預裂爆破的減振試驗研究

丁安松,唐 海,易 帥,王建龍

(湖南科技大學 資源環境與安全工程學院, 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

在爆破領域，預裂爆破減振是一種常用減振方法，已有很多學者對預裂爆破減振效果進行了研究，并取得了一定成果，梁開水[1]等應運LS-DYNA對減震溝減震效果進行了數值模擬研究，得出距離減震溝越近，減震效果越好，減震溝的深度較寬度的減震效果大，深度一般超過孔深度。張成良[2]認為預裂縫減震在30%左右，且預裂孔的深度應大于主炮孔1～1.5 m，才能起到減振的作用。蔡路軍[3]等通過對預裂爆破減震機理及效果分析，提出預裂縫要有一定的寬度、深度、長度，寬度主要是使其形成空氣自由面，深度大于主炮孔的深度，主要使其減小預裂縫底的繞射能量，預裂縫長度大于主炮孔的總排距，使其減小側面的繞射能量。 溫海民[4]等通過數值模擬方法得出爆破沖擊波的傳播和應力波會發生繞射傳入縫后的圍巖，預裂縫要有足夠寬度和深度才有明顯的降震效果。張憲堂[5]等認為距爆源20 m以內，預裂縫的減震作用明顯，可高達50%，多排預裂孔且炮孔深度超過主炮孔1～2 m減震效果更加明顯。

以上的研究均表明預裂爆破產生的預裂縫有一定程度的減振作用，但不同地域的巖性差異大，預裂爆破減振效果相差較大。為確保紅沿河核電廠基建工程爆破開挖過程中，其周邊基巖和建（構）筑物不超過其振動安全閾值，進行預裂爆破減振試驗研究，得到電廠基建工程預裂爆破減振效果和減振率，為該爆區的爆破參數優化研究提供理論基礎。

1 工程背景

電廠場址東側與陸地接壤，靠近磨盤山，屬瓦房店市東崗鄉管轄，距復州城約22 km，距瓦房店火車站約50 km，三面環海，地處渤海遼東灣東側，目前電廠正在進行第二期施工階段，需對一期工程、二期已建完工程和基巖的穩定性進行保護措施。

2 試驗點爆破設計方案

核電廠基建工程需對土石方進行負挖，本地區巖石硬度較高，主要采取爆破開挖方式。為研究預裂爆破的減振效果及影響因素，在工程施工中，選取廠房（AC）、廊道（GD）、廊道（GB）、泵房（PD）四個試驗地點，試驗地點爆破設計包括臺階爆破和預裂爆破，其中臺階爆破主要為開挖作用，預裂爆破主要為減振作用。

在試驗地點分別進行有、無預裂孔的臺階爆破，設計炮孔孔徑為89 mm，采用Φ70 mm的乳化炸藥。其中預裂爆破孔深為2.9～6.6 m，孔距為1.0 m，堵塞長度為1.8～2.0 m，雷管段別為MS-3；無預裂爆破條件下第一次臺階爆破參數見表 1；有預裂爆破條件下第二次臺階爆破參數見表 2。預裂爆破及臺階爆破布孔見圖 1，預裂孔布置三個方向。爆破試驗地點的北和南兩個方向為基巖保護區，西方向為建筑物保護區。

表1 無預裂爆破條件下的爆破參數

表2 有預裂爆破條件下的爆破參數

圖1 爆破布孔

3 爆破監測

3.1 儀器的選用及使用

根據工程的周圍條件以及監測的可行性，采用便攜式TC-4580爆破測振儀，監測垂直（Z方向）、水平方向（X、Y方向），考慮數據的可靠性，測振儀的傳感器部分需要固定在堅硬基巖或較穩定的建筑物，本次監測用速凝石膏使傳感器與堅硬物水平無空隙粘連。水平放置儀器時，水平方向需正對爆源。根據經驗，爆破的持續時間小于50 s，所以測振儀的采集時間設定為50 s。測振儀的質點振動速度觸發值的設定，根據本核電廠的特點以及排除周邊壞境的干擾，質點振動速度觸發值設定為0.05 cm/s，小于核電廠設計安全閥值。

表3 實測爆破振動峰值速度

3.2 測點位置及數據采集

測點主要布置在建筑物保護區，按照測試需要布置3個或4個測點，主視圖見圖1。依據核電廠的設計，1號測點離爆源30 m處為固定測試點，其他為隨機測試點，且預裂孔深度超過主爆孔深度見圖2。在水平X、Y方向，選取質點振動速度的最大值進行分析，以及垂直Z方向振動速度。第一次臺階爆破（無預裂縫）監測得到振動速度 V1，第二次（有預裂縫）再對臺階爆破監測得到振動速度V2，所得四個試驗點實測爆破振動峰值速度見表3。

圖2 測點布置

4 爆破振動分析

4.1 振動分析

在施工過程中，質點的振動速度和最大段藥量、爆源距有密切聯系。目前廣泛應用前蘇聯薩道夫斯基的經驗公式[6-8]進行回歸或預測爆破振動速度。

式中：v為質點峰值速度，cm/s；Q為最大段藥量，kg；R為爆源距,m；K、α與地質條件有關的場地系數和衰減系數；ρ為比例藥量。

根據式（1）、（2）得到最大段藥量為4.8，6.0 kg與9.0 kg的振動速度V1與V2擬合曲線見圖3。如圖3（a）水平方向爆破振動速度曲線所示，測點有預裂縫的振動速度 V2均小于無預裂縫的振動速度V1，但不同爆心距、不同最大段藥量條件下，兩者差值有明顯變化，表明預裂爆破對水平方向的質點振動有一定的減振作用，但減振效果受爆心距、最大段藥量影響明顯。由圖3（b）可知，預裂爆破對垂直方向的質點振動也有一定的減振作用，受爆心距、最大段藥量影響，但預裂爆破對水平方向的減振作用較垂直方向更明顯。一般認為凸形地貌有放大作用，垂直方向比較明顯，高差增加，放大系數增加[9-10]。但試驗中兩次爆破高差較小（3 m左右），且第二次爆破質點振動速度依舊小于第一次爆破，因此放大系數對減振分析影響較小。

圖3 質點振動速度曲線

綜上所述，預裂爆破有明顯減振作用，且水平方向的減振作用較垂直方向更明顯，但減振效果受最大段藥量、爆源距影響。

4.2 減振分析

根據現場實測數據，在預裂爆破后形成的預裂縫有極好的減振效果，但受最大段藥量、爆源距影響明顯。為進一步研究其影響，根據現場試驗數據，引入減振率η概念，計算公式為：

η分為水平方向減振率η水平，垂直方向減振率η垂直。根據式（3）計算出四個試驗點的減振率（見表4），并作如圖4所示的減振率曲線。表4表示，預裂爆破減振率水平方向減振率較高，最高可達0.66，而垂直方向的減振率相較偏小，最大值為0.62。對比表內相同測點，不同最大段藥量的減振率數據，發現在水平與垂直方向，減振率隨最大段藥量增加而增加。

表4 減振率

圖4 減振率曲線

如圖 4所示，水平方向預裂爆破減振率隨爆心距的增加逐漸減少；垂直方向預裂爆破減振率隨爆心距的增加變化趨勢不一致，但爆破遠區減振率依舊弱于爆破近區。

5 結 論

本文在紅沿河核電工程的基礎上，通過預裂爆破的減振率及爆破振動分析，得出以下結論：

（1）預裂爆破有明顯的減振效果，距爆心距越近，振動峰值速度衰減越快，衰減幅度加快，且預裂爆破減振具有方向性，水平方向的減振作用較垂直方向更明顯。

（2）減振率隨最大段藥量增加而增加，減震率隨爆心距的增加逐漸減少，且減振率高達0.66。

致謝：感謝中國科學院武漢巖土力學研究所于崇博士，在現場監測期間給予的指導和幫助。