柴修伟

（武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北 武汉430073）

爆破振动效应研究是控制爆破振动危害的基础和前提，也是指导爆破工程施工的重要理论依据。爆破工程、岩土工程及水利水电工程中，爆破振动效应可以造成岩体、边坡及水工结构等产生失稳、变形和开裂等负面效应。爆破振动理论和实践的研究一直是工程爆破研究的一个热点［1－4］，研究者们从不同的角度研究过爆破振动效应，减震沟［5］、预裂缝［6］、缓冲爆破及微差爆破技术［7］等措施都可以有效地降低爆破振动效应；另外张玉明等［8］研究的炸药性能对爆炸地震波的影响。

岩石内炸药爆炸释放能量的2个主要形式：冲击波能量和气体能量，冲击波能量以应力波的形式向四周传播并在炮孔附近拉伸破坏岩石，气体能量以膨胀形式在周围岩体裂隙传播，穿过最近弱面后泄放到空气中。而爆破振动造成的破坏效应主要由冲击波能量在介质中产生的应力波决定。本文中从炸药爆炸产生的爆轰气体量和地震动效应方面，结合南非VAAL河东部引水子工程取水口爆破开挖试爆的现场监测数据，对新型炸药GIFT和常规炸药CE（以KUBELA 420为例）产生的爆炸地震动进行对比实验，探讨炸药性能对爆破地震动的影响。

1 GIFT与CE性能对比

1.1 反应机理不同

GIFT的反应是爆燃，并且靠周围介质的约束压力达到破碎介质的目的；CE的反应是产生冲击波的爆轰反应，在几毫秒内释放所有的能量，而GIFT在周围有约束压力的情况下，能量释放速度只有CE能量释放速度的千分之一。

1.2 气体产物不同

CE爆炸时的气体产物一般为CO2、H2O、N2等，在氧化不充分时，还可能会产生CO、NO或NxOy等有毒气体，甚至会产生固体碳。GIFT起爆完全反应后产生的主要是水蒸气、O2、N2和CO2等无毒气体。GIFT和CE在完全反应时的气体生成物的体积相对含量V如表1所示［9］。

表1 GIFT和CE反应的气体产物体积相对含量Table 1 Volume relative content of gas produced by GIFT and CE

1.3 爆轰能量不同

通过实验发现：相同质量的GIFT比CE产生的能量多20%；破碎同样大小的岩石，GIFT的耗量只相当于CE耗量的（25～50）%。

2 爆炸振动对比

2.1 装药条件和测试设备

试爆孔径均为38 mm。每个GIFT（Ø25 mm×220 mm）药卷的质量为108 g，每个药卷自带脚线和内置电桥，连接脚线至起爆器即可起爆。每孔装一个药卷，每次起爆3个孔。每个KUBELA 420（Ø25 mm×220 mm）药卷的质量为120 g，密度为1.2 g/cm3，爆速为3 500 m/s，每孔一个药卷，每次起爆1个炮孔。用高分辨率地震仪测试爆破振动速度。

2.2 地质情况及测点布置

试爆区域为微风化安山岩，节理、裂隙较发育。沿基坑靠山体一侧布置测点，所有测点均固定在坚硬的岩体上，且与爆源均约在同一经线上。

2.3 测试结果

表2和表3分别为GIFT和KUBELA 420试爆的现场测试结果，表中R为测点到爆心的距离，mmax为最大段药量，fv为垂向主频，vv为垂向峰值速度，fr为径向主频，vr为径向峰值速度，ft为横向主频，vt为横向峰值速度，va为振动速度矢量和。

表2 GIFT爆破的振动监测数据Table 2 Monitoring results of GIFT blast

表3 KUBELA 420爆破的振动监测数据Table 3 Monitoring results of KUBELA 420 blast

比较表2～3发现，在GIFT的药量接近KUBELA 420的3倍的情况下，近距离时，GIFT产生的地震动比KUBELA 420产生的地震动小得多。测点距离为7 m时，GIFT产生的振动速度矢量和为0.877 6 cm/s，振动持续时间为81.6 ms；KUBELA 420产生的振动速度矢量和为1.681 7 cm/s，振动持续时间为129.4 ms。

3 分析与讨论

3.1 爆炸震动地面振动速度峰值随距离衰减对比

根据对试爆测试数据（表2、表3）的分析处理，得到了GIFT和KUBELA 420爆炸震动地面振动速度峰值随测点距离增大的衰减的函数拟合曲线，如图1所示。从图中可以看出，GIFT和KUBELA 420爆炸产生的地面振动速度具有相同的衰减特性，随距离增加迅速衰减，并且近距离衰减很快，随着距离的增加，峰值衰减逐渐减缓。

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

衰减规律与Sadovski爆破振动速度经验公式具有相似性，，其中v为速度峰值，cm/s；R 为距离爆心的距离，m；k、α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。对试爆的测试数据进行回归分析，得到GIFT和KUBELA 420试爆产生的振动速度衰减公式分别为

从上面2个衰减公式可以看出，GIFT爆破振动的衰减公式中k值183.9，小于KUBELA 420的衰减系数143，而a值为2.3，大于KUBELA 420的衰减系数1.45，一般情况下，值均小于1，2个衰减系数均使GIFT产生的振动速度趋向小于KUBELA 420的。

3.2 爆炸震动地面振动幅值随时间衰减特性

爆炸地震引起地面振动的外激励来源于爆炸作用过程。由于爆炸作用时间极为短暂，因此这种激励在理论处理上可以被简化为一个脉冲。若在t＝0时刻对爆炸源进行引爆，经过一个短暂的时间间隔Δt后，爆炸源完全爆炸，此时爆炸作用达到最大值，并以冲击波的形式作用到地面。随着时间的推移，冲击波将迅速衰减。实验已经证明爆破冲击波在岩石介质中的传播规律随时间变化满足幂指数关系［10］，一般认为振动的振幅服从指数衰减规律［11］。

通过对试爆测试结果的波形观察，以测点距离为7m处的波形为例，将波形中波峰的速度大小及所对应的时刻进行数据分解（见表4），对振动速度幅值与时间变化的关系进行拟合，分别得到GIFT和KUBELA420的振动速度幅值－时间指数函数

从上面2个衰减公式可以看出，GIFT爆破振动不仅开始的最大值小于KUBELA 420的，而且振动速度幅值随时间变化的指数系数－24.701也小于KUBELA 420的－18.158，表明由GIFT引起的振动速度随时间衰减更快。

4 结 论

从试爆的现场测试结果可以看出，GIFT爆炸产生的地震动比常规炸药爆炸产生的地震动小得多。从爆破振动速度－距离衰减曲线来看，其衰减规律符合一般爆破地震动的衰减规律，但衰减指数α为2.3，超过了Sadovski经验公式中α＝1.3～2.0的范围，扩展了萨氏经验公式的适用范围。

而从GIFT和KUBELA 420的爆破振动速度幅值－时间衰减公式可以看出，GIFT的地震波衰减更快，在相同的振动速度下，产生的比冲量比常规炸药小，从而对周围建构筑物的损伤和破坏也比常规炸药小。

通过实验研究可知，对于降低爆破振动的负面有害效应，除了采用减震沟槽等辅助措施外，还可以通过选择低能炸药或研制新型的专用炸药来达到降低爆破振动的效果。

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