順層巖質邊坡爆破的振動控制及損傷特性＊

王智德，夏元友，周 雄，夏國邦，楊金華，3

（1.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430070；2.云南省公路開發投資有限公司，云南 昆明650101；3.云南交通職業技術學院建筑工程學院，云南 昆明650101）

順層巖質邊坡爆破的振動控制及損傷特性＊

王智德1，夏元友1，周 雄1，夏國邦2，楊金華1，3

（1.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430070；2.云南省公路開發投資有限公司，云南 昆明650101；3.云南交通職業技術學院建筑工程學院，云南 昆明650101）

為了更好地了解順層巖質邊坡爆破開挖時振動速度的傳播規律以及坡體的損傷程度，以云南省普宣高速公路順層邊坡爆破開挖為工程背景，利用聲波測試結合監測點振動速度的方法，獲取坡體不同深度的聲速變化及不同位置的振動速度，分析不同藥量下單次和多次爆破的坡體損傷范圍以及振動速度的衰減規律。研究表明，爆破區任意點的振動速度與損傷深度存在對應關系：對單次爆破，振動速度與損傷深度呈線性關系，而對多次爆破，振動速度與損傷深度呈非線性關系；以聲速降低率10%作為損傷界限，并作為爆破控制時，單次爆破對應的臨界振動速度為11.54cm／s，損傷半徑為5.57m；，基于首次爆破的多次爆破臨界振動速度為24.20cm／s，最大損傷半徑為7.56m，并由薩道夫基公式得到2種方式的最大起爆藥量。

爆炸力學；爆破控制；聲波測試；順層巖質邊坡；損傷

對巖質邊坡采用爆破開挖，會不可避免地造成坡體損傷。其原因是爆破引起的沖擊波對巖體產生剪應力和拉應力，當其值超過巖體剪切或抗拉強度時，會導致巖體產生裂隙，同時也會對邊坡原有的節理裂隙產生擴張作用［1］。多次爆破時，裂紋逐漸擴大和貫穿，形成累積損傷效應［2－3］。在順層巖質邊坡中，當爆破振動波在結構面處經過多次折射、反射，能量在傳播過程中逐漸衰減，造成振動波速度明顯降低。當振動波通過巖體裂隙、松散塊體和小孔洞等缺陷時也會產生散射和繞射現象，導致波速降低。在坡體一定的深度范圍內，爆破前后發生的波速變化是坡體損傷的直接表現［4］。在爆破過程中，不同方向的振動速度隨爆破方式的不同呈現不同的衰減趨勢［5］。對順層巖質邊坡，爆破引起巖體的損傷在巖土界引起了高度重視。目前，常將監測點的振動速度以及巖體的損傷程度作為爆破的安全控制指標［6］；Li Haibo等［7］給出了巖體單次爆破破壞深度的振動速度安全閾值，但對多次爆破的破壞特征研究甚少；因此，對振動波傳播規律和巖體損傷范圍及兩個指標之間關系的研究尤為重要。本文中，以云南省普宣高速公路沿線順層巖質邊坡的爆破開挖為背景，爆破測試包括巖體損傷的聲波測試和質點振動速度監測。通過多次爆破試驗，利用聲波測試方法得到順層巖質邊坡巖體聲速降低率，確定爆破損傷的范圍，并結合監測不同距離的質點振動速度確定振動波的傳播規律，根據爆破藥量、測點振動速度和坡體損傷范圍的關系，對單次爆破以及多次爆破產生的損傷進行分析，提出該邊坡爆破振動安全控制標準。

1 現場測試

1.1 測試孔（點）的布置

以K0＋850～K0＋930處的順層巖質四級邊坡為爆破試驗點，開挖坡率為1∶0.5，每級開挖高度為10.0m，坡體以灰巖為主，巖層厚度為20～40cm，巖層傾角為36°，巖層走向與坡面走向呈15°小夾角相交，邊坡節理裂隙發育，屬松散巖類。

試驗按4次進行，采用2＃巖石乳化炸藥，淺孔爆破方式。炮孔深2.5～2.8m，直徑為40cm；1～4次爆破的炮孔水平間距為1.5～2.5m；單次炮孔耦合藥量分別為3.2、4.8、4.8、7.2kg。聲波測試孔沿水平方向布置12組，沿坡面方向布置5組，鉆孔深度為5.0～8.0m，直徑為130mm；振動速度監測點1＃～7＃分別沿邊坡縱向及坡向布置，其中聲波測試孔、振動速度監測點與爆破孔的平面布置見圖1。

圖1 測點（孔）布置示意圖Fig.1 Layout diagram of measuring points

1.2 聲波測試

測試設備為RS－ST01D聲波儀，采用一發一收跨孔式方法。聲波換能器移動距離為0.1m，每組不少于3次，取波速穩定時的平均值。按聲波原理［8］，當脈沖波通過結構面或松散裂隙等波阻抗時會造成聲波能量減少，導致聲速降低。影響聲速的因素包括巖體特性、節理裂隙數量、巖體含水率等。其過程是在爆破前先完成坡體初始聲速測試，爆破后再進行節理裂隙擴展的聲速測試。在一定的爆破范圍內，基于巖體聲速變化，可建立巖體損傷程度D和聲速降低率η的關系［9］：

式中：v0、v1分別為爆破前、后巖體的聲速。

對多次爆破，由于損傷度隨爆破次數增加而增大，且存在不可逆的疊加，主要包括初始爆破和多次爆破的累積損傷［10－11］，其爆破累積損傷D′計算公式為：

式中：D1為初始爆破損傷，同式（1）；Δvn為第n與n－1次爆破后聲速差值；ΔDn為n次爆破損傷。

不同深度內，以爆破前后聲速降低率10%作為爆破損傷控制指標，對應的巖體損傷程度為0.19。

1.3 振動速度測試

監測點的振動速度采用四川拓普數字設備有限公司生產的UBOX－5016監測儀測定，由于順層邊坡的巖體具有各向異性及非均質性特點，因此振動波在傳播過程中具有方向性。其測試的目的是通過不同藥量下的爆破來獲取測點垂直和水平方向振動速度的變化值，總結此類邊坡的振動速度傳播規律。振動速度衰減規律常用薩道夫斯基表達式［12］：

式中：V為振動速度；K、α為衰減系數和指數；Q為單段裝藥質量；R為測點到爆源的距離。

2 試驗結果及數據分析

2.1 爆破損傷范圍

聲測孔與爆源距離較近時，應力波產生的能量較大，造成的損傷程度也較大。隨應力波在巖體中傳播的衰減，聲測孔沿深度方向和水平徑向的聲速發生相應變化，巖體損傷程度逐漸減弱，而多次爆破使損傷程度逐漸累加。以爆破試驗中有代表性的聲測孔1－2、2－3、6－7、7－8、8－9、9－10、14－15、16－17進行分析。利用爆破前后不同深度處聲速變化來表征巖體損傷，從而判斷損傷深度及其擾動程度。以4次爆破為例，繪制測試孔深度與聲速變化的關系曲線，如圖2所示。通過沿深度方向聲速變化分析，以式（1）～（2）計算的聲速降低率10%、損傷程度0.19為損傷閾值，聲速降低率從坡體表面向坡內逐漸遞減，4次爆破測試得到聲速最大降低率分布在孔深0～3.5m范圍內，損傷深度隨爆源到聲測孔距離的變化而變化。按初始與爆破后的聲速對比，得到每次爆破后最大聲速降低率，見表1。

圖2 聲波速度與測試孔深度的關系Fig.2 Relation between acoustic velocity and test hole depth

表1 爆破聲波測試數據Table 1 Test data of blasting sound wave

表1中Hd為損傷深度，ΔHd為損傷增量。從表1可知，縱向布置的聲測孔中，測試孔1－2和2－3在4次爆破后的累積損傷深度分別為2.6m和2.9m，受第1次的影響較大，在第2次中只出現較小的累積損傷，第3、4次由于爆距較遠沒有造成進一步損傷；測試孔6－7、7－8、8－9和9－10的損傷深度隨爆距先減少后增大，呈現出的爆破損傷增量先增大后減少，損傷深度分別為3.2、3.4、3.5和3.6m。沿邊坡坡向的聲測孔中，測試孔14－15在第1、2次爆破中聲速有所降低，最大累積損傷深度為0.9m；而測試孔16－17在爆破前后聲速基本沒有變化，因此，爆破對測試孔16－17及以上的區域沒有造成損傷。

2.1.1 單次爆破損傷范圍

若在表1中，統計3.2、4.8和7.2kg藥量下第1次出現聲速降低率10%時的損傷深度，并完成數據回歸分析，得到最大的損傷深度分別為3.3、4.55和6.08m，損傷半徑分別為6.2、7.2和8.5m，如圖3所示。通過數據擬合，得到單次爆破藥量（3kg≤Q0≤8kg）下最大損傷半徑和最大損傷深度分別為：

爆破藥量與損傷范圍對應關系如圖4所示。

圖3 單次爆破的損傷范圍Fig.3 Damage region induced by single blasting

圖4 最大藥量與累積損傷區域的關系Fig.4 Relation between largest doses and damage region

2.1.2 多次爆破損傷范圍

統計累積損傷深度時，按式（2）原理考慮計入首次損傷的多次爆破損傷深度，剔除表1中第2～4次不產生累積損傷的測點，得到如圖5所示的累積損傷范圍。在爆區內考慮藥量與累積損傷范圍的關系，如圖6所示。通過擬合得到多次爆破藥量（3kg≤Qn≤8kg）下最大累積損傷深度和半徑分別為：

圖5 多次爆破產生的累積損傷范圍Fig.5 Accumulative damage region after repeated blasting

圖6 多次爆破最大藥量與累積損傷區域的關系Fig.6 Relation between largest explosive mass and damage region after repeated blasting

2.1.3 多次爆破下累積損傷

巖體在多次爆破下經過損傷累積，以測試孔6－7為例，由圖2（c）得到測試孔6－7的影響深度為3.2m，統計多次爆破后聲速降低率與損傷度沿損傷深度的變化，如表2所示。

將測試孔6－7沿深度0～3.2m在4次爆破作用下的損傷度與損傷閾值進行對比，超過閾值線高度的區域表示為損傷破壞，如圖7所示。4次爆破的損傷深度分別為1.7、2.8、3.2和3.2m。在多次爆破中，損傷程度隨測試孔與爆破距離的增大逐漸減少，損傷深度隨藥量增大逐漸擴大；隨爆破次數的增多，聲速降低率并不是每一次聲速降低率的線性疊加，而是呈非線性累積的規律。

表2 聲速變化率與損傷度匯總Table 2 Acoustic velocity change rate and damage level

圖7 測試孔深度與累積損傷度的關系Fig.7 Relation between depth and accumulative damage level

2.2 振動速度傳播規律

測點與爆源距離和一次起爆藥量是影響測點振動峰值速度的主要因素。為了獲取爆區質點振動峰值速度的規律，沿邊坡縱向及坡向布設測點，每個測點按垂直和水平向布置速度傳感器，表3為監測數據。其中1＃、2＃、3＃和4＃為沿邊坡縱向的測點，5＃、6＃和7＃為沿坡向的測點，通過對測點速度與震源距離的關系得知，振動速度隨震源距離增加而減少。測點距爆源越近對應的速度越大。在4次爆破下獲取的數據并結合式（3），繪制速度與爆源距離的關系見圖8。通過圖8結合表2的數據回歸分析，得到首次爆破振動速度衰減規律表達式，垂直向為：；水平向為：Vh＝。依次類推，匯總其他幾組回歸數據，如表4所示。

表3 爆破振動速度測試數據Table 3 Test data of blasting vibration velocity

圖8 峰值振動速度與爆距的關系Fig.8 Relation between peak vibration velocity and explosive distance

表4 爆破振動速度數據回歸結果Table 4 Regression data of blasting vibration velocity

從表4的回歸數據分析，隨爆破次數的增多，衰減系數和指數逐漸減少，原因是每次爆破對巖體都會有一定的破碎，形成損傷區域。振動波在破碎巖體中產生散射和繞射，導致波速降低，使衰減參數出現相應變化。對不同起爆藥量，同一方向距離相同的測點隨藥量增加振動速度增大，沿坡向垂直速度隨比例藥量增大呈非線性增加，如圖9所示。

圖9 振動速度與比例藥量的關系Fig.9Relation between vibration velocity and scale explosive mass

多次爆破時，不同藥量下衰減系數的數據回歸有一定差異，隨次數的增多，衰減參數出現微降，如圖10所示。原因是衰減參數取決于坡體自身的性質，多次爆破使坡體裂隙增多，損傷區域增大，振動波在坡體內衰減增快，若不進行適當考慮會產生誤差。當3kg≤Qn≤8kg時，垂直與水平向的衰減參數分別為：

圖10 衰減參數與藥量的關系Fig.10 Relation between attenuation parameters and explosive mass

2.3 爆破安全控制確定

通過不同藥量爆破下坡體的累積損傷范圍及測點振動峰值速度變化的分析，建立三者的關系并提出安全控制指標。選取垂直振動速度為例，建立爆破區域損傷范圍和測點振動速度的對應式。按實測振動速度的拐點結合損傷深度，并以此作為爆破安全控制指標。

2.3.1 單次爆破安全指標

對于單次爆破，利用振動速度衡量巖體損傷范圍，通過圖3、圖4和圖8（a）得到振動速度與距爆源任意處的損傷范圍，如圖11所示。以距爆源5.0m布置測點，通過振動速度即可反應出損傷程度，兩者呈線性變化，當3kg≤Q0≤8kg時，其最大損傷半徑和損傷深度分別為：

圖11 單次爆破損傷深度、損傷半徑與振動速度的關系Fig.11 Relationbetween damage depth，radius and vibration velocity after single blasting

式中：V為距離爆源5.0m時的峰值速度。將式（5）代入式（3）中即可得到一次最大起爆量。

2.3.2 多次爆破安全指標

對于多次爆破，同樣以振動速度衡量巖體損傷程度，通過圖5、圖6和圖8（b）得到振動速度與距任意處的損傷范圍，通過擬合建立曲線，得到任意點振速對應的爆破損傷深度與半徑。兩者呈非線性變化，測點振速越大，相應的損傷深度也越大，以距爆源5.0m設置測點，當3kg≤Qn≤8kg時，對應關系見圖12。其測點速度對應的最大損傷半徑和深度分別為：

圖12 多次爆破最大損傷深度、損傷半徑與振動速度的關系Fig.12 Relation between accumulative damage depth，radius and vibration velocity after repeated blasting

多次爆破過程中損傷深度和損傷半徑增加量呈非線性增加，傳播速度下降比單次爆破要快，原因是多次爆破在爆區形成的破碎區產生較多裂隙，這對工程爆破中常用小藥量延時方式起到很好詮釋。

2.3.3 爆破分析

以單次爆破為例，爆破開挖如圖13（a）所示。取表4中第1次爆破擬合得到的數據作為邊坡衰減參數，按聲速降低率10%作為損傷標準，以巖體不出現損傷作為安全控制指標，代入式（5）中得到開挖面處的振速為11.54cm／s，爆源至開挖面損傷半徑為L＝5.57m。將參數代入式（3），得到一次起爆最大控制藥量為4.62kg，即一次起爆最大藥量在4.62kg時，對應的振速若大于11.54cm／s，在距爆源5.57m范圍內會使坡體產生新裂隙或擴展巖體內原有節理裂隙，導致坡體損傷，應采取有效的減震措施；當測點距爆源在5.57m范圍外，振速小于11.54cm／s時，爆破振動波在坡體節理裂隙下沿深度方向聲速發生一定變化，但不會對坡體產生損傷。采用多次爆破時，如圖13（b）所示，以不出現損傷作為安全控制指標時，將參數代入式（6）中得到基于首次爆破的多次爆破臨界速度為24.2cm／s，損傷半徑為7.56 m，將臨界速度代入式（3），結合振動衰減參數式（4）即可得到多次爆破時的最大控制藥量。

通過分析，以聲速降低率10%作為巖體損傷標準，質點速度對應的損傷界線作為安全控制指標，結合邊坡衰減參數，按薩道夫斯基公式便可完成爆破開挖單段最大起爆藥量的控制，并以此作為爆破損傷和爆破開挖的安全控制方法是可行的。

圖13 爆破開挖示意圖Fig.13 Sketch map of slope blasting excavation

3 結 論

（1）通過爆破前后聲速測試，近坡面的聲速降低率比深層的要快，以速度降低率為10%作為臨界線定義損傷區，得到測區爆破前后邊坡損傷深度主要在0～3.5m；

（2）爆破振速衰減率隨爆源距離的增加呈遞減趨勢，振速隨比例藥量的增大呈非線性增加；損傷范圍隨振速增大而增加。對于單次爆破，振速與損傷范圍呈線性變化；而多次爆破的振速與損傷增量呈非線性變化；

（3）在不同藥量下，提出爆破測點的振速與損傷范圍結合的方法，以坡體不出現損傷作為控制指標，單次爆破對應的臨界速度為11.54cm／s，損傷半徑為5.57m，若測點振速大于臨界值，應采取相應的減震措施；對多次爆破，基于單次爆破的臨界速度為24.2cm／s，損傷半徑為7.56m，并以臨界速度作為控制指標實現爆區對應的單次和多次最大起爆藥量，對同類型的順層邊坡爆破安全控制提供相應參考。

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Blasting vibration control and damage characteristics of bedding rock slopes

Wang Zhide1，Xia Yuanyou1，Zhou Xiong1，Xia Guobang2，Yang Jinhua1，3
（1.School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China；2.Yunnan Highway Development ＆Investment CO.，LTD.，Kunming650101，Yunnan，China；3.School of Architectural Engineering，Yunnan Jiaotong College，Kunming650101，Yunnan，China）

In order to understand the law of vibration propagation and the damage degree of the bedding rock slope during blasting excavation，we studied the bedding slope in Puli－Xuanwei Expressway in Yunnan Province as an example.By applying acoustic tests in combination with the monitoring vibration and sound velocities under different depths of the rock mass，we obtained the vibration velocities at different locations after blasting，and analyzed the damage range as well as the propagation and attenuation law of the vibration wave measured of different explosive doses.The results show that the vibration velocity at any point of the blasting area exhibits a corresponding relationship with the damage depth of the slope.It exhibits a linear relation for single explosion and a presents non－linear relation for repeated explosion.Assuming a decrease of 10%in the sound velocity as the damage limit and the control value of blasting，the critical velocity corresponding to single explosion is 11.54cm／s，the damage radius is 5.57m，and the critical velocity corresponding to repeated explosion is 24.20cm／s，the damage radius is 7.56m.The largest explosive dose is deduced by two ways mentioned above according to the Sadaovsk Formula.

mechanics of explosion；blasting control；acoustic test；bedding rock slope；damage

O381；TD 235.1國標學科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）01－0027－10

（責任編輯 張凌云）

2015－10－08；

2016－01－14

國家自然科學基金項目（51374163）；云南省交通運輸廳2010科技專項項目（云交科2010（A）07－a）

王智德（1983— ），男，博士；通信作者：夏元友，xiayy1965＠126.com。