爆破振动有害效应的预防和控制

爆破振动有害效应的预防和控制

摘要：爆破有害效应对建筑物的破坏，主要是通过爆破振动产生的力效应和应

变效应作用造成的。为研究工程爆破中爆破振动有害效应的产生，减少爆破振动

有害效应对周围建筑物和重要设备设施的影响和破坏，结合爆破振动产生的原因、爆破振动特征。从爆破振动的作用机理原理出发，针对爆破振动有害效应的预防

和控制方法进行了研究和探讨，提出了减少爆破振动破坏作用的有效措施和方法。

关键词：爆破振动；有害效应；预防；控制

引言

在工程爆破施工中，单个药卷爆炸后，在以药卷为中心的一定范围内，岩石

的破坏特征随距离药卷中心距离的不同而发生明显的变化。根据研究表明，工程

爆破中能量的有效利用率仅仅至占炸药总能量的10%～15%。也就是说炸药产生

的能量仅有一小部分是做了有用功，大部分能量都转化为对药包周围介质的过度

粉碎及产生不利用于人类的有害效应。爆破产生的有害效应主要包括爆破振动效应、爆破飞石、爆破噪声、有害气体。其中爆破振动有害效应尤为突出，特别是

城市浅埋隧道的爆破施工，对周围居民的影响尤其明显。因此，如何在达到工程

目的情况下，采取一定的技术措施，科学地控制爆破振动有害效应，成为了隧道

爆破工作者亟需攻克的难题。笔者将依据精细爆破的相关理念，对城市浅埋隧道

爆破施工爆破振动有害效应进行分析，并提出有效的控制措施。

1爆破震动的产生机理

在岩土介质当中，炸药爆炸是一个化学反应，其机理非常复杂，另外还会涉

及很多物理计算。首先，爆炸的过程中，会产生较大的冲击力，冲击荷载会在岩

土介质当中形成压缩波，这种压缩波进行传播的过程中会导致液体介质出现一定

的塑性形变，最终出现破坏，在爆炸周边产生一个空腔。通过分析发现空腔形成

的过程中主要是爆炸产生的压缩波，在向外传播的过程中对液体介质产生挤压造

成的，这种压缩波在爆炸载荷之间有正相关性。在爆炸的过程中如果在空腔半径

之内释放的能量越大那么会导致该非弹性形变区半径也越大，所以非弹性区大小

主要是爆炸能量产生的，也就是其半径大小最终是由爆炸地震波的强度所决定的。 2爆破振动的特征

1）爆破振动持续时间短。爆破振动由于受爆破器材的延期起爆控制，爆破释放能量时间较短，造成形成的波阵短，与天然地震相比，爆破振动时间几十毫秒

或最多几百毫秒，振动时间都是毫秒级别的，而天然地震都是几十秒甚至几分钟

持续时间较长。

2）爆破振动频率较高。爆破振动的频率基本在5～500Hz。而天然地震的频

率为0.5～5.0Hz，天然地震的频率较低，天然地震的振动频率与一般民用建筑物

的固有频率4～12Hz接近，容易引起建筑共振破坏，破坏力比爆破振动强。

3）爆破振动频率受爆破规模和爆破类别影响较大。爆破规模越大，一次爆破炸药量越大，造成的爆破振动就越接近天然地震，其破坏效果就越大。其次爆破

振动频率还受爆破类别的影响，不同的爆破形式造成的爆破振动效果不同，浅孔

爆破或隧道爆破其主振频率一般为40～100Hz或100Hz以上；深孔爆破的主振频

率为10～60Hz；硐室爆破的主振频率一般小于20Hz；拆除爆破的主振频率一般

在10～40Hz范围内，而且拆除后的建筑物倒塌坠落产生的振动频率与建筑物固

有频率十分接近，因此容易造成周围建筑物破坏，应当给予重视，采取相应措施

进行处理。

4）爆破振动主振频率的传播与介质有着密切关系。介质密实度越大，越坚硬

其振动衰减就越少，传播就越远，相反在裂隙很大、岩石分化严重的区域内，其

衰减就越厉害，因此可以根据此现象对爆破振动采取相应的控制措施。

除以上几点外，爆破振动还与炸药的类型、炸药量、药包形状、自由面数目、爆源远近、地质条件等有关，爆破振动影响因素较多且较为复杂，为了有效的控

制爆破振动，需综合考虑其影响因素，采取有效措施进行预防控制。

3爆破振动控制方法研究

3.1选择恰当的炸药种类

不同种类的炸药，其密度、爆热、爆速、做功能力和猛度等性能指标也不同。而炸药密度和爆速直接决定了该炸药波阻抗的大小。理论研究和工程经验表明，

炸药的波阻抗越接近爆破介质的波阻抗，炸药爆炸后产生的振动强度越大；炸药

的波阻抗大于爆破介质的波阻抗，振动强度也显著增大，反之，则显著减小。因此，在保证爆破效果的同时，尽量选择使用低爆速、低密度的炸药。这样可以显

著降低爆破振动速度。

3.2隧道爆破施工超前地质预报措施

由于爆破区域地貌复杂多样，岩层产状变化较大，需要超前地质预报。

1）超前钻孔探测。在下一循环开始施工之前，在掌子面中心打一超前钻孔，

深度为进尺的2～3倍，孔径可用40mm或更大一点的孔径。以探测掌子面里面

的地质情况，包括岩石性质、是否有弱面和断层、是否有地下涌水洞穴等。以便

下一循环施工采取必要的安全预防措施。

2）地质和支护状况观察。施工时尽量避开雨季，对洞口软弱围岩段采用喷射

混凝土、钢筋网、钢架、管棚和锚杆联合支护，并辅以小导管等超前支护。在隧

道爆破开挖后，由于围岩内力通过爆破破坏后，会重新形成新的应力分布，将引

起开挖及支护面的不断变形。每次爆破后，应及时检查开挖面的变化状况，并观

察岩石的节理走向、围岩硬度、是否有水及岩溶孔洞等一系列可能影响施工的因素，从而确定下一步的支护方法。喷锚支护后，由于受到上部围岩的压力，支护

拱架和喷射砼表面可能会出现裂隙、局部剥落、产生变形等现象，应适时地对喷

射面进行观察，保证隧道的安全施工。

3.3采用毫秒微差起爆技术降低爆破振动

微差爆破，又称毫秒爆破，是一种延期间隔为几毫秒到几十毫秒的延期爆破。由于前后相邻段炮孔爆破时间间隔极短，致使各炮孔爆破产生的能量场相互影响，既可以提高爆破效果，又可以减少爆破地震效应。毫秒微差爆破段数越多，能使

前后起爆的炸药量产生的地震波主震不重叠，选使前后起爆的炸药量产生的地震

波互相干扰，降振效果越明显。微差起爆的振动强度要比齐发爆破降低1/3～2/3。

3.4选择合理的延期时间间隔

毫秒爆破成功降振的关键在于选择合理的延期时间间隔。理论上，当相邻起

爆炮孔的延期时间间隔取爆破地震波主振周期一半的奇数倍时，则会使相邻炮孔

爆破地震波的波峰和波谷相遇，即反向叠加，达到干扰减振的目的；但当相邻起

爆炮孔的延期时间间隔等于爆破地震波主振周期的整数倍时，会造成相邻炮孔爆

破地震波正向叠加，从而增加了爆破振动强度。因此，确定合理的延期时间间隔

是实现减振效果的关键。

研究表明：当相邻炮孔的延期时间间隔大于50ms时，基本可以避免爆破地

震波出现叠加现象。在各分断面对前5段采用跳段使用，使延期间隔时间≥50ms，有效避免了爆破地震波的叠加。