巖質高陡邊坡爆破降振技術研究

許名標，彭德紅

(1.武漢理工大學 資源與環境工程學院，武漢 430070;2.義烏工商學院 建筑與藝術分院，浙江 義烏 322000)

1 工程概況

某工程邊坡地質構造復雜，巖體結構較發育，開挖主體坡高近150 m，表層風化卸荷嚴重，開挖爆破規模和強度均大。為了解爆破振動對邊坡穩定性的影響及爆破地震波的傳播衰減規律，尋找適合該邊坡的減振降振措施，降低爆破振動，改善爆破效果，提高邊坡的動力穩定性，做了一些爆破試驗和現場振動監測，對部分振動監測數據進行了歸類統計分析，并將分析結果反饋到施工現場，用以摸索和探討減振降振技術，取得了較好的效果。

2 監測儀器及測點布置

爆破振動監測儀器采用國內組裝的Mini-Blast I型爆破測振儀。振動監測點一部分從爆源上一臺階開始垂直爆心沿不同高程垂直布置，另一部分在爆源上一臺階平行爆心左右對稱布置。該儀器的三分量振動速度傳感器可同時測得豎直向、水平徑向、水平切向三個方向的振動速度。布點時，分別用石膏將其固定在基巖或沉積時間長、結構相對較好的固土上。

3 監測數據歸類統計分析

3.1 爆破峰值振速區段統計(見表1)

從表1可以看出:

1)坡比 ＜1∶0.6時，峰值振速 ＞5 cm/s的情況較少;僅主爆時，峰值一般出現在后排主爆孔;預裂提前起爆時，峰值一般出現在主爆孔爆破期間，少數出現在預裂孔爆破期間，對邊坡影響主要是主爆孔爆破;預裂中間起爆時，峰值一般出現在預裂后主爆孔爆破期間，對邊坡影響主要是預裂后主爆孔爆破;預裂和前沿主爆時，峰值出現在前沿主爆孔爆破期間，對邊坡影響主要是前沿主爆孔爆破。

2)坡比＞1∶0.5時，峰值振速超過5 cm/s的情況較多，少量＞10 cm/s;僅主爆時，峰值出現在主爆孔爆破的后階段即后排主爆，并伴有一定的疊加效應;預裂提前起爆時，峰值一般出現在主爆孔爆破期間;預裂中間起爆時，其峰值一般出現在預裂和主爆孔同時爆破期間，少數出現在主爆孔爆破的后階段，對邊坡影響主要是預裂后主爆孔爆破。

3)爆破峰值發生時刻一般出現在預裂與主爆疊加的時刻或預裂后的主爆時刻，較少出現在預裂前的主爆時刻，也就是說，峰值振速主要出現在主爆階段，說明峰值振速與爆破藥量有很大關系，應該關注主爆的最大單響藥量，優化爆破參數和爆破網路，增強預裂爆破對減振降振的作用。

3.2 爆破振動主頻特點

爆破振動頻率較復雜，有很大的隨機性，它包括很多頻率成分，其中有一個或幾個為主要成分，稱之為主頻，通常用峰值頻率表征。不同頻率成分的振動波對邊坡的影響不同，當振動波的峰值頻率等于或接近邊坡的固有頻率時，對邊坡的影響相對較大。

表2為部分測點峰值速度和峰值頻率統計表。可以看出，該邊坡開挖的爆破地震波頻率較高，峰值頻率一般在20～70 Hz。隨著傳播距離的增加，峰值頻率不斷降低，說明其高頻成分隨距離增加衰減較快，而低頻成分隨距離增加衰減相對較慢。距離較遠時，低頻成分起主要作用。巖石結構越完整，振動波傳播速度越快;巖層裂隙越發育，衰減越快。峰值頻率也受爆破規模、爆破類型、裝藥結構、地形條件、傳播介質等多種因素影響。爆破規模越大，振動頻率相對越低。統計表明，小藥量的預裂爆破產生的峰值頻率一般在50 Hz以上，衰減較快，影響范圍相對較小;而較大規模的深孔梯段爆破峰值頻率一般在20～50 Hz，影響范圍相對較大，而且可能出現振動疊加現象，甚至有沿高程的放大效應。

表1 部分峰值振速區段統計m

表2 部分測點峰值速度和峰值頻率統計

3.3 爆破振動沿高程放大規律

對于高陡邊坡，振速不僅與水平距離 D有關，也與邊坡高程H有關。實測表明，隨著邊坡增高，部分爆破方式出現了隨坡高增加，振速增大的情況即沿高程H的放大效應。對實測數據進行二元回歸分析，得出了坡高較大時，不同爆破方式下的振速衰減經驗公式，如表3所示。

從表3可知:對于預裂爆破，經二元回歸分析得到β=0.426 2，說明因爆破規模不大，振速沿邊坡高度增加而減小。無預裂的深孔梯段爆破 β=－0.452 7，說明由于沒有預裂隔振作用，其振動速度沿高程出現一定的放大效應;而預裂后的深孔梯段爆破β=0.323 5，沿高程沒有出現放大效應，說明預裂對爆破振動降振作用明顯。預裂、緩沖聯合深孔梯段爆破 β=－0.265 8，沿高程也出現了一定的放大效應，但與無預裂的深孔梯段爆破的放大效應相比，β稍大，說明其放大效應不如無預裂的深孔梯段爆破明顯，預裂孔、緩沖孔起到了一定的降振隔振作用。條件允許時，應盡量采用無放大效應或放大效應較小的爆破方式，以降低爆破振動，增強邊坡的動力穩定性。

4 降振技術

爆破地震效應受現場地質條件、爆破參數、爆破網路、爆破次數等多種因素的影響，降低爆破振動應綜合各方面的原因，全盤考慮。

表3 不同爆破方式的二元回歸分析結果

4.1 控制能量源

1)優選炸藥品種。炸藥波阻抗越大，爆破地震效應越明顯，低威力、低爆速炸藥的波阻抗相對較小。因此，如條件允許，盡量選用低威力、低爆速炸藥。

2)限制單響藥量。降低單響藥量是控制爆破地震最直接有效的方法。從薩氏公式可以看出，在測點與爆心距R相同、巖性和爆破條件相似的情況下，質點振速V與單響藥量 Q的關系為:V2=V1［Q2/Q1］α/3，當α=1.3～1.9時，若將單響藥量從雙孔(常規爆破2～4孔同段)減為單孔，即Q2=0.5Q1時，V2=(0.74－0.64)V1，減振達30%。說明炸藥量愈多，爆破振動愈大，條件允許時，應盡量減少單響藥量。

3)合理裝藥結構。裝藥結構對爆破地震效應影響明顯，裝藥越分散，地震效應越小。分散裝藥、徑向(或軸向)不耦合裝藥、空氣間隔裝藥，有利于控制能量傳播介質(能量傳播介質即不耦合裝藥結構中填入空隙的水或碎石等不可壓縮介質以及有利于地震衰減的河流、溝渠、斷層、裂隙破碎帶等復雜的天然介質)，減小地震效應。如條件允許，還可采取底部裝高威力炸藥、中上部裝低威力炸藥的方法。

4.2 優化爆破參數

4.2.1 預裂爆破

鉆孔精度是影響預裂爆破效果的重要因素，應加強預裂孔鉆孔精度的監督。根據預裂減振要求，預裂爆破時保留巖體一側的最小厚度應大于預裂孔深的1.5倍。臨近坡面時，應使預裂爆破提前最先起爆的主爆孔100 ms以上，以充分形成預裂縫，起爆規模應控制在寬15～20 m、7～8排主爆破孔為宜。當爆區前排與坡面距離較遠且預裂爆破與主爆破振動疊加也不會造成振速超標時，該爆區前排可以提前起爆，可通過減少同段起爆的預裂爆破孔數以降低預裂爆破本身振動量值。另外，預裂爆破提前單獨起爆可以避免與主爆孔的振動疊加，條件允許時，可以考慮預裂爆破提前單獨起爆。

4.2.2 深孔梯段爆破

關鍵在于處理好爆區前后、左右和上下的六個邊界面。前邊界是指第一排炮孔的前沿，一定要清理整齊，孔口及底盤要具有大體一致的抵抗線，布孔要保證炸出的瞬間邊界面成為第二排均勻的抵抗線。若局部底盤抵抗線較大，在主爆孔之間應適當布置加密孔，與主爆孔形成小孔距并同時起爆、共同作用，利用自由面增加拋擲方量;若加密孔上部抵抗線較小，為避免飛石過多，其上部應不裝藥。后邊界指預裂爆破和緩沖孔爆破，要及時調整兩者的間距，保證炸出裂縫，同時不要“貼膏藥”。若爆區較大，采用分區爆破時，左、右邊界一定要采取加密孔或“施工預裂”的措施，避免自然拉裂導致邊界部位嚴重卡鉆。上、下界面的平整程度直接影響鉆孔效率、出渣效率和施工進度，所以應根據巖石風化程度及時調整超深，嚴格控制孔底高程。

4.3 優化爆破網路

國內外主要通過采用“地震波反相疊加減振技術”、“異步分區起爆與大規模干擾降振技術”、“孔內外微差爆破減振技術”、“延時起爆干擾減振爆破技術”等達到減振之目的。設計良好的爆破網路要做到:先爆孔起爆后，巖石正處于被拋離和應力波即將消失的瞬間，新自由面形成，后面的炮孔接著爆炸，應力波疊加，對巖石進行補充破碎，應力波相互干擾而抵消。因此，微差間隔時間的選擇非常重要。

4.3.1 孔間微差間隔時間

巖石破碎分巖石受沖擊壓縮前移和卸載回彈兩個過程。長沙礦冶研究院根據這兩個過程，通過大量研究建立了孔間微差間隔時間的半經驗公式

式中，Q為炮孔平均裝藥量(kg);ρe，ρr為炸藥和巖石的密度(g/cm3)，分別取 0.95～1.28g/cm3和2.90 g/cm3;D，Cp為孔內炸藥爆速和巖石縱波波速(m/s)，一般為3 600～3 800 m/s和5 000 m/s;S為巖石移動距離，取10 mm;V為巖塊平均移動速度，取2～6 mm/ms，f為分數。按上式計算出的延期時間為:銨油孔13～23 ms，乳化孔 15～25 ms。藥量多時取大值，反之取小值。根據計算結果和大量的現場經驗，孔間時差宜采用MS2或MS3段雷管。

4.3.2 排間微差間隔時間

合理排間間隔時間由以下半經驗公式計算

式中，S0為前后排距(m);H0為臺階高度(m)，取2.0～5.0;V1為堵塞段飛行速度(m/s)，取10～20;V2為中部巖塊飛行速度(m/s)，取15～25。通過計算，排間微差間隔時間取值范圍為104～294 ms，孔徑小或難爆礦巖取小值，反之則取大值。根據計算結果和大量的現場經驗，排間時差采用MS5段雷管。

4.3.3 孔內延期時間

上述分析可知，孔間采用MS2及MS3段雷管，排間采用MS5段雷管。依據“孔外低段別，孔內高段別”的特點，必須保證孔內延時誤差不大于排間延時時間即不大于110 ms，孔內宜采用 MS11～MS15段雷管，當雷管延時誤差滿足以上要求時，可采用更高段別的孔內雷管。

4.3.4 布孔起爆方式

根據力學作用原理，在地質條件相似、巖性一致、爆破參數相同的情況下，排成直列的群藥包中心連線方向的振速要比垂直藥包中心連線方向的振速低25%～45%，爆破體最小抵抗線方向的振速低于最小抵抗線的反方向，即地震作用最強烈的方向是最小抵抗線的后方。根據微差爆破特點，前排炮孔起爆時，后排炮孔的抵抗線和爆破方向將發生改變。因此，布孔方式宜采用正方形、三角形或梅花形，起爆方式宜采用對角線形、V形、U形或梯形。

4.4 避免積累損傷效應

巖石作為一種脆性損傷材料，內部存在大量的微裂隙(紋)，爆破對巖體基本質量的影響和破壞過程是由于這些微裂隙(紋)的成核、長大和貫穿而導致巖石宏觀力學性質的劣化乃至最終失效或破壞的過程。單次爆破振動可能不會對邊坡巖體造成明顯損壞，但其結構可能發生強度損失，多次爆破后，可能會出現疲勞損傷疊加，導致巖體結構在振動量允許范圍內發生破壞。所以，爆破振動對邊坡的積累損傷效應不容忽視，在滿足以上降振技術的前提下，應盡量減少爆破次數，降低積累損傷效應。另外，爆破施工時，利用聲波測試和振動監測相結合的方法對施工進行監控是一種行之有效的方法，應加強聲波測試和振動監測，以便及時探明邊坡的松弛規律，控制能量源，優化爆破參數和爆破網路，減少不必要的邊坡損傷。

5 結語

爆破振動是導致邊坡開挖破壞的主要形式。總結爆破振動沿邊坡的傳播衰減規律，探討爆破開挖的減振降振措施，具有非常重要的實際意義。只有充分認識振動傳播衰減規律，采取一系列控制措施，才能減少爆破振動、改善爆破效果、加快施工進度、降低施工成本、提高邊坡的動力穩定性。通過對振動測試數據歸類統計分析，結合國內外一些前沿的觀點，得出了以下一些成果:

1)爆破峰值振速一般出現在預裂與主爆疊加的時刻或預裂后的主爆時刻，也即主要出現在主爆階段，說明峰值振速與單響藥量有很大的關系;

2)高陡邊坡開挖爆破的地震波頻率較高，主頻一般在20～70 Hz。小規模預裂爆破的主頻一般在50 Hz以上，影響范圍相對較小，衰減較快;而較大規模深孔梯段爆破的主頻一般在10～50 Hz，影響范圍相對較大，可能出現振動疊加現象;

3)振速是因傳播距離增大而衰減和因邊坡坡度增高而放大的綜合結果。隨著高程的不斷增大，可能出現沿高程的放大效應。預裂后放大效應不如預裂前明顯，說明預裂孔、緩沖孔起到了一定的降振隔振作用。應盡量采用無放大效應或放大效應較小的爆破方式，以降低爆破振動。

4)從控制能量源、優化爆破參數和爆破網路、避免積累損傷效應等四個方面提出了巖質高陡邊坡降振的一些技術措施。通過反饋到施工現場不斷驗證，正確合理、效果明顯，可以為類似工程提供可行的借鑒和有益的指導。

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