改良型中深孔爆破振動頻率研究

閆鴻浩，趙碧波，李曉杰

(大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116023)

改良型中深孔爆破振動頻率研究

閆鴻浩，趙碧波，李曉杰

(大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116023)

針對A，B，C，D四種改良型中深孔爆破，詳細計算這四種改良類型的爆炸荷載時長，并與相對應的普通類型進行對比。通過非對稱三角形荷載的頻譜分析，發現荷載時長與頻率成反比例關系；在此基礎上，研究表明改良型中深孔爆破在一定程度上提高了爆破振動頻率，降低了建筑物發生共振的幾率，實現了增頻降幅的目的。以大連市辛寨子地鐵明挖車站為例，該工程項目采用淺孔和A、C改良型中深孔聯合爆破技術，達到了降低造價、縮短工期的目標。

爆破振動；振動頻率；改良型中深孔

“爆破安全規程：GB 6722—1986”規定：一般建、構筑物的爆破地震安全性應滿足安全振動速度的要求，即現行規程是用質點振動速度表示地震強度的。但是，隨著爆破技術的發展，人們認識到單一的速度評判標準已經不能滿足日益復雜爆破環境的需要，只有同時考慮振動速度和頻率才能比較全面地對爆破地震安全進行評估[1]。“爆破安全規程：GB 6722—2014”體現了頻率的要求，給出了不同頻率段下不同類型建構、筑物的爆破振動速度安全允許范圍。同時當爆破振動波的主頻與建筑物的固有頻率接近時，即使較小的爆破振動也會產生較強的爆破振動效應，從而造成建、構筑物的破壞[2-3]。

爆破振動降幅的研究已經很廣泛，主要通過降低單段起爆藥量來控制爆破振動幅值。然而對于增頻降幅的研究并不是很多，這里有技術潛力可以挖掘。假設在單段藥量不變的情況下，提高爆破振動主頻，那么被保護物允許的爆破振動速度幅值可以取大一些[4]。根據“爆破安全規程：GB 6722—2014”，露天深孔爆破的振動頻率10～60 Hz，露天淺孔爆破的振動頻率分布在40～100 Hz，地下深孔爆破的振動頻率分布在30～100 Hz，地下淺孔爆破的振動頻率在60～300 Hz。綜上分析，淺孔爆破的振動頻率高于深孔爆破的振動頻率。如果實現深孔爆破的淺孔化、高頻化，并能控制振動速度幅值的話，那么對于推進工程進度及節約成本將有巨大影響。

20世紀90年代，國外的研究者也針對如何減少爆炸振動的低頻能量進行了研究。其中許多研究者認為，能夠通過調整炮孔間隔時間來控制爆炸外部振動頻率，從而達到減少低頻能量的目的。Blair[5]認為振動幅值頻譜是由均勻間隔延時爆破引起的，如果能精確地控制延時時間，也就能控制爆破振動的頻率。后續的研究表明典型的延時擴散能夠減小振動頻譜峰值[6]。此方法的核心是控制炮孔起爆時間。在調高單孔爆破振動基頻基礎上，再配合孔外高精度雷管延時，實現整體爆破振動頻率升高。這就要求對于各個炮孔的起爆時間進行精密的控制，直到最近五年來，電子雷管的應用才使這一技術得以實現。與其相比較而言，本文提出的方法更簡便實用。

1 改良型中深孔爆破頻率計算

1.1 裝藥形狀改良

區別于以往耦合與不耦合的裝藥方式，對于孔徑為80 mm、90 mm、100 mm和110 mm四種不同大小孔徑，采取不同的裝藥方式，如圖1所示。

圖1 深孔改良類型Fig.1 The modified deep hole styles

分析表1，采用直徑32 mm的乳化炸藥，把1 kg/m線密度裝藥提高到3.0～6.0 kg/m，把110 mm直徑的裝藥線密度10 kg/m、90 mm直徑的裝藥線密度8 kg/m降低到3.0～6.0 kg/m，既保證了小孔的做功能力又防止大孔單孔藥量過大引起振動速度超標，同時對于起爆網路中的單段藥量控制提供了基礎條件。另外，表1給出了不同類型裝藥的不耦合系數。

表1 深孔改良型號Tab.1 The modified deep hole styles

1.2 非對稱三角形載荷的頻譜分析

巖體爆破是一個瞬時的復雜過程。炸藥在爆孔中爆炸時，瞬間產生高溫高壓的氣體，在有限的空間里急劇膨脹，產生爆炸沖擊波，同時作用于周圍巖體，并很快衰減為應力波。整個過程僅僅持續數毫秒。人們在數值模擬時，把破碎圈的邊界作為邊界條件來計算巖體中的振動情況，同時采用三角形載荷。根據研究知，三角形載荷持續時間長度應該代表載荷的主周期，這就使控制載荷釋放的快與慢來調整單孔主振頻率成為可能。為驗證其持續時長是否為載荷的主周期，采用非對稱三角載荷，改變持續時長，選擇10 ms與100 ms進行分析。

非對稱三角載荷，時長10 ms，載荷表達式(1)，圖2為載荷圖。對其進行頻域分析，得到功率譜密度，如圖3所示。功率譜密度采用lg坐標，當采用線性坐標時，對頻率計算不具貢獻，應略去。其主頻≈100 Hz，這與載荷時長10 ms相對應，并且其余頻率為主頻的倍數。

(1)

圖2 非對稱三角載荷(10 ms時長)Fig.2 Asymmetric triangular load (10 ms duration)

圖3 非對稱三角載荷功率譜密度Fig.3 Power spectral density of asymmetric triangular load

非對稱三角載荷，時長100 ms，載荷表達式如(2)，圖4為載荷圖。對其進行頻域分析，得到功率譜密度，如圖5所示。功率譜密度采用lg坐標，當采用線性坐標時，對頻率計算不具貢獻，應略去。其主頻≈10 Hz，這與載荷時長100 ms相對應，并且其余頻率為主頻的倍數。

(2)

圖4 非對稱三角載荷(100 ms時長)Fig.4 Asymmetric triangular load (100 ms duration)

圖5 非對稱三角載荷功率譜密度Fig.5 Power spectral density of asymmetric triangular load

1.3 改良型中深孔爆破頻率計算

假設爆炸荷載來源于粉碎區加載段和破裂區卸載段，總的時間歷程是初始啟動到破裂區的邊界。介質中的質點運動，如果在彈性范圍內，質點恢復到原位。而在強荷載下，質點不能駐留在原地，而是產生移位。如果把觀察點放在裂紋的尖端，粉碎或破裂的巖石減速向柱形裝藥中心方向運動。如果把質點移動速度和破裂半徑聯系起來，則荷載運行的歷程可以求解。

設炸藥密度ρ0，爆速D，爆壓Pcj，絕熱指數γ，裝藥半徑Re，孔徑R0，a和b是介質沖擊波參數，其柱形裝藥爆炸后，考慮耦合不耦合裝藥情況下孔壁上產生的壓力及最大質點速度計算如下：

(3)

Pmax=Pcj(coupling charging)

(4)

η=R0/Re

(5)

Pmax=Pcj×(1/η)2γ(decoupling charge)

(6)

Dmax=a+bumax

(7)

Pmax=ρmDmaxumax

(8)

破裂區域的邊界半徑Rmax對應的最小壓力為Pmin，計算最大破裂半徑及對應的質點速度采用如下公式：

2πR0ρmumax=2πRmaxρmumin

(9)

Dmin=a+bumin

(10)

Pmin=ρmDminumin

(11)

在破裂的邊界，壓強等于巖石的抗壓強度[σ]max，荷載持續時間ΔT計算：

Pmin=[σ]max

(12)

(13)

當炸藥爆速D=3 200m/s，絕熱指數γ=1.2，外層介質取花崗巖ρm=2 630kg/m3，a=2 100m/s，b=1.63m/s，[σ]max=130MPa，爆破荷載時長計算，如表2所示。

表2 改良型中深孔爆破荷載時長Tab.2 Blasting load length of modified middle-deep hole

對比表2和表3可知：在同種傳播介質中，藥量相同的條件下改良型中深孔爆破具有較短的荷載時長。由前面提出的非對稱三角荷載荷載時長與頻率的關系，可以發現在其他條件相同時改良型較之普通型具有更高的爆破振動頻率，通過計算發現平均提高了39.52%。

表3 普通型中深孔爆破荷載時長Tab.3 Blasting load length of normal middle-deep hole

通過對以上公式和表格的分析能夠得出改良型提高爆破振動頻率的原理：通過比較式(4)和式(6)能發現不耦合裝藥孔壁產生的最大壓力由于空氣介質的影響比耦合裝藥所受壓力更小一些，這種變化造成最大質點速度降低。式(9)和式(13)結合可以得出式(14)。

(14)

當最大質點速度umax下降時，其他值保持不變，能夠很直觀的看出荷載持續時間ΔT隨之減小，相對應的振動頻率也就提高。查閱《爆破安全規程》關于爆破振動安全允許振速的規定，當<10 Hz時，一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物的安全允許振速為2.0～2.5 cm/s。如果采用改良中深孔爆破，頻率將提升40%左右。此時頻率將處于10～50 Hz之間，在這個頻率區間下，安全允許振速變為2.3～2.8 cm/s，這將有利于周圍建筑物的防護。

研究發現爆破振動可以看成不同頻率諧波分量的疊加，可以將這些諧波分量單獨進行考慮。根據有關單自由度系統研究[7]，它們在作用同一建筑物時，由于各自頻率的不同，對應的位移放大系數也不同，只有與建筑物固有頻率接近的諧波分量會得到最大程度的放大。這也就是所謂的共振。對于普通房屋建筑結構，它們的頻率分布大都處于較低的水平[8]。因此本文提出的提高爆破振動頻率的方法能夠很有效地避免房屋的共振。

單獨分析表3可知，在傳播介質和不耦合系數相同的條件下，增加單孔藥量，荷載時長也會隨之增加。也就是說爆破振動產生的頻率與藥量呈反比，這與孟海利等[9]、張立國等[10]、盧文波等[11]的研究成果一致，證明計算公式采用的假設合理。

2 工程應用案例分析

辛寨子車站(中鐵十一局承建)總長478.85 m，設計始、終點里程為CK29+220.166～CK29+673.466。主體分兩部分，一部分為客運線，另一部分為存車線。客運線標準段寬度為20.5 m，存車線標準段寬度為26 m。車站類別為雙地下島式站，客運線段分為站廳層和站臺層，存車線段分層只以橫梁隔斷。站臺中心處底板頂面標高為17.585 m。車站起點處規劃地面標高為34.750 m，終點處規劃頂面標高為33.020 m，車站平均埋深約17 m。從基坑冠梁頂至基坑底深度16.0 m。所處地層主要為黏土層(Qa1+p1)，碎石土層及泥質灰巖層(Zwhn)。巖土層分界面起伏較大，黏土層厚2.7～3.4 m，風化碎石土層厚0.5～12 m，車站基坑泥質灰巖層厚2～14 m。基坑底需進行爆破施工的基巖層平均厚度約為8 m。主體基坑面積為9 600.0 m2，鉆爆方量約為76 800 m3。該車站的南端區域為改良型中深孔爆破試驗區，西側距離二層樓房群25 m，東側距離市政道路25 m，南側為暗挖區間。基坑的兩側有圍護樁，在爆破施工時不僅需要控制居民房屋的振動，還要注意爆破對圍護樁的影響(見圖6)。

圖6 周邊環境圖Fig.6 The picture of surroundings

2.1 淺孔爆破參數

該項目前期的工期要求不緊，基坑采用淺孔爆破

開挖，爆破施工相應分區分段進行。首先在基坑中間開槽，為側幫開挖創造爆破臨空面。中間開槽采用淺孔加強爆破，開槽后兩側巖體爆破采用淺孔松動爆破，并控制淺孔與圍護樁距離>50 cm，以控制或減小爆破對圍護樁的不利影響。炸藥采用乳化炸藥，規格為φ32×200 mm。

每層厚度平均為2.0 m，開槽寬度8 m，兩側預留6 m，采用氣腿鑿巖機鉆孔，孔徑為42 mm。圖7為淺孔爆破區域及起爆網路圖(只是基坑的一半寬度示意)。

圖7 淺孔爆破區域及網路Fig.7 The area and network of shallow hole blast

開槽區域：孔距、排距各1 m，孔深2.2 m，每孔裝藥0.8 kg，填塞1.4 m。孔內用Ms-9段非電導爆管雷管，地表采用Ms-3段非電導爆管雷管，換排采用Ms-5段非電導爆管雷管。四孔一族，單段藥量3.2 kg，排的走向與基坑的中心線平行。

側幫爆破：由于開槽開挖后為兩側側幫提供了爆破臨空面，可將側幫的炸藥單耗降低。孔距與排距為1.2 m，孔深2.2 m，每孔裝藥0.8 kg，填塞1.4 m。孔內用Ms-9段非電導爆管雷管，地表采用Ms-3段非電導爆管雷管，換排采用Ms-5段非電導爆管雷管。兩孔一族，單段藥量1.6 kg，排的走向與基坑的中心線平行，且第一排的孔距離臨空面的間距>1.4 m。

2.2 改良型深孔爆破參數

當爆破開挖進度完成60%時，由于軌道調線調坡工期臨近，剩余工程必須在當年10月之前完成，基于此情況對爆破施工進行了優化，放棄中間拉槽淺孔爆破，采用改良型中深孔爆破。采用C型改良裝藥方式，每捆5卷乳化炸藥，1 kg×200 mm，鉆孔直徑100 mm，給出不同孔深裝填參數(見表4)。

表4 爆破裝填參數Tab.4 Blasting loading parameters

分段進行爆破作業，每次爆破總藥量不超過1 t，并對剩余標高進行一次性爆破開挖，超深0.5 m。

孔內分層裝藥有兩個目的：①能保證被爆破巖體均勻破碎；②可以通過調整雷管段別控制單段最大藥量，進而控制爆破振動。孔內采用Ms-9段與Ms-7段兩個段別雷管；孔外使用Ms-3段雷管，換排采用Ms-5段雷管。

為避免爆破對圍護樁產生影響，在基坑的邊界距離圍護樁0.8 m處，打設預裂爆破孔，直徑80 mm。孔內采用A型改良裝藥方式，使用Ms-9段與Ms-7段兩個段別雷管；孔外使用Ms-2段雷管，通過Ms-11段雷管調整延時間隔，先于主爆區起爆(見圖8)。

圖8 改良型中深孔起爆網路Fig.8 Initiating network of modified middle-deep hole

2.3 爆破振動監測結果

爆破施工時，進行了爆破振動測試。在居民房屋處布監測點，其垂直方向上振動圖譜，如圖9所示。最大振動速度0.973 4 cm/s，振動主頻27.778 Hz；水平方向上振動圖譜，如圖10所示。其最大振動速度0.876 4 cm/s，振動主頻35.714 Hz。根據《爆破安全規程》，露天深孔爆破的振動頻率10～60 Hz，露天淺孔爆破的振動頻率分布為40～100 Hz，垂直方向上27.778 Hz落在深孔爆破振動頻率范圍；為什么達不到淺孔爆破振動頻率？①是本測點距離爆破點>30 m，近距離無測點，爆破振動頻率的主頻隨距離的增加而降低；②本基坑富含水，不耦合裝藥結構受到了水的影響，帶來振動頻率的降低。35.714 Hz接近于淺孔爆破的振動頻率范圍。

該振動圖譜分兩個區域，第一區域分布在0～0.5 s，另一個區域分布在1.0～2.5 s。兩個振動區域是因為在主爆破區爆破之前，在基坑靠近圍護樁的兩側首先進行了預裂爆破，孔距1.0 m，封口2.5 m，孔與孔之間采用MS-2段非電導爆管雷管。預裂爆破與主爆區之間用Ms-11段雷管過渡連接，其理論上時間間隔為460 ms，與實測數據基本一致。

在4個月的有效工作期內，飛石控制良好，累計完成2.5 萬m3的爆破任務，保證了車站主體工程的工期。當然只從爆破與開挖這兩個工序來講不需要這么長的工期，因為對于地鐵車站的明挖還涉及到支護、結構主體施工等其它交叉工序。但是至少可以說爆破方面沒有影響工期。另外，從工程造價上分析，測算單位巖土立方爆破造價相對于淺孔爆破有50%的降低，這是十分可觀的，對于未來城鎮建設的爆破工程，本方法具有很好的參考價值。

圖9 垂直向爆破振動圖Fig.9 Blasting vibration toward vertical direction

圖10 水平向爆破振動圖Fig.10 Blasting vibration toward horizontal direction

3 結 論

文章在增頻降幅理論基礎上，給出了改良型中深孔爆破概念，并對爆破振動頻率進行研究。通過對中深孔爆破裝藥方式進行改良，既可以很好的控制爆破振動，又能縮短工期和降低工程成本。另外，從爆破振動增頻降幅機制分析來看，采用這種改良方式，實現了耦合向不耦合裝藥轉變，其爆破振動頻率得到了提高，減少了周邊建筑物發生共振的可能性，避免了周邊保護物的震動破壞。從國內外工程爆破界來講，目前還沒有文獻給予相關介紹，所以此方法對未來城鎮復雜環境下的露天爆破而言，無疑是一種進步。廣大科技工作者可以根據不同的改裝型號，動態調整及控制最大單段起爆藥量，進而加快推進工程進度并節約成本。

當然還有一些問題需要探討，比如孔外雷管的延時間隔大小對爆破振動頻率的影響還有待進行深入探討。同時需要說明的是文中在計算改良型中深孔不耦合系數時，采用的是等效面積法，這種方法忽略了改良型和傳統不耦合裝藥結構的區別，這種計算方法目前還無法對兩者的荷載持續時間和振動頻率進行比較，這一難點是今后需要考慮和研究的問題。通過實踐發現此類改良型裝藥結構與孔壁的間隙明顯要小于傳統不耦合裝藥，多個藥柱之間存在的空腔有利于飛石控制。

[1] 焦永斌. 爆破地震安全評定標準初探[J]. 爆破, 1995(3):45-47. JIAO Yongbin. Preliminary study on safety assessment standard of blasting seismic[J]. Blasting, 1995(3):45-47.

[2] AK H, IPHAR M, YAVUZ M, et al. Evaluation of ground vibration effect of blasting operations in a magnesite mine[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2009,29(4):669-676.

[3] 郭學彬, 肖正學, 張繼春. 爆破振動頻率特性的測試與研究[J]. 中國礦業, 2004(9):69-72. GUO Xuebin, XIAO Zhengxue, ZHANG Jichun. Testing and study of frequency specific property of blasting vibration[J]. China Mining Industry, 2004(9):69-72.

[4] 王功琴. 爆破地震作用下造成建筑物損壞的安全性鑒定研究[D]. 貴陽：貴州大學, 2007.

[5] BLAIR D. Blast vibration control in the presence of delay scatter and random fluctuations between blastholes[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1993,17(2):95-118.

[6] BLAIR D, ARMSTRONG L. The spectral control of ground vibration using electronic delay detonators[J]. Fragblast, 1999,3(4):303-334.

[7] 李洪濤, 舒大強, 盧文波, 等. 建筑物對爆破振動中不同頻率能量成分的響應特征[J]. 振動與沖擊, 2010,29(2):154-158. LI Hongtao, SHU Daqiang, LU Wenbo, et al. Response characteristics of a structure to different frequency components in blasting vibration energy[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010,29(2):154-158.

[8] 劉偉, 王仁義, 張念征. 多層住宅新型復合結構的固有頻率計算分析[J]. 世界地震工程, 2005(3):131-134. LIU Wei, WANG Renyi, ZHANG Nianzheng. The dynamic analysis of a new compound structural system for multi-storied residence building[J]. World Earthquake Engineering, 2005(3):131-134.

[9] 孟海利, 郭峰. 爆破地震波主頻率的試驗研究[J]. 鐵道工程學報, 2009(11):81-83. MENG Haili, GUO Feng. Experimental research on the master frequency of blasting seismic wave[J]. Journal of Railway Engineering, 2009(11):81-83.

[10] 張立國, 龔敏, 于亞倫. 爆破振動頻率預測及其回歸分析[J]. 遼寧工程技術大學學報, 2005(2):187-189. ZHANG Liguo, GONG Min, YU Yalun. Forecast and regression analysis of blasting vibration frequency[J]. Journal of Liaoning College of Engineering, 2005(2):187-189.

[11] 盧文波, 張樂, 周俊汝, 等. 爆破振動頻率衰減機制和衰減規律的理論分析[J]. 爆破, 2013(2):1-6. LU Wenbo, ZHANG Le, ZHOU Junru, et al. Theoretical analysis on decay mechanism and law of blasting vibration frequency[J]. Blasting, 2013(2):1-6.

The study of blasting vibration frequency on modified middle-deep hole

YAN Honghao, ZHAO Bibo, LI Xiaojie

(State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

For the A, B, C, D four kinds of modified middle-deep hole blasting, detailed calculation was performed for the blasting load length of the four styles and compared with normal middle-deep hole blasting. By spectrum analysis of asymmetric triangular load, it is found that there is an inverse proportional relationship between the load duration and the frequency. The study shows modified styles improve blasting vibration frequency to some extent, reduce the chance of building resonance, and achieve the goal of increasing frequency and decreasing amplitude. An application of open-cut subway station at Xinzhaizi of Dalian city, which uses joint blasting technology of combining the shallow hole with the modified middle-deep hole of A and C styles, was used to as an example. The program achieves the aim of reducing cost and shorting the time limit.

blasting vibration; vibration frequency; modified styles middle-deep hole

2015-12-31 修改稿收到日期： 2016-05-17

閆鴻浩 男，博士，副教授，1975年生

E-mail: 923309973@qq.com

O382+.2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.016