爆破振动综合减震措施的减震效应研究*

邹 烽，席 田，胡业红，谢 文，何 梦，高凤琴，诸 洲，张建经

(1.中核华辰建筑工程有限公司，陕西 西安 712000；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

作为爆破4大公害之一，爆破振动经常对施工场地附近建(构)筑物、边坡等产生严重危害，如何有效控制爆破振动是爆破作业必须考虑的问题[1-2]。为有效控制爆破振动对建(构)筑物产生的不利影响，工程技术人员根据被保护对象的相对位置和实际情况，分别针对爆源、传播过程和保护对象采取控制措施。其中，针对传播过程的控制措施最为关键，涉及如布置减震孔、预裂爆破以及开挖减震沟等[3]。

减震孔、预裂缝和减震沟可视为爆源与建(构)筑物之间的隔震屏障，当爆破地震波遇到隔震屏障会发生波形转换、透射、绕射、反射等现象，使地震波能量大幅衰减。周建敏等[4]通过现场爆破试验和数值模拟方法研究缓冲孔对爆破振动速度峰值和主振频率的影响，并采用小波包分析各频带能量分布的变化；孙崔源等[5]分别对单排和双排减震孔的减震效果开展试验研究和数值模拟，发现单排和双排减震孔对K值的降低率分别为16.8%，25.8%；饶宇等[6]通过现场边坡开挖爆破试验研究预裂缝对主爆孔振动能量传播及其频谱特征的影响，发现预裂缝存在高频滤波作用。王利军等[7]研究发现减震沟的减震效果与其长度和深度有关，合理的减震沟深度应当等于炮孔或者更深；Bose等[8]分别建立二维和三维含减震沟场地有限元模型，研究减震沟几何尺寸、填充材料类型、荷载条件等因素对减震沟隔振效果的影响；Jayawardana等[9]建立双排减震沟有限元模型并对其隔振效果进行参数分析，研究表明可以采用深度较浅的双排减震沟替代1个深度不切实际的单排减震沟。现有研究关于隔振措施仅适用于爆破区与保护对象间具有充足距离的情况，工程实际中往往会遇到因为爆破区距离保护对象较近而无法设置双排或多排隔振措施的情况，目前还没有找到减震良好、施工便捷、造价低廉的减震措施[10]。

对于深孔爆破而言，在岩石场地中开挖和炮孔深度相当或更深的减震沟比较困难，由于减震孔施工方便、造价低，综合考虑减震沟的降震效果以及减震孔的施工便利性，本文提出将减震沟和减震孔相结合的综合减震方法，为比较不同措施减震效果，通过ANSYS/LS-DYNA非线性动力分析软件分别模拟无减震措施、减震孔措施、减震沟措施以及综合减震措施4种减震工况条件下的爆破振动效应，从爆破振动速度、频率以及应力云图3个方面对不同减震措施的减震效果进行对比分析。

1 工程概况

该基坑爆破开挖工程位于某无人区，地势总体平缓，局部有起伏，具体表现为西高东低。花岗闪长岩为厂址区内主要出露岩性，地表出露多为强风化和中等风化，平均厚度20.96 m。图1为厂区内建筑物和拟爆破区分布图，M-1～M-10为既有建筑物。基坑爆破开挖工程分为A，B，C3个区域，其中A爆破区域距离已建厂房仅5.2 m，需要在爆破区与建筑物之间设置减震措施以减小爆破振动影响。爆破参数选取及药量计算为炮孔直径90 mm，炮孔采用90°垂直孔，炮孔平均深度为7.5 m，垂直平行孔的密集系数为1.2，最小抵抗线为2.5，炮孔孔距为3.0 m，炮孔排距为2.5 m，填塞长度为2.7 m，根据经验炸药单耗为0.35 kg/m3，每个炮孔装药量按每孔爆破石方的体积计算，为19.6 kg。B爆破区已采用垂直高度上一次性大断面爆破，利用中科测控TC-4850测振仪进行6次爆破振动现场监测。根据现场实测数据回归得到萨道夫斯基公式中的系数K和衰减指数α[11-12]，水平径向、水平切向和垂直向的爆破振动速度衰减公式见表1。爆破地震波的震源机制和波形特征不同于天然地震波，爆破地震波具有幅值大、衰减快、震动频率高、主震段持续时间短等特点。

图1 爆破区域分布示意

表1 爆破振动速度衰减公式

2 减震措施数值模拟

2.1 计算模型的建立

选用ANSYS/LS-DYLA软件中的Solid164体单元建立数值计算模型。综合考虑模型尺寸、单元数量以及计算机性能，以炮孔直径为对称轴，取模型长度方向的1/2进行分析计算，计算模型尺寸设置为12 m×6 m×6 m。数值计算模型中主要涉及岩石、炸药和空气3种材料，其中岩石采用Lagrange算法，炸药和空气采用ALE算法[13]。为更好地模拟应力波在岩体内的传播过程，在模型上表面施加自由边界条件，剖面施加对称边界条件，其余各面均施加无反射边界条件。计算模型中炮孔直径为90 mm，孔深6 m，堵塞段长度1 m。为更好地对不同减震措施进行对比分析，忽略减震沟以及减震孔所在位置影响，统一将其设置在与炮孔水平距离为3.5 m处。无减震措施、减震孔措施、减震沟措施以及综合减震措施的计算模型如图2所示。其中，图2(b)中减震孔深6 m，直径100 mm，孔间距0.3 m，排距0.3 m；图2(c)中减震沟长3 m，宽1 m，深2 m；图2(d)中减震孔布置在减震沟底部，减震沟长3 m，宽1 m，深2 m；图2(d)减震孔深4 m，直径100 mm，孔间距0.3 m，排距0.3 m。为更好地分析4种减震工况条件下的爆破振动效应，在距离炮孔中心5，6，7，8，9，10，11 m处沿模型长度方向标记7个点，从前往后分别记为A～G。

图2 不同减震措施的数值分析模型

2.2 材料参数选取

本文数值模拟主要涉及岩石、炸药和空气3种材料，由于模拟是爆破过程，在ANSYS/LS-DYNA材料库中进行选择时，应考虑对应材料满足大变形的特点。岩石材料模型选用ANSYS/LS-DYNA程序中的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，其具体参数见表2。炸药材料模型用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型描述，并采用其对应的JWL状态方程来模拟爆炸荷载，炸药材料参数见表3[14]。空气材料参数定义为*MAT_NULL材料模型，空气材料参数见表4。

表2 岩石材料参数

表3 炸药材料参数

表4 空气材料参数

3 模拟结果分析

为验证分析模型的正确性，将数值模拟计算得到的振动速度与现场监测振动速度衰减公式得到的结果进行对比，结果见表5，数值模拟计算值与现场监测回归值较为接近，相对误差为7.47%～10.64%，随爆心距增加，相对误差逐渐增大。

表5 爆破振动速度对比

3.1 时间历程分析

为研究无减震措施、减震孔措施、减震沟措施以及综合减震措施4种减震工况条件下的爆破振动速度变化规律和减震效果，分别提取距离炮孔5，6，7，8，9，10，11 m处水平径向和垂直向的质点振动速度时程曲线以及各条曲线的峰值质点振动速度。限于篇幅，仅给出距离炮孔中心5，11 m处的水平和垂直向振动速度曲线如图3所示。

图3 4种减震工况条件下的水平向和垂直向振动速度时程曲线

由图3(a)～(b)可知，在主振区(2 000～4 000 μs)范围内，综合减震措施、减震沟措施和减震孔措施的水平径向质点振动速度均小于无减震措施，其中综合减震措施的水平径向质点振动速度相对最小，减震孔措施的水平径向质点振动速度略小于无减震措施。减震孔措施的水平径向质点振动速度曲线变化规律整体与无减震措施一致，而减震沟和综合减震措施的水平径向质点振动速度曲线在一定距离外与无减震措施存在显著差异。由图3(c)～(d)可知，在主振区范围内，4种减震工况的垂直向质点振动速度和水平径向质点振动速度具有相同的变化特征，即综合减震措施的垂直向质点振动速度减小幅度相对最大，减震孔措施的垂直向质点振动速度减小幅度相对最小。

3.2 峰值振动速度分析

以减震率作为评价指标研究不同减震措施下的减震效果。减震率定义为无减震措施与减震孔、减震沟以及综合减震措施的峰值质点振动速度差值与无减震措施在该测点处的峰值质点振动速度的比值，如式(1)所示：

(1)

式中：Ve为无减震措施的峰值质点振动速度；Vu为减震孔措施、减震沟措施或综合减震措施的峰值质点振动速度。

4种减震工况条件下峰值振动速度和减震率的变化规律如图4～5所示。由图4可知，无减震措施、减震孔措施、减震沟措施以及综合减震措施条件下的水平径向质点振动速度均随测点水平距离的增加而减小，当测点距离为11 m时，4种减震工况的质点振动速度相差较小；在测点距离为11 m处，4种减震工况的减震率均在0点附近，变化较小。减震沟措施条件下，该点的减震率为-2.04%，说明此处的水平径向质点振动速度相较无减震措施略有增大。综合减震措施对水平径向质点振动速度的减震效果最佳，减震率最大达81.91%。

图4 4种减震工况条件下的水平径向峰值振动速度和减震率变化规律

由图5可知，4种减震工况条件下的垂直向质点振动速度变化规律与水平径向大致相同。对于垂直向质点振动速度，综合减震措施仍具有相对最佳的减震效果，减震率最大达75.74%。当测点距离为10 m时，减震沟和综合减震工况的减震率分别为-5.15%，-4.98%；当测点距离为11 m时，其减震率分别为-11.92%，-10.04%，说明减震沟的存在导致减震沟后一定距离处垂直向质点振动速度增大，存在减震沟分区效应。由于减震沟的存在阻隔了爆破地震波(面波和体波)传播，在减震沟后一定范围内(约5倍沟深)的质点振动速度显著减小，减震效果明显。爆破应力波遇裂隙或沟槽会产生绕射现象，在减震沟后一定距离处发生波场叠加，地震波能量被放大，从而产生振动速度增大现象。当设置减震沟对临近建筑物进行保护时，应控制减震沟的位置使建筑物位于速度增大区以外。

图5 4种减震工况条件下的垂直向峰值振动速度和减震率变化规律

3.3 振动频率分析

为分析无减震措施、减震孔措施、减震沟措施以及综合减震措施对爆破地震波传播特性的影响，分别对5，6，7，8，9，10，11 m处的振动信号进行傅里叶变换，对爆破振动信号频谱进行分析[15]。限于篇幅，图6仅给出5，11 m处的水平径向和垂直向爆破振动速度傅里叶谱。

由图6(a)～(b)可知，在减震沟和综合减震工况条件下，当测点距离减震沟较近时(5，6，7，8 m测点处)，水平径向地震波中的高频成分被过滤，低频成分幅值显著降低，振动主频向右偏移。说明减震沟对一定范围内的水平径向爆破地震波存在高频滤波和低频升频作用。但当测点距离为9 m时，4种工况的傅里叶谱较为接近，无高频滤波作用，减震沟和综合减震工况仅存在低频升频作用。当测点距离为11 m时，有减震措施和无减震措施的傅里叶谱已无明显变化。由图6(c)～(d)可知，当测点距离为5 m时，存在减震措施的垂直向地震波的高频成分被过滤，低频成分幅值降低，振动主频向右偏移。减震沟和综合减震工况相比于，减震孔工况对地震波频谱成分的改变更加明显，减震孔对爆破地震波的振动主频基本无影响，仅存在高频滤波作用。当测点距离为7，9，11 m时，有减震措施和无减震措施的傅里叶谱已无明显变化。综上，减震沟和综合减震措施均有较好的减震效果，但综合减震措施由于减震孔的存在，对爆破地震波高频成分的滤波作用优于减震沟措施。

图6 4种减震工况条件下的水平向和垂直向傅里叶谱对比图

3.4 应力云图对比分析

柱状药包起爆过程中，随爆轰进行，其应力荷载从下往上依次作用于炮孔附近岩体，炸药爆炸产生的应力波以柱面波的形式向平行于模型上表面(自由面)的方向传播。t1，t2时刻分别表示炸药药包爆炸产生的应力波波阵面在通过各减震措施前后对应时刻。图7～10分别为无减震措施、减震孔措施、减震沟措施和综合减震措施4个工况的数值模型在t1时刻的应力云图，图11～14为各工况数值模型在t2时刻的应力云图。

图7 t1时刻无减震措施工况应力云图

图11 t2时刻无减震措施工况应力云图

图12 t2时刻减震孔措施工况应力云图

由图7～11中无减震措施工况的俯视图可知，当应力波在均匀的岩石介质中传播时，应力波波前为光滑的圆弧形。由图8～12可知，当应力波到达减震孔位置处，其在减震孔孔壁发生绕射、反射和透射，减震孔干扰应力波的传播，使应力波波前形状不再是光滑的圆弧形。对比图11～12可知，在同一时刻采用减震孔措施的应力云图中，应力波波前的传播速度明显滞后于无减震措施。由图9和图13可知，减震沟的存在有效阻隔和干扰应力波的传播。减震沟作为连续屏障，其反射系数较大，当应力波传播至减震沟位置处，入射应力波的大部分能量转化为反射应力波。

图8 t1时刻减震孔措施工况应力云图

图9 t1时刻减震沟措施工况应力云图

图13 t2时刻减震沟措施工况应力云图

图10和图14分别为t1、t2时刻综合减震措施工况下的应力云图，综合减震措施作用下，其应力波能量衰减明显加快。对于综合减震工况，其上部减震沟使部分入射应力波的大部分能量转化为反射应力波，其余部分的入射应力波则通过减震沟两侧和减震沟底部产生绕射现象，继续向前传播。然而，综合减震工况下部的减震孔会继续阻碍应力波的传播，进一步削减应力波能量，从而保护隔震屏障后方建(构)筑物安全。综上，综合减震措施有良好的减震效果，并且其施工难度相较于开挖同样深度的减震沟容易很多。

图10 t1时刻综合减震措施工况的应力云图

图14 t2时刻综合减震措施工况的应力云图

4 结论

1)通过对比4种减隔震措施发现，主振区范围内综合减震措施在水平径向和垂直向上的减震率相对最大，分别达到81.91%，75.74%。减震沟的存在阻隔爆破地震波传播，在减震沟措施和综合减震措施作用下，减震沟后一定范围内(约5倍沟深)的质点振动速度明显减小，减震效果显著。

2)减震沟对一定距离范围内(约4倍沟深)的水平径向爆破地震波存在高频滤波和低频升频作用。当超过该范围时，减震沟和综合减震工况仅存在低频升频作用。减震沟和综合减震措施减震效果较好，但综合减震措施由于减震孔的存在，对爆破地震波高频成分的滤波作用优于减震沟措施。

3)综合减震工况下，其上部减震沟使部分入射应力波转化为反射应力波，其余部分入射应力波通过减震沟两侧和减震沟底部产生绕射现象继续向前传播；综合减震措施下部减震孔会继续阻碍应力波传播，进一步削减应力波能量，从而达到保护隔震屏障后方建(构)筑物安全的目的。