钟冬望

（武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，湖北武汉，430065）

随着国民经济建设的发展，水上交通基础设施建设不断增加，对长江航道的要求也越来越高。由于长江中上游暗礁较多、水深不够，不利于长江航运的安全，并阻碍了大型船舶的通行。为适应长江运输能力的增长，许多江段需要实施航道疏浚爆破工程，考虑到其工况条件、经济因素等，目前主要还是选择水下爆破的方式进行炸礁。与陆地爆破相比，水下爆破不仅施工难度大，而且对周围环境的影响也较为突出［1－6］。在陆地土层中爆破，地震波能量一般只占爆炸总能量的2%～6%，而在水下介质中爆破时，地震波能量所占比率可达20%。水中爆炸除形成水冲击波和地震波外，高压气体的上浮与胀缩运动还形成二次脉动压力，使河岸、地面及水中建筑物产生二次振动效应，延长了长江大堤上质点振动的持续时间，使超静孔隙水压力随着应力循环次数的增加，导致大坝基础的液化。为此，本文以长江太子矶航道疏浚爆破工程为例，通过对该爆破现场的测试，得出爆破振动速度的衰减经验公式，并提出了爆破振动速度安全判据及不同状态下的最大允许药量，以期为水下钻孔爆破地震波特征、传播规律、形成机制以及振动效应的研究提供依据。

1 工程概况

太子矶航道位于安徽省池州市境内，地处长江下游。此处江面宽阔，是长江航运的繁忙地带。太子矶礁石位于太子矶航道居中偏右位置，左侧距江堤最近为400 m，右侧距江堤最近为2 180 m。此处暗礁较多，不利于长江航运的安全，并阻碍了大型船舶的通行。由于爆破中心距长江大堤及附近建筑的距离较近，且爆破装药量较大。为确保安全，需对一些重要的地段（如长江大堤、附近炸药库房等）进行质点振动速度监测，并作相应的安全评估。

太子矶航道爆破作业区长为180 m，宽为80 m，平均爆破深度为9 m，水深为0～5 m，水下爆破岩石总量为129 600 m3。爆破岩石成分为灰白色中粒花岗岩，中等风化，节理发育，单轴抗压强度为69.21 MPa，岩石等级为Ⅷ～Ⅸ级。工程钻孔作业平台采用400 t方驳船，钻孔直径为100 mm，孔深为1.4～10.5 m，平均超深为0.8 m；垂直钻孔，孔距为1.5 m，排距为1.2 m。为防止松渣及淤泥堵塞炮孔，开钻前先下放端头有锯齿的中空套管，管径为120 mm，炮孔钻好后拔出钻杆，立即通过中空套管装药，炸药选用直径为70 mm的乳化炸药，每个炮孔分别在其底部和中部布置2～4个雷管，全部炮孔装药完毕后联线、移船、警戒和起爆，每次爆破为2～3排。

2 爆破振动测试

2.1 测试系统与测点布置

采用IDTS 3850型爆破振动记录仪，连接速度传感器，并布置于振动监测点。该记录仪的分辨率高，最小可分辨的振动速度达到0.001 6 cm／s，读数精度达到0.5%；可自动实时先后采集8次爆破振动波形。爆破测震后用RS232数据线与计算机相连，便可读出整个爆破过程中的振动信号，并具备功率谱分析、矢量合成、萨道夫斯基公式回归等处理功能。

本次监测工作共布置了7个测点，每个测点布置垂直和水平传感器各1个，水平传感器指向爆源，各测点高程一致，均高于爆源8 m，测点位置及距爆心距离如表1所示。测点布置的平面图如图1所示。

表1 测点位置及爆心距离Table 1 Location and distance from blasting center of the measuring points

2.2 测试结果

根据爆破施工作业安排，爆破振动测试分两次进行。由于水下爆破作业的振动检测可供参考数据较少，且各地的地质、水文条件均不尽相同，因此共进行了二次大规模水下钻孔爆破：第一次单段最大药量为290 kg，总药量为840 kg；第二次根据预计正常施工要求并反复测算将单段最大药量加大为346 kg，总药量为1 650 kg。由于第一次发现5＃、6＃测点位置（距离爆源最远）的振动速度非常小，因此第二次时取消对这两点的振动测试；同时在太子山脚炸药库院内增设了一个测点位置7＃。各测点均顺利测得数据，实测典型振动波形如图2所示。各测点位置的爆破振动速度如表2所示。

图1 测点布置图Fig.1 Layout of the measuring points

图2 典型波形图Fig.2 Typical oscillogram

由表2可看出，实测质点最大振动速度为0.563 2 cm／s，质点振动主振频率主要集中在10～50 Hz内，这表明现场条件下水下钻孔爆破振动以低频波为主，振动检测均在允许范围内。由图2可看出，地面振动主振频率应是低频波和高频波的叠加，低频波（对应爆炸直接作用在岩石中形成的爆破地震波）占主要部分，而水冲击波所引起的地面振动高频波的冲击作用并不明显。究其原因是，钻孔爆破水击波大小与孔口水深及与炮孔轴线的夹角有较大关系。主要特点是，水冲击波超压随着水深增加而加大，另外随着与炮孔轴线夹角加大而迅速减小，当夹角大于45°后，超压比ΔP钻／ΔP水一般小于0.15。长江大堤上最近测点4＃距爆炸中心距离为603 m，药包水深约为3 m，因此水冲击波传播路线与炮孔轴线的夹角约为89°，表明水冲击波的作用效果并不十分明显。

表2 实测爆破振动速度监测数据Table 2 Monitoring data of the measured blasting vibration velocity

3 结果与分析

爆破地震波的破坏作用主要决定于质点振动速度，而不是波自身的传播速度，其传播和衰减遵循一定的规律。只要估计质点的最大振动速度并采取一定的控制手段，就可减少爆破振动带来的危害。质点的最大振动速度公式为［7］

式中：V为质点振动速度，cm／s；Q为单段最大药量，kg；R为爆破中心至被保护对象或测点的距离，m；a为爆破地震波传递衰减指数（a值为待定未知数）；K为爆破现场地质条件系数（K值为待定未知数）。

取表2中振动速度进行回归分析，得：K＝741.328，a＝1.754 9，即：

若取2 cm／s为最大振动速度控制标准，则最大段安全药量为2 600 kg，最大段安全控制药量为2 000 kg。按此控制标准进行爆破设计，圆满完成了长江太子矶航道疏浚爆破工程任务。

4 结论

（1）地面振动的主振频率应是低频波和高频波的叠加，低频波（对应爆炸直接作用在岩石中形成的爆破地震波）占主要部分，而水冲击波引起的地面振动高频波的冲击作用并不明显。

（2）试验条件下，振动速度衰减经验公式为V＝741.328（Q1／3／R）1.7549。

（3）距离爆源越远，振动速度越慢，地震波随着距离的延长呈衰减趋势，且垂直方向振动速度的衰减速度明显大于水平方向振动速度的衰减速度。

（4）从确保周围建构筑物安全上考虑，取2 cm／s为最大振动速度控制标准，最大段安全控制药量为2 000 kg。

［1］ 李海波，蒋会军，赵坚，等.动荷载作用下岩体工程安全的几个问题［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（11）：1 887－1 890.

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［5］ 石教往，熊长汉.水下工程爆破对环境影响规律研究（上）［J］.爆破，2000，17（3）：15－18.

［6］ 李俊如，李海波，刘亚群，等.爆破对混凝土结构和长江大堤基础的影响分析［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（11）：1 912－1 915.

［7］ 钟冬望，林大泽，肖绍青.爆炸安全技术［M］.武汉：武汉工业大学出版社，1992：24－56.