炮孔直徑對爆破振動的影響

梁 虎，丁松波，徐榮文，韓 飛，吳從師

(長沙理工大學 土木與建筑學院， 湖南 長沙 410004)

影響爆破振動速度的因素有很多，總藥量、單段最大藥量、爆破區域及測點處的地形地質條件、孔徑、孔深、排距等都能對爆破的振動速度產生影響[1-2]。而相對于改變地形及地質條件(預裂孔爆破、開挖減震溝及減震孔等措施)，改變爆破參數(孔徑、孔深、微差間隔時間、各段藥量分部及起爆順序、起爆網絡等)對爆破振動的影響更大[3]。盧文波等學者的研究表示，炮孔直徑以及測點的爆心距是影響爆破振動強度的重要參數，并基于柱面波理論和球面波及長柱狀裝藥子波理論，得出了相應的質點峰值振動速度衰減公式，并表示為孔徑和距離的函數[4]。更有實測數據表明，小孔徑爆破時質點振動速度的衰減速率比大孔徑爆破時快，小孔徑爆破時，爆破速度更容易衰減[5]；并且，爆破振動的強度是隨著孔徑的增大而增大的，增長速率隨著比例藥量的減少而增大[6]。因此可以認為，炮孔直徑雖然不是影響爆破振動的決定性因素，但對爆破振動強度有著重要的影響，本文根據實測爆破振動數據來討論不同炮孔孔徑的爆破振動。

1 土石方爆破參數

懷化市高鐵南站廣場建設需對車站廣場的場地平整和高堰路路塹的開挖進行爆破施工。其中車站廣場的場平爆破為不規則的臺階爆破，炮孔直徑為76 mm，孔深為4～9 m，孔距為2～3 m，排距為2～3 m，每次爆破孔數26～45個，均采用孔內7段導爆管雷管、孔外3段導爆管雷管成組連接成接力式起爆網路，最大一段藥量為36～76 kg，總藥量260～360 kg，組與組之間的微差間隔時間75 ms。而高堰路的爆破也為不規則的臺階爆破，炮孔直徑為90 mm，孔深為3～10 m，孔距為2～3 m，排距為2～3 m，每次爆破孔數15～36個，均采用孔內7段導爆管雷管，孔外3段導爆管雷管成組連接成接力式起爆網路，最大一段藥量為27～48 kg，總藥量144～288 kg，組與組之間的微差間隔時間75 ms。大小孔徑爆破均采用耦合裝藥結構，炮孔填塞長度0.5～1 m，選用的2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm。

2 測點布置

由于爆破區域附近的居民住宅區到爆破中心的距離最近，因此，測點盡量布置在居民生活區域內，每次爆破布置5～6個監測點。結合爆破區域自由面的朝向和爆破地震波的傳播特性，決定將所有測點盡可能布置在一條直線上，并與爆破中心連接成為一條直線，在分別對兩處爆破區域周邊環境進行實地考察之后，得到爆破現場平面示意圖，炮孔直徑為76 mm的爆破現場平面示意見圖1，炮孔直徑為90 mm的高堰路爆破現場平面示意見圖2。

3 實測結果與數據處理

分別對場平爆破進行3次爆破振動監測，對高堰路爆破進行5次爆破振動監測，監測系統由加拿大Instantel公司生產的Minimate Pro⑥微型測振儀及配套的速度傳感器、高屏蔽低抗鍍銀信號電纜和計算機組成。每個測點每次都能監測爆破振動的水平橫向、水平縱向、垂直方向三個方向的振動速度及最大主頻率，在此處選擇爆破質點三個方向矢量和速度與最大主頻率作為監測分析的物理量，得到的場平爆破(炮孔直徑76 mm)和高堰路爆破(炮孔直徑90 mm)的各項實測數據見表1、表2。

圖1 場平爆破現場

圖2 高堰路爆破現場

表1 炮孔直徑90 mm時的爆破振動實測數據

在國內大部分爆破振動質點衰減規律的研究課題中，大多采用薩道夫斯基經驗公式預估質點的振動速度，根據最小二乘法原理，利用編制的回歸分析計算程序IDTS3850，對表1、表2中的數據進行一維線性擬合，得到不同大小炮孔直徑矢量和速度的擬合曲線見圖3、圖4。

表2 炮孔直徑76 mm時的爆破振動實測數據

由圖3、圖4得到炮孔直徑為76 mm時的爆破質點振動速度的計算公式(1)和炮孔直徑為90 mm時的爆破質點振動速度的計算公式(2)：

(1)

(2)

圖3 直徑76 mm炮孔速度爆破矢量和擬合曲線

圖4 直徑90 mm炮孔爆破速度矢量和擬合曲線

取炮孔直徑為76 mm，在2月19日爆破時，最大段裝藥量76 kg，爆心距為158 m，振動峰值速度為1.29 cm/s測點的波形圖(見圖5，X軸為爆破振動時間，Y軸為振動轉化的電壓信號，與振動速度成正比，圖6坐標定義一樣。)，同時也提取炮孔直徑為90 mm，在2月24日爆破時，最大段裝藥量45 kg，爆心距為150 m，振動峰值速度為1.07 cm/s測點的波形圖(見圖6)。二者的爆心距和振動峰值速度相差極小，雖然炮孔直徑為76 mm的最大段裝藥量比炮孔直徑為90 mm的還要大，但比較二者的波形圖我們可以看出大孔徑三個方向的振動速度持續時間卻更長，而且大孔徑的振動速度矢量和都比小孔徑的要大，雖然小孔徑水平徑向和豎直方向的最大峰值速度比大孔徑略大一些，這是因為小孔徑的最大段裝藥量比大孔徑多出31 kg，出現這種現象也屬于正常。總體來說，炮孔直徑為90 mm的振動速度比炮孔直徑為76 mm大，振動持續的時間更長。

同時提取與二者相對應的頻譜圖如圖7～圖8(X軸為質點爆破振動頻率，Y軸為質點爆破振動幅度)所示，對比兩者可見直徑為76 mm的炮孔爆破時爆破地震波的高頻成分多于炮孔直徑為90 mm的爆破地震波，并且炮孔直徑為90 mm的振動頻率大部分要低于炮孔直徑為76 mm的振動頻率，說明直徑為90 mm炮孔的振動衰減比76 mm的要慢。

圖5 炮孔直徑76 mm測點波形圖

圖6 炮孔直徑90 mm測點波形圖

圖7 炮孔直徑76 mm測點頻譜圖

4 結 論

本文對懷化市高鐵南站廣場爆破振動監測數據進行了采集和回歸分析，得到了車站廣場場地平整爆破和高堰路爆破地震質點振動速度和比例藥量之間的關系，為接下來兩處地方爆破時的最大一段裝藥量提供參考，并得到以下結論：

圖8 炮孔直徑90 mm測點頻譜圖

(1) 對比不同直徑炮孔實測振動峰值速度的擬合結果，可以看出，雖然炮孔直徑90 mm的衰減系數α比炮孔直徑76 mm的衰減系數α大，但90 mm炮孔直徑的K值是76 mm炮孔直徑K值的5～6倍，所測比例藥量范圍內90 mm炮孔的振動速度比76 mm炮孔振動速度大。

(2) 76 mm的單段裝藥量雖然大，但單孔藥量少，不如90 mm炮孔的藥量集中，而藥量集中的爆破產生的振動難以衰減些，因此振動速度大些。

(3) 大孔徑爆破質點振動持續的時間比小孔徑爆破質點振動持續的時間長。

(4) 大部分測點的主頻率表明，小孔徑爆破振動的主頻高于小孔徑爆破振動的主頻。

參考文獻：

[1]高毓山，譚永厚，姜玉富. 南芬鐵礦降低露天礦爆破震動的實踐[J]. 礦業研究與開發，2003，23(2).

[2]李安民. 土石方爆破的振動監測與分析[J]. 礦業研究與開發，2003，23(4).

[3]史太祿，李寶珍. 微差間隔時間、藥量分布及測距對爆破振動的影響[J]. 工程爆破，2003，9(4).

[4]盧文波，Hustrulid W. 質點峰值振動速度衰減公式的改進[J]. 工程爆破，2002，8(3)：1-41.

[5]高 山，王茂玲，史太祿. 孔徑對爆破質點震動速度衰減的影響[J]. 采礦技術，2003，3(4).

[6]高曉初.炮孔孔徑、超深及起爆方案對爆破震動的影響[J]. 西部探礦工程，1995，7(1)..