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    重庆爆破期刊

爆破振动预测与控制技术

重庆市爆破工程建设有限责任公司孟祥栋

 

爆破地震是爆破工程三大危害之一,当爆破振动达到一定强度时,可造成爆源附近建()筑物破坏、边坡失稳以及地下工程片邦与冒顶,控制爆破地震效应已成为爆破工程界重要的研究课题。爆破生产实践中,常常根据被保护体的结构特性和保护级别所确定的安全振动速度来设计爆破参数,因此非常必要研究质点振动速度与爆破相关因素间的相互关系。

爆破振动的预测技术是近几年来新开辟的一门学科,涉及爆炸动力学、岩石动力学、信号学等诸多学科。实现爆破振动信号的预测,需熟知爆源作用机理及地震波的传播规律,然而达到此要求就需要首先掌握影响爆破振动的诸多因素及各自对振动信号的作用原理。本章主要介绍了爆破地震效应及对其研究的发展,结合实际的工程和相关的试验工作,系统地分析分散药包、微差爆破、装药结构等一系列因素和质点振动速度之间的关系。

2.1 爆破振动影响因素研究

在爆破地震波作用下,建()筑物的破坏程度主要取决于爆破振动的强度。而在衡量爆破振动强度的诸多物理量中,地面质点振动速度与建()筑物破坏的相关性最好,因此,各国都逐渐采用质点振动速度作为衡量爆破振动强度的物理量[9]

与天然地震相比,爆破地震的震源及爆破施工过程是人为进行的,在药量和爆源位置已知的情况下,人们可以根据周围的环境条件,通过严格的设计,改变起爆方式和采取一定的技术措施对爆破振动强度进行预测和控制,达到避免或减少爆破振动危害的目的。为了更好的了解爆破的作用机理及更直接有效的实施爆破控制,结合国内外在此方面的研究,提出了影响爆破振动效应的影响因素。

作为衡量爆破振动强度的三大要素,幅值、主频和振动持续时间的不同组合决定了爆破施工的安全与否,下面围绕影响这三个要素的因素做出探讨。

2.1.1 三大要素对地震效应的影响

1 振动速度

与天然地震一样,爆破地震的强度可以用加速度、速度和位移中的某一最大值或某种意义下的有效值表示,只是因为大量的现场试验表明,爆破振动强度与质点震速大小的相关性较好,且震速与岩土性质有较稳定的关系,而与质点振动位移及加速度都不具有这种关系[9]。然而速度矢量在空间坐标中有三个方向(垂直方向、水平径向和水平切向),采用哪一个方向上的震速在爆破研究中一直是一个热点话题。目前国际上采用最普遍的是用质点的垂直振动速度作为衡量爆破振动强度的标准,但是这并不能全面的反映爆破结构破坏的实质。

2 振动主频

结构体对于介质中传来的地震波具有选择放大作用,这种作用主要表现在爆破地震中与结构体固有周期相近的谐波分量放大最多,使该波引起的振动最为激烈。即爆破振动的卓越周期与该结构体的固有周期一致时,将产生共振,使结构体的振幅大大增加。

3)振动持续时间

研究表明[10],当振动频率和幅值相同时,不同的爆破振动持续时间引起的结构应力响应最大值是相同的,但对考虑累积损伤的结构来说,结构产生的塑性应变随振动持续时间的增加而增大。

以上分别讲述了爆破振动三要素对地震效应的影响,但三者并不是相互独立的,而是同时作用于爆破对结构损伤的全过程;另外,结构体受震破坏不仅仅取决于振动的幅值,而且还与振动频率和振动持续时间密切相关,有时后面的两个因素起到决定性的作用。因此,仅仅采用建筑物的振动峰值作为爆破振动破坏的标准是不能全面反映爆破振动破坏实质的。

2.1.2影响爆破地震效应的因素

1)装药量

目前,我国的《爆破安全规程》中对振动峰值预测所采用的是前苏联的萨道夫斯基公式:

V =K(Q1/3/R)a                           2-1

式中,V 为爆破振动速度, m/s; Q为装药量,对于分段爆破取最大段药量齐发爆破取总药量,kg;R为爆心距,m; Ka分别为爆破条件、岩石特性等有关的系数。

从经验公式可以看出,爆破振动强度正比于爆破的最大的装药量。其中,装药量又分两种情况,对于分段爆破指最大段药量齐发爆破指总药量,两者对爆破地震效应的影响表现为:随着最大药量的增加,爆破地震的主振频带有往低频发展的趋势。对于微差爆破,雷管段数的增加有利于改善干扰降震的效果,但在爆破的近区这种降震效果并不明显,对于多段毫秒延期爆破,增加段装药量并不预示着一定会使最大振动速度增加。另外,随着总药量的增加,爆破振动信号主频所携带的能量有明显的增加。

装药量可根据炸药单耗和孔排距计算,炸药单耗的确定是非常复杂的。对于每一种岩石,在一定的炸药与爆破参数下,只有一个合理的单耗。实践表明,单纯的增加单耗对提高爆破效果是徒劳的,有时甚至是有害的,这样做只能是把能量消耗在岩石的过度粉碎和增加爆破的有害效应上。影响炸药单耗的因素很多,主要有岩石的可爆破性,炸药种类,临空面条件,起爆方式和块度要求等。选取合理的单耗往往根据实践经验或爆破实验来确定。对单孔装药量也必须以保证必要的堵塞长度为前提,如装药量满足设计要求,而堵塞长度不够,很容易形成冲天炮,爆破效果不理想。

2)爆心距

从各国的经验公式中可以看出,爆心距与爆破地震强度存在反比关系。研究表明:随着爆心距的增加,信号的总能量不断衰减,高频部分比低频部分衰减的要快,爆破振动主频有往低频发展的趋势。由于工程结构体的自振频率往往较低,因此爆破地震波在传播的过程中虽然其振动强度不断衰减,但其破坏效应可能更大;随着爆心距的增加,爆破振动信号的能量重心在往低频发展的同时,信号的能量分布更加发散,主震频带的宽度增加。

3)传播介质

上面的经验公式表明,传播介质对爆破地震强度有非常重要的影响,在一定条件下,质点振动速度与其应力的大小成正比,而应力的大小与应力波传播途径的介质的特性有关,所以传播途径也是影响爆破振动强度的重要因素。研究表明[11],在爆破荷载作用下,近距范围内爆破振动速度迅速衰减,中远距范围内爆破振动速度衰减趋缓;传播介质为级岩体时,随着岩体质量降低,K值有增大趋势,对于级岩体,K值变化没有明确的规律;a值总体上具有随岩体质量降低而增大的趋势,从式子中可以看出Ka值具有与爆破振动速度近似相同的增减关系。

4)炸药爆轰速度 [12]

根据爆轰与岩石碰撞的弹性波理论,炸药爆炸后作用于炮孔壁的最大径向压力为:

                     2-2

式中: 分别为岩石、炸药密度;CD为岩石纵波速度与炸药爆速。

爆炸应力波压力随传播距离衰减规律为:

                    2-3

式中: 为药包半径;r为爆炸应力波传播到达距离; 为波衰减指数; 为泊松比,且r处质点爆破振动速度V 与该处压力 关系为:

                           2-4

因此,对某种岩石, 属定值,震速随压力的增大而增大,随其压力的减小而减小。即震速与爆轰速度亦成正比。

5)临空面条件

根据利氏理论,炸药爆炸的能量分配与药包埋置深度即临空面条件有直接关系。临空面起到反射拉应力波和聚能作用。因此,临空面的大小和数目对爆破效果有着明显影响。当临空面只有1个时,爆破作用受到岩石夹制作用大,爆破困难,单位岩石耗药量增大。因此,施工中临空面只有1个时,要人为创造临空面,以改善爆破效果。比如在深孔梯段爆破中,如临空面只有l个,可设计采用第1排为小孔距,并适当加大装药量,其后为正常孔距,采用微差爆破的方案。这样第l排孔爆破结束后就形成一个较大的爆破漏斗,增加了一个临空面。此法能使岩石得到充分破碎。而对保留岩体的破坏也最小,爆破效果非常理想。当然,还可利用现场地形形成临空面,但要考虑爆破方法对抛掷方向、距离和堆积形状的影响,以确保爆破后的清方工作顺利进行。但要注意,如果临空面太多也会影响爆破效果。这是因为当临空面超过4个时,爆破能量分散,临空面反而起不到聚能作用,且缺少了岩石的夹制作用(当然这种夹制作用有时是有害的),导致大块率增多。比如工程施工中,有时需要对大块孤石进行爆破,但孤石爆破后往往被炸成大块,并非想象的那样出现大量碎石。一般情况下,药包埋置深,临空面条件不好,炸药爆炸的能量在岩石弹性变形方面消耗的比例增大,即引起的爆破振动强度大,反之则减小。

6)节理、裂隙与预裂缝

岩体中含有节理裂隙时,应力波传到界面后会产生反射和折射,若预裂缝中全由空气充填而无其他物质,则预裂缝起到了隔振作用。

7)段数

微差爆破振动信号的优势能量主要分布在主震频带,工程结构是一个包含众多子结构的系统,个字结构的固有特性各不相同,因而其对爆破振动的响应具有多模态,多振型的特点;随着雷管段数的增加,爆破振动信号的极高频和极低频所占比例都有所减少,中低频成分所占的比例增加,信号的能量有往主震频带集中的趋势,从而起到干扰降震的效果。

8)微差间隔时间

间隔时间的长短对爆破效果的影响极大。时间过短则后爆孔可能因先爆孔未形成新的临空面而起不到微差的目的,且易产生强烈的地震效应;而时间过长先爆孔飞石则可能将后爆孔的起爆网路破坏。间隔时间的确定主要依据岩石特性,布孔参数,岩石破碎要求等因素。

通过实测波形分析表明[9]:在毫秒延迟微差爆破中,随着爆破规模的增大,延迟间隔也需要增长;毫秒延迟爆破引起的振动比齐发爆破具有幅值小、频率高、持续时间短等特点。如果两个波形相互叠加,其相位时差为0.5T或(n+0.5Tn=123……n)时,叠加后的幅值最小,当相位差为T 时,则叠加后的幅值最大,理论和实测基本一致。

9)孔网参数

利用大孔距、小排距、缩小抵抗线,适当控制孔深,超深值不宜过大时,爆破振动强度减弱。最小抵抗线小,爆破振动频率高,土层地震波衰减快,房屋响应振动小,底部地震剪力和竖向惯性力均小[13]

10)装药方式

当采用柱状装药时,起爆药包的位置决定着炸药起爆后爆炸应力波的传播方向和爆轰气体的作用时间,对爆破效果的影响不容忽视。根据起爆药包在炮孔中放置的方向不同,有3种不同的起爆方式:反向起爆,正向起爆,和中间(双向)起爆。过去考虑施工操作方便,多用正向起爆,实践证明,反向起爆能提高炮孔利用率,减小岩石破碎块度,增大抛碴距离,降低炸药消耗量。这是因为反向起爆时,爆轰波的传播方向和岩石向临空面运动的方向一致,有利于在临空面形成反射拉伸应力波,从而提高了临空面附近岩石的破碎效果。药包距临空面较远,爆轰气体不会立即从孔口冲出,因而爆炸能量得到了充分利用,增大了孔眼底部爆炸作用能力和作用时间,避免了炮根的产生。当然,这种方法需要较长脚线,装药很不方便。因此装药过程中应注意炮孔外脚线不能拉得太紧,应使其始终处于松弛状态,避免雷管从药包脱落产生拒爆。

11)布孔方式

布孔方式一般为方形、矩形及三角形(或称梅花形)3种,从能量均匀分布的观点看,以等边三角形布孔最为理想。但随着毫秒塑料导爆管的采用,起爆技术不断发展,对方形和矩形也可通过改变起爆顺序和起爆时的炮孔密集系数,达到三角形布孔的效果。因此,布孔方式对爆破效果而言,影响不是太大,但必须注意,对于同一工作面,当设计孔深不等时,其布孔的孔距也应作相应调整,不能取同一孔排距。孔浅时取较小值,孔深时取较大值。如果孔深较浅,而孔排距较大,那么在保证装药量的情况下,堵塞长度不能保证。孔深大,其孔排距也不能取值过大,必须在一个合理的范围内。过大的孔排距会造成炮根多,大块率高,后冲作用大。目前,宽孔距窄排距的布孔方式正在积极探索之中,采用这种布孔方式时必须注意临空面的选取和微差起爆联网的方式。否则会适得其反,产生较大块石。

12)起爆顺序

根据工程实际,齐发爆破的振动频率较小,而微差爆破的振动频率较高[14]。在设计起爆顺序时,尽量使用V型掏槽或对角交叉起爆,可使震波在爆区内叠加。从爆破安全的整体状况来衡量,改变爆破方向将爆破物置于侧向位置,更有利于爆破安全。

13)起爆网路

在爆破工程中起爆网路至关重要,起爆网路不合格将导致整个的爆破工程失败。就起爆时间而言,间隔时间过小,达不到减震和创造自由面的目的;间隔时间过大则会造成因前排炮孔飞石砸坏后排起爆线路并破坏后排孔,或产生飞石等。

14)钻孔形式

深孔爆破的钻孔形式一般分为垂直孔和倾斜孔两种。倾斜孔爆破后不易产生大块和残留根底,且爆破后形成的渣堆形状好,彻底抛松,便于挖掘机挖运,对后一台阶面破坏小,后一台阶面稳固易保持,这对于后序钻孔施工非常有利。当然,其不足也应注意,比如,其钻孔速度较垂直孔慢,钻孔时易发生卡钻事故,装药过程中药卷易发生堵孔现象。此外,由于斜孔孔深较垂直孔的深度计算复杂,钻孔深度误差较大,很易发生超、欠挖现象。另外,如果整个工作面钻孔斜度不能保持一致,不仅钻孔深度误差大,还会导致孔排距在孔底部分大小不一,与工作面表面孔排距不一致,这样爆破后就会产生很多大块和炮根。可见倾斜孔钻孔技术比较复杂,施工要求较高。因此,倾斜孔适合对孔深精度要求不高的石料场开挖,而对大坝基坑、船闸、明渠等有结构设计要求的部位,在接近建基面的最后开挖时,最好采用垂直钻孔。

15)钻孔深度

理想的钻孔都保持在一个平面上,起爆后不会出现炮根和炮坑,从而形成平整的工作面,有利于下一步施工。钻孔深度大于设计值时,将不仅造成钻孔和炸药的浪费,而且增大对下一个台阶顶盘的破坏,给下一次钻孔造成困难;如果小于设计孔深,则产生炮根,影响装运工作。

为避免产生炮根,往往采用钻孔适当加深的办法,其目的是克服台阶底盘岩石的夹制作用。其超深值目前还没有较一致的计算公式,往往根据实践经验确定。超深值的确定要考虑的因素很多,岩石松软时,其值取小,岩石坚硬时其值取大;采用高威力炸药时,其值可适当取小;孔排距较大时,要取较大的超深值;钻孔孔径较大时,其超深值就应偏小。若采用预留岩体保护层的开挖方法,其上部的梯段炮孔不可因为超深而穿入保护层。

16)药包的耦合状况

钻孔直径大于炸药包直径时,属于不耦合装药。不耦合将会使炸药在炮孔中爆炸时爆轰波能量受到一定的损失,在岩体中由它激发的爆炸应力波的强度也会降低,从而使岩石的破碎效果大大降低,实际上也浪费了部分钻孔工作量。

不耦合装药也有可利用的一面,此时药包爆炸时的爆轰波对孔壁的冲击效应减缓,孔壁上的最大切向应力急剧下降,有利于提高岩石破碎的均匀性。因此,在新鲜坚硬岩石中,可采用耦合装药;在松软、裂隙发育的岩石中,可采用不耦合装药;而在接近建基面的保护层开挖中,以及为保护边坡而采用的预裂爆破中,必须采用不耦合装药,这样可缓解炸药对炮孔底部及周壁岩石的破坏。

17)堵塞

封孔堵塞是容易被忽视的一个环节。爆破施工中,堵塞有时用炮孔边上的岩粉、块石随意填充,不考虑堵塞长度是否满足,堵塞质量是否保证。特别是雨天施工时,炮孔边没有岩粉,作业人员贪图方便,仅用石块塞孔,这样爆破后就会产生较强的空气冲击波、噪声和大量飞石,炮孔下部岩石破碎效果很差,炮根很多,因此对堵塞的作用要有足够重视。

良好的堵塞可以保证在岩石爆破破碎之前,阻止高压的爆轰气体过早地泄漏到空气中去,这样能延长高压爆轰气体对岩石的加压作用.提高爆炸能量的利用率。堵塞材料要采用内磨擦系数较大的砂和碎石以及砂与土按一定比例拌合的混合物。装药结束后,炮孔应用木棍捣实。实践表明,如果堵塞质量良好,只要无飞石产生,即使出现局部的联网错误,也可在一定程度上避免瞎炮。

18)建筑物的结构

不同建筑物的结构对爆破振动强度的承受能力不一样,跨度大的建筑物和横梁容易出现裂缝,比较高的建筑物其顶部受到的振动比底部大[13],其关系是:

V1=KVVKV=H/H1                          (2-5)

式中:V1为某高度的振动速度;V为建筑物地基处的震速;KV为高度系数;H为建筑物被测处的高度;H1为建筑物每层的高度,一般为3

综上,围绕爆破振动三大要素,分析总结了装药量、爆心距、场地条件、炸药爆轰速度、临空面条件、节理、裂隙与预裂缝、段数、微差间隔时间、孔网参数、预裂爆破和预裂效果、起爆顺序、起爆网路和建筑物的结构等因素对爆破地震效应的影响。其中,装药量、爆心距、装药结构和场地条件对爆破地震的影响尤为突出。

影响爆破效果的因素很多,对每一施工环节,都必须严格按设计要求实施,如果某一环节出现差错,即使其它工序操作正确,对爆破效果也会产生不利影响。因此,只有全面提高施工质量,并在实践中不断总结经验教训,才能取得满意的爆破效果。

2.2 爆破振动传播规律的研究

2.2.1 爆破振动传播规律研究现状

关于爆破振动传播规律方面的研究,国内外学者已做了大量的工作,其中以前苏联、澳大利亚和美国尤为突出。综合此研究领域取得的成果,发现其研究方法和研究手段不外乎以下两种[15]

1)数值模拟。从爆破机理入手,通过对岩石条件进行一系列的假设,构建出较为理想的弹性模型、弹塑性模型等,然后借助计算机对复杂的爆破瞬间过程进行时程模拟,最终得到爆后岩块的块度分布。

2)总结经验公式。此种处理方法是建立在大量的现场资料基础之上,通过数理统计的方法,对历次爆破效果进行分析处理,并建立一系列的经验公式,最终得到一个较切合实际的爆破数学模型。

爆破振动效应的预测研究工作是从20世纪六七十年代开始的,这种预测往往与当时的爆破振动安全判据紧密相关,致使预测结果因表征爆破振动强度的物理量(通常采用速度、加速度、位移,尤其是速度)不同而有不同的形式,一般而言这种形式各异的预测模型可以用函数:A=f A为爆破振动的预测对象(幅值);f为非特定的函数形式,是爆源变量、传播途径变量和仪器特性反应的函数。)统一表示[16]。在实际应用中,采用上式对实测数据进行拟合回归分析时,得到的结果往往具有较大的离散性。为解决这一问题,许多学者通过大量的实践对此预测模型做了改进,并相应地提出一系列的爆破振动峰值速度预测模型。

冯叔瑜给出针对拆除爆破振动采用的预测模型[17],卢文波等利用爆破理论推导出一套关于质点振动峰值速度的预测公式[18];陈寿如等考虑高差对爆破地震效应的作用提出了预测爆破振动峰值速度的计算公式[19];韩子荣[20]、焦永斌[21]考虑频率对爆破地震效应的作用后提出了一套折算速度的预测模型;Alessandro Giraudi考虑炸药爆炸所耗时间,提出了一种预测振动强度的公式,并指出PPV的大小与炸药的类型关系密切[22]。此外,近些年,随着学科间的不断渗透,信号处理学、数值分析学等新兴数学方法及人工智能领域的神经网络逐渐被引入到爆破振动传播规律的研究中,王民寿等[23]用双随机变量回归分析方法预测了爆破震速;杜修力等针对天然地震进行了地振动随机模拟及其参数确定的研究[24];唐德高等利用波动有限元法对爆炸荷载作用下的地振动进行了数值模拟计算和分析[25];贾光辉等采用非线性有限元法,对爆破荷载作用下的建筑物振动响应状况进行了数值模拟[26];鲁晓兵等通过离散元方法对清江高坝洲二期工程的爆破振动响应做了模拟,得出了爆破传播速度随爆心距和时间的变化规律[27];徐全军[28]、黄光球[29]H. Bakhshandeh Amnieh[30]利用神经网络和遗传规划法预报了爆破振动峰值速度;M. Monjezi比较了几种神经网络预测模型的预测效果,发现了影响模型预测误差的几个主要因素[31];后期,杨佑发等(2009年)对预测经验公式、基函数回归方法以及神经网络预测方法的预测效果进行了比较,发现神经网络的预测效果最好,基函数回归方法其次,经验公式效果最差[32];最近,苏国韶等利用高斯过程法建立了爆破效应与影响因素之间的非线性映射关系,这较神经网络法具有算法参数自适应化、预测精度高的优点[33]Manoj Khandelwal2010年)利用支持向量机(SVM)理论预测了测点处的爆破振动峰值速度,通过与传统的经验公式比较,发现前者具有明显的优越性[34]

各种研究方法都存在自身的优点和不足之处,但目前国内外对爆破振动效应的预测仍以经验公式为主,其它方法的出现,尽管还有不完善的地方,但丰富了此方面的研究手段,对下一步的研究创造了有利的条件。

2.2.2 爆破振动传播规律优化研究

1)现存的传播规律经验公式

最早的地震波衰减规律是英国的Morris(1950)[35]提出的质点振动最大位移的经验公式:

                              2-6

式中,V??质点位移的最大值,mmQ??装药量,kgR??测点至爆源的距离,mK??爆破现场的特征系数。美国矿业局通过对20个采石场和建设工地的爆破振动观测数据进行统计分析的基础上,于1966年对此公式做了进一步的实例证明。

Lecont(1967)Morris的公式进行了修正,并采用与振动能量相关的质点峰值振速来代替质点最大位移幅值,给出了如下公式:

                             2-7

式中,V??质点峰值振速的矢量和,cm/sKw??爆破现场的特征系数。

美国矿业部门的研究人员对爆破地震波的衰减规律进行了大量的研究工作,并以质点峰值振速为安全控制标准,对各种建筑物制定了不同的破坏判据,BlairDuvall(1954)以及DuvallPetkof(1959)给出了如下质点峰值振速与比例距离关系的经验公式:

                              2-8

式中,K 为与场地条件及介质性质有关的经验系数,其余符号同前。

前苏联的M.A.萨道夫斯基[36]根据自己的研究提出了与式(2-8)相似的经验公式:并明确了系数K 的取值范围,见表2-1

2-1 爆区不同岩性的K, a, α, β取值范围

Table 2-1 Range of K, a, α, β of different rock in blasting area

岩性

K

a

α=a/3

β=-a

坚硬岩石

50~150

1.3~1.5

0.43~0.5

-1.3~-1.5

中硬岩石

150~250

1.5~1.8

0.5~0.6

-1.5~-1.8

软岩石

250~350

1.8~2.0

0.6~0.67

-1.8~-2.0

此外,瑞典的U.LangeforsB.Kihlstrom(1963)[37]给出了如下形式的经验公式:

                         2-9

日本采用的经验公式[38]:

                        2-10

     印度的经验公式:

                         2-11

兰氏经验公式:

                         2-12

上世纪六、七十年代,为解决我国工程爆破中与爆破地震效应有关的实际问题,江苏省地震局、中科院力学研究所和冶金、铁道、水利、交通等部门,结合大量的爆破工程实践,采用萨道夫斯基经验公式,对不同条件下的爆破振动进行了观测分析,提出了适合于不同爆破条件的地震波衰减规律的经验公式,其研究成果在工程爆破实践中得到了广泛应用。其中,中国科学院地球物理研究所在花岗岩、石英砂岩、页岩冲击层等地质条件下进行测量,于1962[39]提出的垂直向振速(V)传播规律的经验公式为:

lgV=K+0.6lgQ-1.81gR

由于这些经验公式在一定程度上与现场的观测结果比较接近,且方法简单,因此,被大多数爆破工作者所接受,并使其在爆破振动强度的预测和安全评定中一直得到广泛地应用。

从以上各经验公式可以看出,影响爆破振动速度的主要参数为装药量、爆心距和爆破场地条件。2004年毕卫国等根据各国的经验公式就同一组爆破实测数据进行了分析[40],结果表明随着经验公式的不同,其误差也在不断的变化;文献[41][42]中作者也提出药量和爆心距的最佳比例距离并不是1/3,不同的装药量与爆心距的拟合比例指数得到的模拟结果误差不同。因此,对于一个特定的施工环境必定存在一个使误差最小的最佳指数。

2)地震波传播规律的优化分析

为了消除经验公式的局域限制,使之更好地服务于爆破设计工作,本文推荐LundborgHoolmberg& Person等人提出的表述爆破振动速度的经验公式广义表达式:

                                        2-13

式中:K?经验系数;αβ?与场地有关的衰减指数;QRV的意义同前。

关于广义表达式的求解,国内外学者已做出大量的研究,其中近期研究中最具代表性的为罗正提出的线性解析方法[43]。此方法是将修正表达式两边取对数,对Kαβ进行线性化处理,即:

                    2-14

lgV=YlgQ =X1lgR =X2lgK=B0α=B1β=B2,则有:

                                  2-15

根据经验公式拟合准则,经验公式的获得是在保证速度准确度最高的基础上进行的。根据最小二乘法拟合公式原理,待定系数Kαβ的确定应保证实测值与拟合值的误差最小,对于线性分析模型即保证A= 最小。但实测值与拟合值的真实误差应是B= ,由于由A最小算出的Kαβ值并不一定能够保证B能取到最小值,所以前一种研究方法很难保证最高的精度。

为了提高爆破振动预测公式的预测效果,作者尝试利用非线性解析的方法对修正萨道夫斯基公式进行回归分析,现简要介绍一下方案的分析原理及运算步骤。

以齐发爆破为例,由多元函数的极值定理知B取最小值的必要条件是:

                        2-16

                               2-17

式中: vi表示第i个测点的实测速度,cm/sVi表示第i个测点的拟合速度,cm/s。将(2-13)式代入(2-17)式:

                 2-18

式中: vi表示第i个测点的实测速度,cm/sQi表示第i个测点的装药量,kgRi表示第i个测点的爆心距,mKαβ分别表示经验系数和与场地有关的衰减指数,为待求参数。

分别令

             2-19

由于 为非线性方程,所以无法直接得到方程组的解析解,因此可采用牛顿迭代法来求解Kαβ,其具体步骤如下[44]

第一步:给出迭代次数N及初始赋值向量x0=K000T。由于修正的萨氏公式是由传统的萨氏公式转变来的(α=a/3β=-a),而且牛顿迭代是局部收敛的,所以为了使迭代式快速收敛,初始赋值时可参照传统的选值范围,参考赋值如表2-1所示。

第二步:令x=KαβT,根据牛顿迭代法的思想,牛顿迭代格式要满足: ,即 ,其中k表示实际迭代次数, 表示 关于各待求参数的偏导数(见式2-20)。

                   2-20

从而有:

第三步:计算精度 (其中 ),如果 < ,则停止运算,取x=KkkkT。否则要转入下一步运算:

第四步:如果循环过程中实际迭代次数k<N,则再返回第一步,直到 < ;如果当 < 时的迭代次数k >N,输出出错信息。

2.2.3工程应用

为了便于比较上述线性分析方法与此优化方案的计算精度与准确度,本文采用了文献[43]中的样本数据,数据采集场地为厦门万石山隧道爆破施工的现场,20组监测数据见表2-2

2-2 实测样本数据

Table 2-2 Measured sample data

编号

最大段

药量/kg

爆心距

/m

震速

/cm/s

编号

最大段

药量/kg

爆心距

/m

震速

/cm/s

1

5.6

15.62

1.431

11

5.6

18.03

1.586

2

5.6

22.36

1.067

12

5.6

25.08

1.237

3

5.6

29.73

0.582

13

5.6

32.57

0.663

4

5.6

36.40

0.516

14

5.6

39.29

0.601

5

5.6

43.17

0.348

15

5.6

46.10

0.418

6

9.4

20.59

1.433

16

11.6

22.36

1.332

7

9.4

27.86

0.964

17

11.6

29.73

0.911

8

9.4

35.44

0.632

18

11.6

37.36

0.549

9

9.4

49.03

0.376

19

11.6

44.15

0.479

10

12.8

27.31

1.204

20

11.6

50.99

0.386

为了便于比较各种预测模型的预测效果,表2-3列出了几种模型的预测参数及误差。

2-3 各种预测模型的预测效果汇总表

Table 2-3 Prediction result summary sheet of different prediction models

      模型

参数

传统经验公式预测模型

修正萨道夫斯基公式预测模型

线性解析法

非线性解析法

K

27.1

47.14

23.33

α

0.44

0.447

0.607

β

-1.319

-1.486

-1.424

-α/β

1/3

1/3.32

1/2.35

预测误差

15.8%

9.8%

7.65%

可以看出不同的分析方法得到的Kαβ值不同,从而使拟合的传播规律存在较大的差异。经比较,修正萨道夫斯基公式的预测精度明显优于传统的经验公式,且非线性解析法较线性解析法误差小、精度高。因此,建议实地监测人员不要局限于传统的萨氏公式,否则预测误差偏大会造成预测信息的失真。

2.3 爆破振动控制技术研究

过去对与爆破振动危害控制的研究较为分散,采用的技术也较为单一,基本上没有将其作为振动系统来进行研究。这主要是因为爆破工作者比较注重通过爆破工程设计来控制爆破振动幅度,而忽略了对具体结构、建(构)筑物及设备的动力特征和反应的研究;系统控制工作者又往往对爆破振动特性不熟悉。如果能将两者有机结合在一起,则必将爆破振动的控制技术研究提高到一个新的水平。

从以往对爆破振动危害控制的研究来看,爆破振动危害的控制方法大致有三种:一是针对抱怨所采取的控制措施;二是针对受控物体采取的措施,如在受控对象上附加动力吸震器的吸震法、在受控对象上施加阻尼器的阻振动法以及通过改变结构来改变结构的动力特性参数使其振动响应满足预期的要求;三是针对爆破地震波在传播过程中所采取的措施,如截断振动传播路径的隔震法、开挖临空面和减震沟槽减震等。目前在工程实践中应用最多的或者说各国学者比较重视的研究是针对爆源采取的降震措施,如干扰降震法、控制最大段药量、改变爆破参数等较为常用的手段。

2.3.1干扰降震法

干扰降震法是将可能引起较大振动的大药量爆破通过分段起爆法将其切成许多部分,这些药包爆炸后以减弱了单个震波形式传递给结构体,若能选取合适的爆炸间隔时间,则各部分药包的爆炸所产生的震波能达到干涉降震的效应。工程爆破中的微差爆破技术既是实施干扰降震的最主要手段。

1)微差爆破的基本原理和作用

微差爆破又称毫秒爆破,既是将装药(药包)分组以毫秒级的时间间隔(即毫秒微差延时)按顺序进行起爆。微差爆破可以大大降低地震效应,不仅如此,如果参数选择合理,还能大大改善爆破效果。微差爆破之所以能降低爆破地震效应和改善爆破效果,是由于爆破过程中增加了新的自由面和许多辅助自由面以及应力波叠加的结果。

1)新的自由面和辅助自由面

在微差爆破中,先期起爆的岩体向自由面移动,在移动的地方会给后期起爆的岩体造成新的自由面,减轻了后续爆破岩体的阻力,并在前后起爆岩体间造成了一些裂缝,创造了更多的辅助自由面。在这些辅助自由面上,冲击波的反射必然得到加强,并引起压缩波与反射波一定的叠加,从而达到改善爆破质量和降低地震效应的目的。

2)应力波的叠加和干涉

先后起爆的岩体中的爆炸应力波所形成的地震波在时间上和空间上存在相互干扰和叠加,叠加的结果可能是加强,也有可能是减弱,这取决于微差时间。若能选取合理的微差时间,则先起爆可能是爆破振动强度达到最小,从而达到降震的目的。此外,几个爆破地震波叠加后,还会使高频成分增加,从而加速了其在地层中的衰减,使爆破地震效应减弱。

3)残余应力

先爆药包的爆生气体使岩体等介质处于准静压力状态而建立残余应力场,并对应力波所形成的裂隙起着膨胀和楔子作用,后爆药包利用这种残余应力作用来改善破碎质量,从而达到降震的目的。

2)合理微差时间的确定

    所谓的合理微差时间通常指在微差爆破中,在爆破介质一定的情况下,当延迟间隔时间为某一定值时,振动强度才最小,当偏离这一最佳值时,爆破振动强度便增大,这一最佳值既是合理微差时间。目前,干扰降震法是爆破抗震中应用最广泛的手段之一,其基本原理是将可能引起较大振动的爆破药量分成若干份,在保证正常施工的前提下,通过选择最佳微差时间来确保爆破振动最小,其中微差爆破技术就是采用这种原理提出的。近几年来,有不少学者开展了这方面的研究,其中最著名的是Langforse提出的干扰降震理论[45],即t =(2n-1)T /2T为震波的周期,n为整数)时各部分药包的爆破振动效应出现干扰相减,而t =nT时爆破振动效应相互加强;此外,陈士海等发现,在爆破近区两段的波峰相距较远,间隔明显,且此间隔随着爆心距的增大而减小,认为两段的间隔时间最好大于100ms[46];魏宏轩通过对煤矿炮采工作面微差爆破机理的深入探讨,得出了炮采工作面微差爆破合理起爆时差的计算方法[47],乔卫国等利用模糊数学理论对合理微差时间的确定进行了多因素综合评价, 实现了爆破参数确定的定量化,并得出微差爆破采煤的最佳微差时间为10 ms [48]Anderson通过大量的工程爆破资料总结出了微差延期时间与振动频率的关系,并将两者的关系用灰度图表示,据此可避开受控对象自振频率的情况下合理选择微差延时时间[49]。但此方法计算误差高达28%;高文乐等对段间时差分别为25ms75ms100ms的硐室大爆破进行了研究,认为硐室大爆破采用普通毫秒爆破技术降低爆破振动的问题尚需进一步研究[50];各种合理微差时间计算方法能得到具体的微差时间,但对同一问题按照不同的计算方法得到的结果往往相差较大,使得微差时间的确定非常盲目,最佳微差时间的选取仍是干扰降震法研究的核心。

研究表明[51~54],爆破振动强度主要与装药量、爆心距及爆破场地有关,且以最大段药量的影响最大(尤其在微差爆破中);此外,能够实现人为控制的最有效手段就是控制装药量。因此,沿用干扰降震原理将总药量分成若干份,这样一次爆破规模就会扩大若干倍而不会产生大的振动从而达到降震的目的,此方法在文献[55]中被称为单段单独作用原理

实践证明,微差爆破技术已成为降低爆破振动效应,合理利用爆炸能的最主要手段,而合理微差时间的确定是实施这一技术的关键。然而由于炸药性能、装药结构、介质性质、地质条件等诸多复杂因素的共同作用,特别是在起爆过程中发挥至关重要作用的起爆器材的精度问题,使得微差时间的确定成为困扰爆破界的一大难题。

2.3.2 改变爆炸参数

大量时间资料表明,减小爆破振动强度除了控制最大段药量外,还与爆破时采用的爆炸参数有关系,如炸药的性质、炮孔直径、孔间距、排间距、装药结构、起爆方法、起爆顺序和起爆方向等参数。但采取改变爆炸参数来达到降低爆破振动效应的效果是很有限的,实际生产中往往会受到限制。

1)选用低威力、低爆速的炸药

实践证明,低威力、低爆速的炸药,对于产生的爆破地震效应要小得多。例如,若能设法使2号岩石硝铵炸药的爆速从3200m/s降低到1800m/s时,其地震效应可以降低40%~60%

2)改变装药结构

实践证明,在药量相同的情况下,在钻眼爆破中采用小直径的不耦合装药和在大爆破中采用空室条形药包,都比集中装药有明显的降震作用;装药越分散,地震效应越小;排成一排的群药包,在药包中心的连线方向比垂直方向降震可降低25%~45%[9]

不耦合的作用是利用药包和孔壁之间存在的空隙,以降低炸药爆炸后,爆轰产物作用在孔壁的初始应力,使孔壁不压缩破坏[56],由于岩石抗拉强度远小于其抗压强度,所以,爆破后产生的冲击波张拉应力,仍然可以使炮孔周围产生径向裂缝。实际上,因为预裂孔间距较小,以及相邻孔的存在和同时起爆的条件等因素的影响,致使爆破后孔周围很少产生径向裂缝,而是如同应力集中那样沿孔中心线形成的一条预裂缝隙。显然,这是不耦合作用和合理布置炮孔的结果[57]

3)应用预裂爆破

预裂爆破是在未进行正式大爆破工程前,预先在爆破体与保留体之间,钻一排或两排不装药孔??减震孔。孔径一般为35~60mm,孔距为25mm,可降低地震危害30%~50%。如采用预裂爆破,先炸出一条裂缝,效果会比钻减震孔更佳,主要原因是预裂缝或预裂破碎带能使爆炸应力波在此处产生反射,强有力地减弱透过裂缝面的应力波强度,从而起到减震的作用。预裂爆破技术在提高边坡稳定性和降低爆破地震效应等方面显示出了一系列的优点,并引起了国内外研究者的普遍关注[57]

4)开挖临空面和减震沟

实践证明,在被爆体周围开挖临空面和减震沟能有效的阻隔甚至切断爆破地震波的传播途径,降震效果显著。每增加一个临空面,其地震危害可降低10%~15%。如被爆体周围是土介质时,可在被爆体和保护物之间的适当位置开挖一条沟槽,即减震沟槽,可降低地震危害50%。减震沟槽的减震效果随减震沟深度的增加而增大,而减震沟槽宽度的变化对减震效果影响不大。开挖面距离减震沟越近,减震效果越好。在保护区侧减震沟槽附近,由于减震的屏蔽作用,存在一个震速很小的区域。当减震沟槽的深度和开挖面与减震沟的距离一定时,炮孔越深,减震效果越差,所以要根据工程实际需求来确定减震沟和炮孔深度[58]

5)增大孔底距、减小抵抗线

增大孔底距、减小抵抗线,可以使应力降低区处于固体介质之外的空中,炸药的爆炸能主要用于破碎岩石,从而有利于减小大块的产生,并降低爆破地震效应。

上述方法除干扰降震法外,均属于被动控制范畴,在实践中往往受到如场地条件等因素的制约而影响其应用效果。干扰降震法则属于主动控制范畴,良好的降震效果使其成为降低爆破振动强度的最主要手段。实现干扰降震的核心和焦点是以合理的微差时间实施分段微差爆破,国内外许多学者对此进行了大量探索性的研究,并提出一系列的确定微差时间的原则和方法。例如,从纯理论角度出发,通过模拟震源的时域源函数建立微差爆破预测模型来优化微差延时时间[59];从工程实际应用经验出发,通过总结大量微差爆破工程的经验,得出基本适合各自实际的半理论半经验的微差时间优选模型[60]。然而由于炸药性能、装药结构、截止性质、地质条件等诸多因素的复杂性,以这些纯理论或半理论半经验模型计算得出的微差时间往往彼此间相差很大。特别是在实现微差延时爆破中起决定作用的起爆器材的精度问题,使得微差时间的确定和控制带有很大的盲点。

2.4

1)本章围绕爆破振动信号的三大特性及爆破施工中通常面临的施工难点,总结出了影响爆破振动的诸多因素,并阐述了各因素对振动信号的影响,可为实施爆破预测和爆破控制提供一点参考。

2)基于非线性数值分析思想,提出一种提高爆破振动峰值速度计算精度的方法,并借助MATLAB编程对其内部参数进行拟合求解。工程实践证明,此种优化方法明显优越于传统的萨道夫斯基经验公式和线性分析方法修正的萨氏公式,使爆破预测精度得到提高,进而为工程的防震减灾提供了更加可靠的依据。

3)对于每一个工程场地都存在一个最佳的装药量与爆心距的指数比例,而并不是《爆破安全规程》中的萨道夫斯基公式规定的1/3

4)总结了国内外在爆破控制方面的研究现状及工程经验,为下一步科学有效的实施爆破控制奠定了基础。

 







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