关于岩土爆破中减震技术探讨

摘要：文章主要针对当前爆破地震效应及其影响因素的现状进行研究，通过分析土岩爆破的物理过程和爆破能量分配，探讨爆炸地震波的形成及传播特性。探索爆破震动在边坡中的传播衰减规律，研究爆破荷载作用下边坡的动态响应并寻求响应同爆源参数之间的对应关系，通过现场监测调整和优化爆破方案，提出切实可行的控制手段，以供大家参考。

关键词：岩土爆破； 爆破地震波；减震

中图分类号： [TJ55]文献标识码：A 文章编号：

1、岩土爆破地震波生成过程

炸药在介质中爆炸，瞬间释放出能量，能量首先转变为气体的压缩能，然后在气体膨胀过程中转变为机械功。运动的爆轰产物和爆轰波自药包中心向各个方向传播。它的波阵面在药包边缘处撞击在周围介质上，于是冲击波立即开始在介质中传播，与此同时，反射波通过爆轰产物朝药包中心传播，这个球形波的波阵面会聚在已反应的药包中心，并且自药包中心开始传播一个新的反射波。接着，这个新波的波阵面撞击在气态产物和介质交界面上，于是，在介质中又出现一个新波和在气态爆轰产物中出现一个朝着药包中心传播的新波。如此继续下去，在气态爆轰产物中逐渐衰减的一些反射波来回反射，当它们撞击在气态产物和介质交界面上时，向介质中传送新的逐渐衰减的波。当波在气态爆轰产物中反射时，气态产物的体积逐渐增加，直至达到极大值，在膨胀到最大瞬时，气态爆轰产物压力低于周围介质中的压力，这是由于介质质点的离心运动引起的，由于介质的超压，气态产物和介质朝向反的方向运动，即朝着爆炸中心的方向运动，气态爆轰产物的超压再次增加，并开始新的膨胀。如此继续下去，导致气态爆轰产物和介质作衰减脉动，这些脉动传送出次生压力波。由此可见，介质中的波一开始就是一个有周期的逐渐衰减的波。它的周期与爆轰产物的脉动周期一致，并依赖于装药的多少和介质的性质。

受冲击波、应力波的强烈压缩作用，岩石内首先积蓄了一部分弹性应变能。当压碎区形成、径向裂隙展开、爆腔内爆生气体压力下降到一定程度时，原先积蓄的这部分能量就会释放出来，并转变为卸载波向爆源中心传播， 产生了与压应力波方向相反的向心拉应力波， 使岩石质点产生向心运动，当此拉伸应力波的拉应力值大于岩石的抗拉强度时，岩石会被拉断，形成爆腔周围岩石中的环状裂隙。径向裂隙和环状裂隙交错生成，形成压碎区外的破裂区，破裂区内径向裂隙起主导作用。岩石的爆破破坏主要靠的就是破裂区，破裂区外的应力大大下降，即为常说的震动区，这一区域岩土不会出现明显的破坏，但可能诱导结构出现较大变形并发生开裂现象。

2、爆破地震波的参数

由于爆源的复杂性，以及传播介质体物理力学性质和地质结构构造的多样性，使得爆破地震波具有随机波非重复性的特性，因此，爆破地震波是一种随机波。所谓随机波就是指随时间作复杂变化的波，而且任意2个随机波不会表现为同一波形。爆破地震波不仅在振幅上随时间作复杂的变化，而且波的频率构成和持续时间等也随环境条件、爆心距、爆破规模以及地层地质等的影响表现出极为复杂的现象。爆炸激励的不确定性与难估量性以及传播介质特性的复杂性，也导致了爆破振动很难用数学分析方法和微分方程表示出其确定性规律。

3、爆破地震波的能量

在不同介质中消耗于震动区的能量是不同的，其大小主要取决于传播介质，一般仅占爆炸释放能量的3%~20%。由于爆破近区的破坏效应显著大于远区的破坏效应，因此震动区地震波的能量特征经常被忽视。与地壳运动引起的地震波相比，爆破地震波所含频率丰富、威胁频率或频率段集中。爆破地震波的能量一般定义为通过其辐射表面的地震波能量，即

（1）

式中：Q为密度，v 为波速，A 和T 分别为地震波的振幅和周期。

地下爆炸的地震波能量一般只占爆炸总能量的1%以下， 并可用以下经验公式来进行估计

lgE=1.151gQ+10.8 （2）

由(2)式得出r0 与E 之间的关系式为

r0=0.0065E1/3.5（3）

式中： E 以10-7计算，Q以kg计算。

4、爆破地震波的辐射半径

在不同类型的岩石中爆炸时，弹性地震波的激发条件有所不同。有一些情况是在流体冲击波传播过程中就已激发出线形弹性波，另一些情况则是流体冲击波或塑性冲击波衰减到弹性极限时才转化为弹性波。先行弹性波的特点是波面及波后应力大体上保持在弹性极限附近，粒子基本上向波前方向运动；只有当流体冲击波或塑性冲击波消失后才明显衰减，其波形也才开始具有准正弦波的形状。为统一标准起见，可以把爆炸地震波辐射源定义为流体冲击波或塑性冲击波消失或转化时弹性波波面所在的位置。这个位置可以通过弹性波衰减规律发生明显变化或是其周期出现极小值的距离来确定。观测结果表明，这2种标志基本上在同一距离上出现。这样定出的爆炸源半径r 0 与化学爆炸的药量Q 之间近似呈直线关系， 其经验公式为

r0=10Q1/3 （4）

式中：r0以m计，Q以kg计。

5、爆破地震波的振幅

爆破地震波的振幅在一个完整的波形图中不相同，它随时间而变化。由于主震相的振幅大，作用时间长。因此，主震相中的最大振幅是表征地震波的主要参数，它是振动强度的标志，关于爆破地震波质点振幅的经验公式非常多， 这里只做简单介绍。

（1）前苏联根据地震波观测资料分析研究爆炸地震波的振幅特性得出

lgW=f(r)+blgA （5）

式中： W 为爆炸当量，A 为地震波地面位移最大幅值，f(r)为与距离b有关的函数，b为1~ 2 之间的常数。但对于0.1t~2×104t的化学爆炸来说，只有在r 约等于10km才能观测到lgA 与 lgW 近似呈直线关系，再由前面的Q与W 的近似直线关系，此时有

lgQ=3.14+13.5lgA. （6）

（2）中南大学的阳生权建立了爆破震动质点最大速度与能量之间的关系

E=1018.95+ V2.4max（7）

式中：E为爆破地震总能量，Vmax为质点震动最大速度。

（3）美国矿务局的公式为

V=H(R/Q)-B(in/s) （8）

式中： R为测点到爆源的距离，ft；Q为最大分段装药量(1b)；H，β分别为与场地有关的参数，H=0.675~4.04，β=1.083~2.346。

但是由于这些公式的适用范围非常有限，因此，在进行工程实践时需要针对不同的地质地貌、爆破方式以及装药结构等对参数进行修正，以此保证公式的可靠性。

6、爆破地震波的周期和频率

频率体现爆破地震波的变化速率，高频波的变化速率快，而低频波的变化速率相对要小，爆破地震波包含由0~∞Hz所有频率成份，而且频率谱是连续谱，不是离散的频率分量。爆破地震波在介质中有传播，由于介质特性造成的高频滤波的特性，低频传播距离大。爆破地震波由应力波转化而成，其特点是距离爆源较近时地震波的高频成份较为丰富，而且持续时间较短，随着爆破地震波向远处传播，高频成份逐渐被吸收，在远处，振动速度幅值很小，故在一定距离以外爆破地震波对环境不构成威胁。

不同的频率成份对结构、设备和人员的影响有着显著的差别。爆破地震波包含一个或几个主要的频率成份，这些频率成份对结构物的影响尤其显著，这些具威胁频率或频率段具有相对集中性，一般集中在较低频率段。

一般用最大振幅A所对应的一个波的周期T0作为地震波的参数， 频率为其倒数f0= 1/T 0。由于地震波明显的瞬态振动特征，为一频域较宽的随机信号，用频谱分析方法得出频谱可描述其频率特征，对周期和频率的研究大致有以下几个经验公式。

（1）涅尔谢索夫等人认为爆破地震波的周期与药量或当量Q有关，通过总结得出，在爆点附近，瑞利波的周期基本上不改变，并可用以下近似公式来估计

lgTR=-2.78+0.21lgQ （9）

（2）R. Z. L.Yang，P.Rocqn 的实验结果得出，频率随距离的衰减呈负指数变化的形式。用二元回归的方法分析实验结果得出了频率与药量、距离间的关系

f=5000×e-0.4R/Q0.33 （10）

式中： Q为炸药量，kg，R为距离，m。

7、结束语

综上所述，爆破地震波的特点是能量释放的过程持续时间一般较短，并且具有一定的瞬态冲击振动特性。应力波转化成为爆破地震波后，在距离爆源较近时高频成份较为丰富，持续时间较短，随着从爆源向四周传播，高频成份逐渐被吸收。对于爆破地震波的振幅，爆破振动强度，不管是位移，还是速度、加速度的幅值都与一次起爆药量正相关，可通过经验公式得出一次起爆药量将决定着爆破振动强度。而对于爆破地震波的周期和频率，可以得出爆破地震波的周期与一次起爆药量都具有一定的关系，只要知道一次起爆药量就可以求出周期或频率。

参考文献

[1]陈亚军，李览，谢锋震.均质岩体的减震降速爆破方案分析[J].露天采矿技术，2004(2).

[2]马召林，王晓琳.某大跨隧道减震降噪爆破施工技术[J].西部探矿工程，2006(8).