爆破地震波研究及其防护

傅磊张可玉

1.海军潜艇学院研究生队;2.海军潜艇学院防险救生系 266071

爆破地震波研究及其防护

傅磊1张可玉2

1.海军潜艇学院研究生队;2.海军潜艇学院防险救生系 266071

爆破地震波波压低、速度慢，其传播能量仅为爆炸总能量的很少部分，但由其所致周围建（构）筑物的毁伤效果却不容忽视，特别是其低频部分能量引起建（构）筑物所产生的共振，对建（构）筑物能产生致命的毁伤。本文简析了爆破地震波的形成，分类及传播过程，分析了其影响因素，重点探讨了爆破地震波的防护，并提出了其在军事领域的应用。

爆破地震波；防护

1 引言

爆破地震波是爆炸能量引起爆区周围介质点相继沿其平衡位置发生振动而形成的地震波。尽管爆破地震波波压低、速度慢，其传播能量仅为爆炸总能量的很少部分，在岩石和干土中，约为2%～6%，在湿土中约为5%～6%，在水中约为20%[1]，但由其所致周围建（构）筑物的毁伤效果却不容忽视，特别是其低频部分能量引起建（构）筑物所产生的共振，对建（构）筑物能产生致命的毁伤。目前对于爆破地震波的研究主要是在防护方面，目的是为了减小在工程实践中爆破地震的危害。然而，作为具有毁伤效应的爆破地震波，在军事中的运用还并不多见。相关研究证明，将爆炸频谱特性控制技术与目标动力响应相联系，能大幅度提高武器的战斗威力；同时，通过人为增加谱能内耗，主动改造来袭载荷的频谱特性来降低毁伤优势谱能的宏观破坏能力，又可用于提高武器装备及一些防护工程设施的抗爆能力。因此，充分利用爆破地震波的现有研究成果，进一步研究爆破地震效应特别是其频谱特性及调控规律具有非常深远的意义。

2 爆破地震波特性研究

2.1 爆破地震波的形成及分类

当炸药在岩体中爆炸时，一部分能量使炸药周围的介质引起扰动，并以波的形式向外传播。在爆破近区、中区传播的依次是冲击波、应力波，地震波由应力波在传播远区到达界面产生反射和折射叠加而形成，它包括在介质内部传播的体波和沿分层岩石层面传播的面波。体波可分为纵波（P波）、横波（S波）；面波主要有Rayleigh波（R波）和Love波（L波）。

体波具有周期短、振幅小、衰减快的特点；面波特点是周期长、振幅大、传播速度慢、衰减慢和携带的能量大。体积波特别是其中的P波能使岩石产生压缩和拉伸变形，它是爆破时造成岩石破裂的主要原因，其在爆破近区起主要作用；表面波特别是其中的R波，由于它的频率低、衰减慢、携带较多的能量，是造成地震破坏的主要原因，其在爆破远区起主要作用。

2.2 爆破地震波的传播特性及影响因素

由于爆源的复杂性，传播介质的物理力学特性和地形地貌的多变性，使得爆破地震波具有随时间作复杂变化的随机不可重复的特性。文献[2]指出爆破地震波富含各种频率成份，具有瞬态性、随机性和危害性的特征。在传播过程中，波的有关参数和时频特征常与爆源条件、传播介质的物理性质、结构特征及地形地貌等因素密切相关。

对爆破地震而言，爆破地震波参数——幅值、频谱和持续时间能较全面地反映地震波的特性，但其影响因素复杂。概括来说爆破地震波特性主要受爆源和地质地形因素的影响。文献[3]提出爆源的因素包括爆破方法、延期爆破的段间时差、药量以及装药的形状、结构等；齐宝欣等人[4]总结出爆源特性，传播介质特性及局部场地条件三个影响因素，并提出在一定的爆破方式和传播介质条件下，药量和距离对地震动的影响是主要因素。文献[5]从微差爆破、药包埋深和装药形式三方面阐述了爆破地震的影响因素，提出要控制爆破震动有害效应，主要是通过合理选择爆破参数来实现。

以上研究成果表明，影响地震波传播的主要因素在不同的条件下各有不同。在理论研究的基础上，建立合理的数学模型，对爆破地震波的传播过程进行数值模拟计算，然后通过实验数据验证理论计算模型及计算结果，这对工程应用有着重要的指导意义。

2.3 爆破地震波信号分析

通过国内外大量实测结果分析，大致可总结得出以下形式的经验公式：

A=KQmRn

式中

A——反映爆破振动强度的物理量（振动加速度或速度）；

Q——炸药量，kg；

R——测点到爆源中心距离，m；

K、m、n——反映不同爆破方式、地质、场地条件的系数和指数。

爆破地震波是一种短时非平稳随机波形，其复杂性是无法用单一谐波描述的。爆破震动波形可以直观的分析出爆破震动强度的物理量，但像频率的高低，分布情况，能量的大小等物理量从波形图中很难得到。只有经过频谱分析才能获得振动各参量中的各频率成分和分布范围，得到主振幅的频率值。目前进行频谱分析的主要方法有FFT法、小波分析法、HHT分析方法。

3 爆破地震波的防护

3.1 爆破震动安全判据

早期的安全判据制定一般都根据单一强度参数来制定，我国1986年颁布的《爆破安全规程》就是以地面质点振动速度作为安全判据的。但随着爆破技术的深入研究，美国、德国、瑞典等一些国家已经考虑了振动速度和对应频率的综合影响。文献[7]就此问题阐述了同时采用质点振速和频率两个指标作为爆破震动安全判据的必要性、可行性，并介绍了爆破震动频率的计算公式。文献[8]提出应用频响效应原理和药量等级系数评判振动安全。

实践证明：被保护的结构物的破坏是与结构响应有关的多种因素综合作用的结果，它除了与爆破地震引起的质点振动速度、加速度、位移、频率以及持续时间有关外，与结构物本身对于爆破地震波的动力响应特性也有着很大的关系。总体来说，爆破地震效应安全判据正在由独立阈值理论向多因素综合判据发展。

3.2 爆破地震波的防护与利用

为了降低爆破地震效应，国内外进行了长期的探讨和研究。较为普遍的观点认为，降震的目的是解决炸药爆炸能量最大限度利用与爆破地震效应的矛盾。

文献[9]提出从能量源、能量传播介质和能量传播过程三方面，来考虑减少炸药剩余爆炸能量的有害效应。文献[10]从微差爆破实现爆破震动灾害主动控制入手，研究并得到了微差爆破的较优微差延期时间。周国祥[11]等人介绍了缩量减震法、截波减震法、爆源分散减震法及不耦合装药减震法。此外，还有大量关于预裂缝、减震沟等措施的文献，在此不再赘述。

总结起来，对爆破地震的防护主要从两方面着手：一是在传播途径中加以控制，开挖预裂缝或减震沟；二是控制爆破参数及爆破方式等，主要都是在控制爆破地震波的振幅、频率、持续时间以及传播等方面来下工夫。

前已述及，对于在工程爆破而言，人们一般只认识到爆破地震波的危害，从而在防护方面研究较多。而在军事领域，由于近年来军用高能炸药发展缓慢，提高武器爆炸威力的两个手段：增加装药量和提高炸药比威力都受到了制约。因此，人们开始着力于对炸药爆炸能量破坏规律进行研究，通过分析爆破地震波的振动传播规律，了解和控制地震破坏特性，使之应用于对军事目标的破坏。

4 结束语

随着爆炸频谱特性控制技术的问世，长期以来立足于爆炸振动“幅值域”研究的人们，目光已经转向“频率域”的研究。不断深入地研究爆破地震波，实现对爆破地震效应的频谱特性控制，一方面可以使得爆破地震波发挥最大毁伤效能，另一方面又可指导我们加强对重点设施的防护。

[1]钮强编著.岩石爆破机理[M].东北工学院出版社.78-85.

[2]张义平，吴桂义.爆破地震波特性研究[J].矿业研究与开发.2007.27(6): 68-70.

[3]龙 源，冯长根，徐全军等.爆破地震波在岩石介质中传播特性与数值计算研究[J].工程爆破.2000.6（3）:1-7.

[4]齐宝欣，毕 强.工程爆破地震动的研究[J].山西建筑.2008.34（1）：70-71.

[5]郑峰，段卫东，钟冬望等.爆破震动研究现状及存在问题的探讨[J].爆破.2006.23(1)：92-94.

[6]汪旭光，于亚伦.关于爆破震动安全判据的几个问题[J].工程爆破.2001.7 (2):88-92

[7]花刚.爆破震动安全判据浅析[J].爆破.2004.21（2）：98-100.

[8]夏红兵，汪海波，宗 琦.爆破震动效应控制技术综合分析[J].工程爆破.2007.13(2):83-86.

[9]凌同华，李夕兵，王桂尧.爆破震动灾害主动控制方法研究[J].岩土力学.2007.28(7):1439-1442.

[10]周国祥，刘开文，徐东明.爆破震动监测与防震[J].爆 破.2001.18(4): 75-77.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.021

傅磊（1987-），男，海军潜艇学院在读硕士，研究方向为水下爆破装备技术与应用