爆破震動對庫存彈藥的影響與對策

戴革林，周弘揚，王為奎

(空軍勤務學院航空彈藥系，江蘇徐州 221000)

我軍械倉庫大都處于山區(qū)與丘陵地帶，近年來，隨著經濟的快速發(fā)展、城市化進程的快速推進以及高鐵隧道開挖等民用爆破工程的逐年增多，基于經濟利益的驅使，有的民用爆破工程距離倉庫很近，特別是大、中型硐室爆破、隧道掘進爆破的施工直接威脅庫存彈藥的質量安全，除引發(fā)軍民糾紛外也給庫存彈藥留下大量質量不明的“定時炸彈”［1-2］。由于爆破引起的震動時間較短以及軍械倉庫缺少必要的爆破震動監(jiān)控手段，這類受爆破震動影響后的彈藥的危險性與隱蔽性極強，給庫存彈藥的碼垛、裝卸、運輸?shù)惹趧仗幚韼順O大的安全隱患。

1 爆破震動的機理

當炸藥在巖石內部爆炸時，爆破沖擊波與壓縮波將巖石破壞，當壓縮波到達一定距離后，再也不能引起巖石的破裂，只能引起巖石質點的彈性震動，這種震動以彈性波的形式向外傳播，引起沖擊波、壓縮波與地震波。當距離大于150 倍藥包半徑時，壓縮波變?yōu)榈卣鸩āＫc天然地震一樣也會引起介質內部與地面的震動，圖1 表示了爆破地震波的形成與傳播機理。

圖1 爆破地震波的形成與傳播機理

地震波具有遠距離傳播特性，是由若干復雜波組成，可分為體波(包括縱波與橫波)與面波(包括瑞利波與勒夫波)［3-4］，可在介質內傳播，也可對介質進行拉伸與壓縮，引起遠處地面震動與地面建筑物的破壞［5］。當然，工程中可以通過控制如爆炸震源的大小和位置以及爆心距、裝藥量等因素影響質點震動速度以及加速度從而可以控制爆炸震動對結構的效應。

1.1 震動速度模型分析

我國計算爆破震動安全允許速度為［6］

式中:r 為藥包半徑(mm); V 為地震波引起的保護對象所在地面所產生的質點震動速度(cm/s); Q 為單次爆破藥量(kg);R 為爆破中心到保護物距離(m); K、α 為地質條件系數(shù)與衰減系數(shù)，數(shù)值按照《爆破安全規(guī)程》中的規(guī)定選取。

由此可以計算保護對象(樓房、庫房、庫存彈藥)所在地面所產生的質點震動速度，質點震動速度隨單次爆破藥量增大而增大，隨距離的增大而減小。

1.2 震動加速度模型分析

通過地震波觀測數(shù)據(jù)研究表明，同時應該考慮離爆心的距離和炸藥當量的影響，也就是在構造幅值包絡線函數(shù)L(t)時應考慮到距離和炸藥當量的影響。

關于爆炸地震波的模擬理論分析方面，曾德斌等將M.Shinozuka 等得出的雙指數(shù)包絡函數(shù)［7］通過改進應用于爆破地震波的模擬來反映峰值前的幅值增長規(guī)律為

式中:L0，b1，b2為給定的常數(shù); t 為時間; t0為地震波到達時間，s;t0=R/c，c 為波速，m/s。

趙申，馮仲齊等又將L0用amax來代替，得出了包絡函數(shù)新的改進形式:

式中:amax為爆破地震波最大加速度，m/s2; 根據(jù)文獻［8］中可知:常數(shù)c=10，n=2.03，m=448.53。

2 爆破震動對彈藥部件影響因素分析

儲存是彈藥相對靜態(tài)的環(huán)節(jié)，彈藥包裝件在重力作用下承受靜壓載荷作用。靜壓載荷主要作用于彈藥外包裝，一般不會對內裝彈藥造成直接影響。因此包裝破損、彈藥零部件損壞和其他質量問題的主因主要是各種形式的沖擊和震動構成了彈藥儲運的動態(tài)力學環(huán)境。

如圖2 所示:以T 為尺度的檢測周期觀測抽取的3 個同樣的部件。部件1 由于工作環(huán)境惡劣或者突然失效造成的故障，下降極快，無法避免;部件3 由于提前更換部件造成剩余壽命浪費的問題，技術手段可以為之延長一定的壽命; 部件2 是因為長期儲存中，受到震動的影響，故障發(fā)生達到各部件的CBM(Condition Based Maintenance)狀態(tài)基準線時間值在部件1 和2 達到CBM 時間值之間，但之后故障發(fā)展卻急劇加速，受損加劇。所以必須采取有效的措施監(jiān)測彈藥潛在故障發(fā)生時間，以此利用技術手段規(guī)避風險。

圖2 固定檢測周期下不同條件彈藥疲勞損傷狀態(tài)

在工程爆破施工中，往往就伴隨著沖擊和振動等動載荷作用，會在瞬間對包裝件形成較大的峰值破壞，對于彈藥中那些易受震動影響的部件如表1 所示影響更大。與跌落、猛烈撞擊的單次震動相比，爆破工程一般長時間連續(xù)作業(yè)，震動次數(shù)多，在缺少監(jiān)控手段情況下，特征不明顯，很難發(fā)現(xiàn)與預防，與跌落、猛烈撞擊的彈藥相比具備更大的危險性與隱蔽性，是引發(fā)爆炸事故的隱蔽性極強的“定時炸彈”。這種動載荷既容易造成外包裝箱破損，也可能導致彈藥內部機構破壞或提前動作，如引信機構解除保險;零部件松動、變形和斷裂;裝藥松動和破裂等。這些后果不僅影響彈藥的正常儲存，對彈藥勤務的安全造成嚴重危害。

表1 具有震動敏感特性的彈藥部件

對某一彈藥來說，易損部件疲勞極限是確定的，循環(huán)次數(shù)與工程爆破次數(shù)、時間相關。因此，本研究以彈藥的某一易損部件為關鍵部件，考慮單次爆破，震動加速度對其影響，建立彈藥震動模型，分析震動對彈藥影響關系。

3 數(shù)值分析震動對彈藥的影響

為方便研究，本文選取文獻《某型機庫樁基快速成孔施工技術研究》中的炸藥包為原型，在此基礎上加大彈藥當量，滿足地震波形成條件。爆破藥包［9］如圖3 所示(單位:mm)。

圖3 爆破藥包

整個藥包成柱狀結構，總高度220 mm，其中上部70 mm為直徑200 mm 圓柱，中部50 mm 為圓臺，下部100 mm 為直徑233 mm 圓柱，最下部800 mm 為藥包支架，由三根角鐵焊接而成，用于放置藥包，形成有利炸高。其中起爆裝置1 由壓制的特屈兒藥柱和8 號電雷管組成，隔板2 采用紅松木，藥型罩3 采用等壁厚的半球型(或圓錐型，未畫出)的鑄鐵、鑄銅和鑄鋁的金屬罩，支架4 由三根角鐵焊接(或鐵管)焊接而成，炸藥5 用20%梯恩梯和80%黑索金混合熔鑄而成，外殼6 由厚2 mm 鋁皮焊接而成，整個藥包總質量約41.2 kg，裝藥總質量約30.75 kg。

模型選取使用函數(shù)式(1)、式(3)和式(4)，計算得出圖4、圖5、圖6 是在不同距離(10 m，20 m，30 m)，相對應的時間為0.01 s，0.02 s，0.03 s 處的爆破震動時程的數(shù)值模擬結果。結果表明，彈藥當量一定時，不同距離處爆破震動頻率和幅值因中心距不同而不同，時間越短幅值越高，震動加速度越大，在一定時間后接近為零，對彈藥部件破壞越小。

圖4 爆破地震波加速度時程(t0 =0.01 s，s=10 m)

圖5 爆破地震波加速度時程(t0 =0.02 s，s=20 m)

圖6 爆破地震波加速度時程(t0 =0.03 s，s=30 m)

30 kg 的彈藥當量，在10 m 范圍內地震波的加速度峰值接近30 m/s2，而工程爆破的彈藥使用量以及次數(shù)與之相比較，加速度峰值一定更高。

以某型箱裝彈藥為研究對象，建立了關于易損部件的三自由度彈藥振動力學模型，包裝箱正常情況有枕木與大地隔開，因為共振效應［10］，可以假設之間有“共振彈簧”的存在如圖7 所示，為方便觀察，中間鏤空。在地震波加速度激勵的動力作用下，彈藥與之振動響應。“共振彈簧”阻尼系數(shù)主要受到包裝箱減震程度、彈藥整體質量等因素影響，受到的位移力取決于彈藥當量與中心距。某型箱裝彈藥位置與爆破中心距越遠且彈藥包裝箱保護能力越好，共振程度越低。因此，工程爆破產生的震動必須受到重視，對彈藥保護也要足夠重視，箱體要有一定的抗震性。

圖7 箱裝彈藥震動與共振彈簧關系假想圖

4 解決措施

1)加強軍地雙方溝通與協(xié)調

民用爆破的管理與批準權限隸屬地方公安系統(tǒng)的治安管理局(科)，每次實施爆破前必須報請治安管理局(科)批準［11-13］，為準確掌握地方爆破工程實施的規(guī)模、時間與地點，必須加強與地方公安部門的協(xié)調與溝通，軍地雙方及時通報爆破工程作業(yè)實施信息，必要時進行爆破震動監(jiān)測，及時采集爆破震動的關鍵數(shù)據(jù)，分析庫存彈藥受爆破震動的影響情況。

2)對爆破震動進行有效控制

根據(jù)上述爆破震動質點速度以及加速度公式可知，爆破震動質點速度與單次爆破藥量成正比，與距離成反比，因此必須控制單次起爆藥量，禁止大型峒室爆破與庫區(qū)附近的隧道爆破，確實需要進行隧道爆破的，建議承包公司該標段采取盾構施工技術或對爆破震動進行有效控制，主要控制技術包括:降低單次起爆藥量、多次起爆、采用低威力、低爆速炸藥，除此之外，采取毫秒微差爆破技術，實踐證明，毫秒微差爆破與齊發(fā)爆破相比，降震效果非常明顯，間隔時間大于100ms 時平均降低震動50%左右［14］，分段越多，降震效果越好，采取毫秒微差爆破技術是對爆破震動進行有效控制的關鍵技術措施。

3)購置便攜震動監(jiān)測儀

為控制爆破，減少爆破破壞效應以及對爆破工程方案進行性能評估等用途，目前國內對爆破效應采取mini-series 便攜震動監(jiān)測儀進行監(jiān)控［15］，該儀器體積小巧，自備電池，放置于監(jiān)控場所自動記錄震動波形，無需人為參與值班，自動記錄，發(fā)現(xiàn)異常情況或定期對記錄波形結果進行分析，分析震動波形前震段、主震段與尾震段，重點分析震動幅值、震動發(fā)生的時間、持續(xù)時間等關鍵技術數(shù)據(jù)，有利于與民用爆破公司一起改進爆破技術方案。

4)改進彈藥包裝箱

為了提高彈藥防震能力，除在彈藥碼垛時底部采用防震墊木、有機減震材料等措施外，改進彈藥包裝箱的防震能力是一個有效方法，具備防震能力的彈藥包裝箱也稱為緩沖包裝箱，可以采取全面緩沖、部分緩沖與懸浮緩沖3 種方式解決彈藥防震問題，其中部分緩沖是在彈藥包裝箱拐角或局部地方使用緩沖材料襯墊，不僅能產生良好的防震效果，與全面緩沖和懸浮緩沖相比大大降低材料成本，是應用最廣泛的緩沖包裝措施，可以很好解決爆破震動對庫存彈藥的影響。

5 結束語

去年某部后方軍械倉庫在進行彈藥勤務作業(yè)時發(fā)生爆炸，給庫存彈藥勤務處理安全帶來嚴重影響，分析可能影響庫存彈藥安全因素成為重要研究課題，特別是隱蔽性強的質量不明彈藥是造成爆炸事故的主要因素，本文基于近年城市化進程的不斷加快以及高鐵隧道工程的不斷增多，地方民用爆破對后方軍械倉庫庫存彈藥安全構成嚴重威脅的實際情況，提出了受爆破振動影響后的質量不明彈藥是一種被忽視的危險庫存彈藥，給出了爆破震動對庫存彈藥機械結構的影響以及這種危險彈藥出現(xiàn)的原因，給出了幾種具體的解決措施，可以及時發(fā)現(xiàn)與解決這類危險彈藥的隱蔽性問題，對于庫存彈藥的防爆安全具有一定的參考價值。

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