不同炸藥性能對爆破振動效應的影響＊

柴修偉

（武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢430073）

爆破振動效應研究是控制爆破振動危害的基礎和前提，也是指導爆破工程施工的重要理論依據。爆破工程、巖土工程及水利水電工程中，爆破振動效應可以造成巖體、邊坡及水工結構等產生失穩、變形和開裂等負面效應。爆破振動理論和實踐的研究一直是工程爆破研究的一個熱點［1－4］，研究者們從不同的角度研究過爆破振動效應，減震溝［5］、預裂縫［6］、緩沖爆破及微差爆破技術［7］等措施都可以有效地降低爆破振動效應；另外張玉明等［8］研究的炸藥性能對爆炸地震波的影響。

巖石內炸藥爆炸釋放能量的2個主要形式：沖擊波能量和氣體能量，沖擊波能量以應力波的形式向四周傳播并在炮孔附近拉伸破壞巖石，氣體能量以膨脹形式在周圍巖體裂隙傳播，穿過最近弱面后泄放到空氣中。而爆破振動造成的破壞效應主要由沖擊波能量在介質中產生的應力波決定。本文中從炸藥爆炸產生的爆轟氣體量和地震動效應方面，結合南非VAAL河東部引水子工程取水口爆破開挖試爆的現場監測數據，對新型炸藥GIFT和常規炸藥CE（以KUBELA 420為例）產生的爆炸地震動進行對比實驗，探討炸藥性能對爆破地震動的影響。

1 GIFT與CE性能對比

1.1 反應機理不同

GIFT的反應是爆燃，并且靠周圍介質的約束壓力達到破碎介質的目的；CE的反應是產生沖擊波的爆轟反應，在幾毫秒內釋放所有的能量，而GIFT在周圍有約束壓力的情況下，能量釋放速度只有CE能量釋放速度的千分之一。

1.2 氣體產物不同

CE爆炸時的氣體產物一般為CO2、H2O、N2等，在氧化不充分時，還可能會產生CO、NO或NxOy等有毒氣體，甚至會產生固體碳。GIFT起爆完全反應后產生的主要是水蒸氣、O2、N2和CO2等無毒氣體。GIFT和CE在完全反應時的氣體生成物的體積相對含量V如表1所示［9］。

表1 GIFT和CE反應的氣體產物體積相對含量Table 1 Volume relative content of gas produced by GIFT and CE

1.3 爆轟能量不同

通過實驗發現：相同質量的GIFT比CE產生的能量多20%；破碎同樣大小的巖石，GIFT的耗量只相當于CE耗量的（25～50）%。

2 爆炸振動對比

2.1 裝藥條件和測試設備

試爆孔徑均為38 mm。每個GIFT（?25 mm×220 mm）藥卷的質量為108 g，每個藥卷自帶腳線和內置電橋，連接腳線至起爆器即可起爆。每孔裝一個藥卷，每次起爆3個孔。每個KUBELA 420（?25 mm×220 mm）藥卷的質量為120 g，密度為1.2 g/cm3，爆速為3 500 m/s，每孔一個藥卷，每次起爆1個炮孔。用高分辨率地震儀測試爆破振動速度。

2.2 地質情況及測點布置

試爆區域為微風化安山巖，節理、裂隙較發育。沿基坑靠山體一側布置測點，所有測點均固定在堅硬的巖體上，且與爆源均約在同一經線上。

2.3 測試結果

表2和表3分別為GIFT和KUBELA 420試爆的現場測試結果，表中R為測點到爆心的距離，mmax為最大段藥量，fv為垂向主頻，vv為垂向峰值速度，fr為徑向主頻，vr為徑向峰值速度，ft為橫向主頻，vt為橫向峰值速度，va為振動速度矢量和。

表2 GIFT爆破的振動監測數據Table 2 Monitoring results of GIFT blast

表3 KUBELA 420爆破的振動監測數據Table 3 Monitoring results of KUBELA 420 blast

比較表2～3發現，在GIFT的藥量接近KUBELA 420的3倍的情況下，近距離時，GIFT產生的地震動比KUBELA 420產生的地震動小得多。測點距離為7 m時，GIFT產生的振動速度矢量和為0.877 6 cm/s，振動持續時間為81.6 ms；KUBELA 420產生的振動速度矢量和為1.681 7 cm/s，振動持續時間為129.4 ms。

3 分析與討論

3.1 爆炸震動地面振動速度峰值隨距離衰減對比

根據對試爆測試數據（表2、表3）的分析處理，得到了GIFT和KUBELA 420爆炸震動地面振動速度峰值隨測點距離增大的衰減的函數擬合曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，GIFT和KUBELA 420爆炸產生的地面振動速度具有相同的衰減特性，隨距離增加迅速衰減，并且近距離衰減很快，隨著距離的增加，峰值衰減逐漸減緩。

圖1 GIFT和KUBELA 420爆破引起的地面振動速度峰值Fig.1 Comparison of peak particle vibration velocities caused by GIFT and KUBELA 420

衰減規律與Sadovski爆破振動速度經驗公式具有相似性，，其中v為速度峰值，cm/s；R 為距離爆心的距離，m；k、α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數。對試爆的測試數據進行回歸分析，得到GIFT和KUBELA 420試爆產生的振動速度衰減公式分別為

從上面2個衰減公式可以看出，GIFT爆破振動的衰減公式中k值183.9，小于KUBELA 420的衰減系數143，而a值為2.3，大于KUBELA 420的衰減系數1.45，一般情況下，值均小于1，2個衰減系數均使GIFT產生的振動速度趨向小于KUBELA 420的。

3.2 爆炸震動地面振動幅值隨時間衰減特性

爆炸地震引起地面振動的外激勵來源于爆炸作用過程。由于爆炸作用時間極為短暫，因此這種激勵在理論處理上可以被簡化為一個脈沖。若在t＝0時刻對爆炸源進行引爆，經過一個短暫的時間間隔Δt后，爆炸源完全爆炸，此時爆炸作用達到最大值，并以沖擊波的形式作用到地面。隨著時間的推移，沖擊波將迅速衰減。實驗已經證明爆破沖擊波在巖石介質中的傳播規律隨時間變化滿足冪指數關系［10］，一般認為振動的振幅服從指數衰減規律［11］。

通過對試爆測試結果的波形觀察，以測點距離為7m處的波形為例，將波形中波峰的速度大小及所對應的時刻進行數據分解（見表4），對振動速度幅值與時間變化的關系進行擬合，分別得到GIFT和KUBELA420的振動速度幅值－時間指數函數

從上面2個衰減公式可以看出，GIFT爆破振動不僅開始的最大值小于KUBELA 420的，而且振動速度幅值隨時間變化的指數系數－24.701也小于KUBELA 420的－18.158，表明由GIFT引起的振動速度隨時間衰減更快。

4 結 論

從試爆的現場測試結果可以看出，GIFT爆炸產生的地震動比常規炸藥爆炸產生的地震動小得多。從爆破振動速度－距離衰減曲線來看，其衰減規律符合一般爆破地震動的衰減規律，但衰減指數α為2.3，超過了Sadovski經驗公式中α＝1.3～2.0的范圍，擴展了薩氏經驗公式的適用范圍。

而從GIFT和KUBELA 420的爆破振動速度幅值－時間衰減公式可以看出，GIFT的地震波衰減更快，在相同的振動速度下，產生的比沖量比常規炸藥小，從而對周圍建構筑物的損傷和破壞也比常規炸藥小。

通過實驗研究可知，對于降低爆破振動的負面有害效應，除了采用減震溝槽等輔助措施外，還可以通過選擇低能炸藥或研制新型的專用炸藥來達到降低爆破振動的效果。

［1］劉愛文，俞言祥，付長華，等.50 t科學爆破振動的衰減特征及地形效應［J］.爆炸與沖擊，2010，30（1）：21－26.LIU Ai－wen，YU Yan－xiang，FU Chang－hua，et al.Attenuation characteristics and topographic effect of a scientific explosion with 50 t explosive［J］.Explosion and Shock Waves，2010，30（1）：21－26.

［2］唐飛勇，王意堂，梁開水.爆破振動信號特征分析的應用探討［J］.爆破，2010，27（4）：109－115.TANG Fei－yong，WANG Yi－tang，LIANG Kai－shui.Characteristics analysis of blasting vibration signals of open pit［J］.Blasting，2010，27（4）：109－115.

［3］陳士海，魏海霞，張安康，等.基于小波包技術的爆破地震效應計算模型及安全判據研究［J］.爆炸與沖擊，2010，30（4）：377－382.CHEN Shi－hai，WEI Hai－xia，ZHANG An－kang，et al.Computational model and safety criterion of blasting vibration effect based on wavelet packet techniques［J］.Explosion and Shock Waves，2010，30（4）：377－382.

［4］費鴻祿，馬諾諾.壩基開挖爆破振動頻帶小波能量分析［J］.爆破，2010，27（3）：99－104.FEI Hong－lu，MA Nuo－nuo.Wavelet energy analysis of blasting vibration frequency band on dam foundation excavation［J］.Blasting，2010，27（3）：99－104.

［5］易長平，陳明，盧文波，等.減震溝減震的數值模擬［J］.武漢大學學報：工學版，2005，38（1）：49－52.YI Chang－ping，CHENG Ming，LU Wen－bo，et al.Numerical simulation for damping effect of damping ditch［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2005，38（1）：49－52.

［6］羅毓，劉雁鷹，易長平.預裂縫參數對減振效果影響的數值分析［J］.爆破，2007，24（2）：25－35.LUO Yu，LIU Yan－ying，YI Chang－ping.Numerical simulation analysis of the effect of pre－splitting crack parameters on damping vibration［J］.Blasting，2007，24（2）：25－35.

［7］占時春，李山存.孔內孔間微差爆破試驗研究［J］.工程爆破，2006，12（2）：45－48.ZHAN Shi－chun.LI Shan－cun.Experimental study on millisecond blasitng both in－and－among holes［J］.Engineering Blasting，2006，12（2）：45－48.

［8］張玉明，白春華，張奇，等.炸藥性能對爆炸地震波幅值影響的對比試驗研究［J］.北京理工大學學報，2001，21（6）：669－674.ZHANG Yu－ming，BAI Chun－hua，ZHANG Qi，et al.Comparing experimental research on the effect of explosive characteristic upon the amplitude of explosion seismic wave［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，2001，21（6）：669－674.

［9］Bock I.Breaking rock with propellants［Z］.imPafa Technologies（PTY）LTD，2007.

［10］高金石，張奇.爆破理論與爆破優化［M］.西安：西安地圖出版社，1993：18－21.

［11］亨利奇J.爆炸動力學及其應用［M］.熊建國，譯.北京：科學出版社，1987：38－40.