太子磯航道水下鉆孔爆破地震波測試與分析

鐘冬望

（武漢科技大學冶金工業過程系統科學湖北省重點實驗室，湖北武漢，430065）

隨著國民經濟建設的發展，水上交通基礎設施建設不斷增加，對長江航道的要求也越來越高。由于長江中上游暗礁較多、水深不夠，不利于長江航運的安全，并阻礙了大型船舶的通行。為適應長江運輸能力的增長，許多江段需要實施航道疏浚爆破工程，考慮到其工況條件、經濟因素等，目前主要還是選擇水下爆破的方式進行炸礁。與陸地爆破相比，水下爆破不僅施工難度大，而且對周圍環境的影響也較為突出［1－6］。在陸地土層中爆破，地震波能量一般只占爆炸總能量的2%～6%，而在水下介質中爆破時，地震波能量所占比率可達20%。水中爆炸除形成水沖擊波和地震波外，高壓氣體的上浮與脹縮運動還形成二次脈動壓力，使河岸、地面及水中建筑物產生二次振動效應，延長了長江大堤上質點振動的持續時間，使超靜孔隙水壓力隨著應力循環次數的增加，導致大壩基礎的液化。為此，本文以長江太子磯航道疏浚爆破工程為例，通過對該爆破現場的測試，得出爆破振動速度的衰減經驗公式，并提出了爆破振動速度安全判據及不同狀態下的最大允許藥量，以期為水下鉆孔爆破地震波特征、傳播規律、形成機制以及振動效應的研究提供依據。

1 工程概況

太子磯航道位于安徽省池州市境內，地處長江下游。此處江面寬闊，是長江航運的繁忙地帶。太子磯礁石位于太子磯航道居中偏右位置，左側距江堤最近為400 m，右側距江堤最近為2 180 m。此處暗礁較多，不利于長江航運的安全，并阻礙了大型船舶的通行。由于爆破中心距長江大堤及附近建筑的距離較近，且爆破裝藥量較大。為確保安全，需對一些重要的地段（如長江大堤、附近炸藥庫房等）進行質點振動速度監測，并作相應的安全評估。

太子磯航道爆破作業區長為180 m，寬為80 m，平均爆破深度為9 m，水深為0～5 m，水下爆破巖石總量為129 600 m3。爆破巖石成分為灰白色中粒花崗巖，中等風化，節理發育，單軸抗壓強度為69.21 MPa，巖石等級為Ⅷ～Ⅸ級。工程鉆孔作業平臺采用400 t方駁船，鉆孔直徑為100 mm，孔深為1.4～10.5 m，平均超深為0.8 m；垂直鉆孔，孔距為1.5 m，排距為1.2 m。為防止松渣及淤泥堵塞炮孔，開鉆前先下放端頭有鋸齒的中空套管，管徑為120 mm，炮孔鉆好后拔出鉆桿，立即通過中空套管裝藥，炸藥選用直徑為70 mm的乳化炸藥，每個炮孔分別在其底部和中部布置2～4個雷管，全部炮孔裝藥完畢后聯線、移船、警戒和起爆，每次爆破為2～3排。

2 爆破振動測試

2.1 測試系統與測點布置

采用IDTS 3850型爆破振動記錄儀，連接速度傳感器，并布置于振動監測點。該記錄儀的分辨率高，最小可分辨的振動速度達到0.001 6 cm／s，讀數精度達到0.5%；可自動實時先后采集8次爆破振動波形。爆破測震后用RS232數據線與計算機相連，便可讀出整個爆破過程中的振動信號，并具備功率譜分析、矢量合成、薩道夫斯基公式回歸等處理功能。

本次監測工作共布置了7個測點，每個測點布置垂直和水平傳感器各1個，水平傳感器指向爆源，各測點高程一致，均高于爆源8 m，測點位置及距爆心距離如表1所示。測點布置的平面圖如圖1所示。

表1 測點位置及爆心距離Table 1 Location and distance from blasting center of the measuring points

2.2 測試結果

根據爆破施工作業安排，爆破振動測試分兩次進行。由于水下爆破作業的振動檢測可供參考數據較少，且各地的地質、水文條件均不盡相同，因此共進行了二次大規模水下鉆孔爆破：第一次單段最大藥量為290 kg，總藥量為840 kg；第二次根據預計正常施工要求并反復測算將單段最大藥量加大為346 kg，總藥量為1 650 kg。由于第一次發現5＃、6＃測點位置（距離爆源最遠）的振動速度非常小，因此第二次時取消對這兩點的振動測試；同時在太子山腳炸藥庫院內增設了一個測點位置7＃。各測點均順利測得數據，實測典型振動波形如圖2所示。各測點位置的爆破振動速度如表2所示。

圖1 測點布置圖Fig.1 Layout of the measuring points

圖2 典型波形圖Fig.2 Typical oscillogram

由表2可看出，實測質點最大振動速度為0.563 2 cm／s，質點振動主振頻率主要集中在10～50 Hz內，這表明現場條件下水下鉆孔爆破振動以低頻波為主，振動檢測均在允許范圍內。由圖2可看出，地面振動主振頻率應是低頻波和高頻波的疊加，低頻波（對應爆炸直接作用在巖石中形成的爆破地震波）占主要部分，而水沖擊波所引起的地面振動高頻波的沖擊作用并不明顯。究其原因是，鉆孔爆破水擊波大小與孔口水深及與炮孔軸線的夾角有較大關系。主要特點是，水沖擊波超壓隨著水深增加而加大，另外隨著與炮孔軸線夾角加大而迅速減小，當夾角大于45°后，超壓比ΔP鉆／ΔP水一般小于0.15。長江大堤上最近測點4＃距爆炸中心距離為603 m，藥包水深約為3 m，因此水沖擊波傳播路線與炮孔軸線的夾角約為89°，表明水沖擊波的作用效果并不十分明顯。

表2 實測爆破振動速度監測數據Table 2 Monitoring data of the measured blasting vibration velocity

3 結果與分析

爆破地震波的破壞作用主要決定于質點振動速度，而不是波自身的傳播速度，其傳播和衰減遵循一定的規律。只要估計質點的最大振動速度并采取一定的控制手段，就可減少爆破振動帶來的危害。質點的最大振動速度公式為［7］

式中：V為質點振動速度，cm／s；Q為單段最大藥量，kg；R為爆破中心至被保護對象或測點的距離，m；a為爆破地震波傳遞衰減指數（a值為待定未知數）；K為爆破現場地質條件系數（K值為待定未知數）。

取表2中振動速度進行回歸分析，得：K＝741.328，a＝1.754 9，即：

若取2 cm／s為最大振動速度控制標準，則最大段安全藥量為2 600 kg，最大段安全控制藥量為2 000 kg。按此控制標準進行爆破設計，圓滿完成了長江太子磯航道疏浚爆破工程任務。

4 結論

（1）地面振動的主振頻率應是低頻波和高頻波的疊加，低頻波（對應爆炸直接作用在巖石中形成的爆破地震波）占主要部分，而水沖擊波引起的地面振動高頻波的沖擊作用并不明顯。

（2）試驗條件下，振動速度衰減經驗公式為V＝741.328（Q1／3／R）1.7549。

（3）距離爆源越遠，振動速度越慢，地震波隨著距離的延長呈衰減趨勢，且垂直方向振動速度的衰減速度明顯大于水平方向振動速度的衰減速度。

（4）從確保周圍建構筑物安全上考慮，取2 cm／s為最大振動速度控制標準，最大段安全控制藥量為2 000 kg。

［1］ 李海波，蔣會軍，趙堅，等.動荷載作用下巖體工程安全的幾個問題［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（11）：1 887－1 890.

［2］ 陳士海.爆破地震動研究現狀［J］.爆破，2003，20（1）：13－18.

［3］ 尹群，陳永念，胡海巖.水下爆炸研究的現狀和趨勢［J］.造船技術，2003（6）：6－12.

［4］ 許長安，楊國華.河道整治中關于水下爆破相關工藝及其造價的研究與推廣［J］.浙江水利水電專科學校學報，2005，17（4）：35－38.

［5］ 石教往，熊長漢.水下工程爆破對環境影響規律研究（上）［J］.爆破，2000，17（3）：15－18.

［6］ 李俊如，李海波，劉亞群，等.爆破對混凝土結構和長江大堤基礎的影響分析［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（11）：1 912－1 915.

［7］ 鐘冬望，林大澤，肖紹青.爆炸安全技術［M］.武漢：武漢工業大學出版社，1992：24－56.