能量條件下的高壓氣體爆破與炸藥爆破振動試驗，基于試驗結(jié)果分析了2種爆破振動持續(xù)時間和振動速度，并利用小波包變換技術(shù)對2種振動信號能量在頻域上的分布規(guī)律進行了比較。主要結(jié)論如下：

(1)高壓氣體爆破振動持續(xù)時間遠大于炸藥爆破；2種爆破振動持續(xù)時間均隨距離的增大而減??；且高壓氣體爆破振動持續(xù)時間隨著爆壓的增大而減小，但炸藥爆破振動持續(xù)時間隨當(dāng)量大增大而增大。振動持續(xù)時間長，說明巖體或建構(gòu)筑物出現(xiàn)較大反應(yīng)的概率更大，因此分析高壓氣體爆破振動安全時有必要充分考慮振動持續(xù)時間的影響。

(2)高壓氣體爆破振動速度峰值較炸藥爆破振動速度峰值小，隨著距離的增大，2種爆破振動的峰值趨于接近，且高壓氣體爆破振動速度較炸藥爆破振動速度衰減緩慢，說明高壓氣體爆破在近區(qū)的減振效果更顯著，對于需要嚴(yán)格控制振動速度的場合具有明顯優(yōu)勢。

(3)2種爆破振動信號的主頻帶隨著距離的增大向低頻帶轉(zhuǎn)移，且主頻帶能量所占比例逐漸降低。高壓氣體爆破振動信號屬于更加低窄頻的信號、能量在頻域上更集中、主頻帶能量占比高。高壓氣體爆破振動信號低頻段能量比例較高，因此在作業(yè)時要注意避免與建構(gòu)筑物之間產(chǎn)生共振。