鐘冬望

（武漢科技大學(xué)冶金工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430065）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，水上交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷增加，對(duì)長(zhǎng)江航道的要求也越來(lái)越高。由于長(zhǎng)江中上游暗礁較多、水深不夠，不利于長(zhǎng)江航運(yùn)的安全，并阻礙了大型船舶的通行。為適應(yīng)長(zhǎng)江運(yùn)輸能力的增長(zhǎng)，許多江段需要實(shí)施航道疏浚爆破工程，考慮到其工況條件、經(jīng)濟(jì)因素等，目前主要還是選擇水下爆破的方式進(jìn)行炸礁。與陸地爆破相比，水下爆破不僅施工難度大，而且對(duì)周?chē)h(huán)境的影響也較為突出［1－6］。在陸地土層中爆破，地震波能量一般只占爆炸總能量的2%～6%，而在水下介質(zhì)中爆破時(shí)，地震波能量所占比率可達(dá)20%。水中爆炸除形成水沖擊波和地震波外，高壓氣體的上浮與脹縮運(yùn)動(dòng)還形成二次脈動(dòng)壓力，使河岸、地面及水中建筑物產(chǎn)生二次振動(dòng)效應(yīng)，延長(zhǎng)了長(zhǎng)江大堤上質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，使超靜孔隙水壓力隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，導(dǎo)致大壩基礎(chǔ)的液化。為此，本文以長(zhǎng)江太子磯航道疏浚爆破工程為例，通過(guò)對(duì)該爆破現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試，得出爆破振動(dòng)速度的衰減經(jīng)驗(yàn)公式，并提出了爆破振動(dòng)速度安全判據(jù)及不同狀態(tài)下的最大允許藥量，以期為水下鉆孔爆破地震波特征、傳播規(guī)律、形成機(jī)制以及振動(dòng)效應(yīng)的研究提供依據(jù)。

1 工程概況

太子磯航道位于安徽省池州市境內(nèi)，地處長(zhǎng)江下游。此處江面寬闊，是長(zhǎng)江航運(yùn)的繁忙地帶。太子磯礁石位于太子磯航道居中偏右位置，左側(cè)距江堤最近為400 m，右側(cè)距江堤最近為2 180 m。此處暗礁較多，不利于長(zhǎng)江航運(yùn)的安全，并阻礙了大型船舶的通行。由于爆破中心距長(zhǎng)江大堤及附近建筑的距離較近，且爆破裝藥量較大。為確保安全，需對(duì)一些重要的地段（如長(zhǎng)江大堤、附近炸藥庫(kù)房等）進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)，并作相應(yīng)的安全評(píng)估。

太子磯航道爆破作業(yè)區(qū)長(zhǎng)為180 m，寬為80 m，平均爆破深度為9 m，水深為0～5 m，水下爆破巖石總量為129 600 m3。爆破巖石成分為灰白色中粒花崗巖，中等風(fēng)化，節(jié)理發(fā)育，單軸抗壓強(qiáng)度為69.21 MPa，巖石等級(jí)為Ⅷ～Ⅸ級(jí)。工程鉆孔作業(yè)平臺(tái)采用400 t方駁船，鉆孔直徑為100 mm，孔深為1.4～10.5 m，平均超深為0.8 m；垂直鉆孔，孔距為1.5 m，排距為1.2 m。為防止松渣及淤泥堵塞炮孔，開(kāi)鉆前先下放端頭有鋸齒的中空套管，管徑為120 mm，炮孔鉆好后拔出鉆桿，立即通過(guò)中空套管裝藥，炸藥選用直徑為70 mm的乳化炸藥，每個(gè)炮孔分別在其底部和中部布置2～4個(gè)雷管，全部炮孔裝藥完畢后聯(lián)線、移船、警戒和起爆，每次爆破為2～3排。

2 爆破振動(dòng)測(cè)試

2.1 測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)點(diǎn)布置

采用IDTS 3850型爆破振動(dòng)記錄儀，連接速度傳感器，并布置于振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。該記錄儀的分辨率高，最小可分辨的振動(dòng)速度達(dá)到0.001 6 cm／s，讀數(shù)精度達(dá)到0.5%；可自動(dòng)實(shí)時(shí)先后采集8次爆破振動(dòng)波形。爆破測(cè)震后用RS232數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連，便可讀出整個(gè)爆破過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)，并具備功率譜分析、矢量合成、薩道夫斯基公式回歸等處理功能。

本次監(jiān)測(cè)工作共布置了7個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置垂直和水平傳感器各1個(gè)，水平傳感器指向爆源，各測(cè)點(diǎn)高程一致，均高于爆源8 m，測(cè)點(diǎn)位置及距爆心距離如表1所示。測(cè)點(diǎn)布置的平面圖如圖1所示。

表1 測(cè)點(diǎn)位置及爆心距離Table 1 Location and distance from blasting center of the measuring points

2.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)爆破施工作業(yè)安排，爆破振動(dòng)測(cè)試分兩次進(jìn)行。由于水下爆破作業(yè)的振動(dòng)檢測(cè)可供參考數(shù)據(jù)較少，且各地的地質(zhì)、水文條件均不盡相同，因此共進(jìn)行了二次大規(guī)模水下鉆孔爆破：第一次單段最大藥量為290 kg，總藥量為840 kg；第二次根據(jù)預(yù)計(jì)正常施工要求并反復(fù)測(cè)算將單段最大藥量加大為346 kg，總藥量為1 650 kg。由于第一次發(fā)現(xiàn)5＃、6＃測(cè)點(diǎn)位置（距離爆源最遠(yuǎn)）的振動(dòng)速度非常小，因此第二次時(shí)取消對(duì)這兩點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)試；同時(shí)在太子山腳炸藥庫(kù)院內(nèi)增設(shè)了一個(gè)測(cè)點(diǎn)位置7＃。各測(cè)點(diǎn)均順利測(cè)得數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)典型振動(dòng)波形如圖2所示。各測(cè)點(diǎn)位置的爆破振動(dòng)速度如表2所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of the measuring points

圖2 典型波形圖Fig.2 Typical oscillogram

由表2可看出，實(shí)測(cè)質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度為0.563 2 cm／s，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)主振頻率主要集中在10～50 Hz內(nèi)，這表明現(xiàn)場(chǎng)條件下水下鉆孔爆破振動(dòng)以低頻波為主，振動(dòng)檢測(cè)均在允許范圍內(nèi)。由圖2可看出，地面振動(dòng)主振頻率應(yīng)是低頻波和高頻波的疊加，低頻波（對(duì)應(yīng)爆炸直接作用在巖石中形成的爆破地震波）占主要部分，而水沖擊波所引起的地面振動(dòng)高頻波的沖擊作用并不明顯。究其原因是，鉆孔爆破水擊波大小與孔口水深及與炮孔軸線的夾角有較大關(guān)系。主要特點(diǎn)是，水沖擊波超壓隨著水深增加而加大，另外隨著與炮孔軸線夾角加大而迅速減小，當(dāng)夾角大于45°后，超壓比ΔP鉆／ΔP水一般小于0.15。長(zhǎng)江大堤上最近測(cè)點(diǎn)4＃距爆炸中心距離為603 m，藥包水深約為3 m，因此水沖擊波傳播路線與炮孔軸線的夾角約為89°，表明水沖擊波的作用效果并不十分明顯。

表2 實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Monitoring data of the measured blasting vibration velocity

3 結(jié)果與分析

爆破地震波的破壞作用主要決定于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，而不是波自身的傳播速度，其傳播和衰減遵循一定的規(guī)律。只要估計(jì)質(zhì)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度并采取一定的控制手段，就可減少爆破振動(dòng)帶來(lái)的危害。質(zhì)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度公式為［7］

式中：V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm／s；Q為單段最大藥量，kg；R為爆破中心至被保護(hù)對(duì)象或測(cè)點(diǎn)的距離，m；a為爆破地震波傳遞衰減指數(shù)（a值為待定未知數(shù)）；K為爆破現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件系數(shù)（K值為待定未知數(shù)）。

取表2中振動(dòng)速度進(jìn)行回歸分析，得：K＝741.328，a＝1.754 9，即：

若取2 cm／s為最大振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)，則最大段安全藥量為2 600 kg，最大段安全控制藥量為2 000 kg。按此控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，圓滿完成了長(zhǎng)江太子磯航道疏浚爆破工程任務(wù)。

4 結(jié)論

（1）地面振動(dòng)的主振頻率應(yīng)是低頻波和高頻波的疊加，低頻波（對(duì)應(yīng)爆炸直接作用在巖石中形成的爆破地震波）占主要部分，而水沖擊波引起的地面振動(dòng)高頻波的沖擊作用并不明顯。

（2）試驗(yàn)條件下，振動(dòng)速度衰減經(jīng)驗(yàn)公式為V＝741.328（Q1／3／R）1.7549。

（3）距離爆源越遠(yuǎn)，振動(dòng)速度越慢，地震波隨著距離的延長(zhǎng)呈衰減趨勢(shì)，且垂直方向振動(dòng)速度的衰減速度明顯大于水平方向振動(dòng)速度的衰減速度。

（4）從確保周?chē)?gòu)筑物安全上考慮，取2 cm／s為最大振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)，最大段安全控制藥量為2 000 kg。

［1］ 李海波，蔣會(huì)軍，趙堅(jiān)，等.動(dòng)荷載作用下巖體工程安全的幾個(gè)問(wèn)題［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（11）：1 887－1 890.

［2］ 陳士海.爆破地震動(dòng)研究現(xiàn)狀［J］.爆破，2003，20（1）：13－18.

［3］ 尹群，陳永念，胡海巖.水下爆炸研究的現(xiàn)狀和趨勢(shì)［J］.造船技術(shù)，2003（6）：6－12.

［4］ 許長(zhǎng)安，楊國(guó)華.河道整治中關(guān)于水下爆破相關(guān)工藝及其造價(jià)的研究與推廣［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2005，17（4）：35－38.

［5］ 石教往，熊長(zhǎng)漢.水下工程爆破對(duì)環(huán)境影響規(guī)律研究（上）［J］.爆破，2000，17（3）：15－18.

［6］ 李俊如，李海波，劉亞群，等.爆破對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)江大堤基礎(chǔ)的影響分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（11）：1 912－1 915.

［7］ 鐘冬望，林大澤，肖紹青.爆炸安全技術(shù)［M］.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1992：24－56.