爆破及其振动力学分析

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第1章 绪论
　　钱学森先生十分关注爆炸工程，他说：“爆炸的好处是威力大，而尤以功率极大为其特点。1吨黄色炸药爆炸的能量折合成4.2×109J，而其爆炸时间则为10–3s，功率达4.2×109kW，即42亿千瓦。所以爆炸的好处是能‘毕其功于一役’！速度极高。同样的人力，用其他方法，不用机器，也许得干十年，用机器得干一年，用爆炸也许一个月(连打眼、放炮、清除)就行了；爆炸(作者注：在这里，钱先生讲的爆炸指的就是爆破)的缺点是不好控制，好像是破坏力！但那是因为我们还没有掌握它，有种神秘感。一旦掌握了规律，那同样是可以控制好的。”
　　爆破就是利用炸药爆炸瞬间释放的能量破坏周围的土和岩石质，达到开挖、填筑、拆除或开采石料等特定目标的技术手段。
　　炸药在很短的时间里完成爆轰，生成大量气体，同时释放出大量热量。1L固体炸药爆炸生成约1000L气体产物。由于反应速度极快，所以气体产物在爆炸反应结束的瞬间，实际上还限制在炸药的原有体积内，也就是说，约1000L气体被压缩在1L体积内。爆炸释放出的大量热量把气体产物加热到2000~4000℃，压力达到几万到十几万标准大气压。高温高压气体作用于周围的岩石，在介质中产生很强的冲击波，冲击波把一部分爆炸能量传给介质，使之产生运动、变形和破坏。另外，在有自由面存在的条件下，气体向外膨胀，使药包到自由面间的岩石进一步破坏并加速运动，突出地面形成鼓包。当鼓包破裂时，还有一部分气体从裂口喷出，使一部分能量散逸到空中。
　　炸药的能量是在瞬间释放出来的，这些能量到哪里去了，如何控制和充分有效地利用它们是我们关心的问题。
　　现代工业、现代交通建设的发展都离不开土木开挖工程，矿山爆破是土石方开挖工程中常见的施工手段。炸药爆炸的能量有多少用于岩石的破碎？如果把大量土石方爆破抛掷到一定距离，有多少炸药的能量能被利用呢？
　　爆破时总有一部分能量在地层中传播，引起邻近地面的振动。爆破地震波的能量对邻近建筑物的安全有多大危害？如何减少爆破和振动的危害？我们需要关心炸药爆炸的能量分配问题。
　　20世纪70年代，郭永怀先生曾经有过平地爆破堆山的设想。在平地定向爆破试验研究中为探索合理的药包布置方案，我们选择廉价的炸药，研究了不同炸药的抛掷能力，试验结果说明炸药爆炸用于抛掷的能量仅是炸药能量的百分之几。为研究爆破作用机理，我们通过室内模型试验利用电磁法测定土中球形药包爆炸时的质点速度，分析爆炸气体膨胀对外做功的过程，试验结果说明用于介质变形和破坏的能量为炸药能量的60%~70%。
　　爆破作用机理的研究成果说明要充分利用炸药爆炸对岩石的破碎作用，尽量不要用炸药爆破去抛掷岩石。国家“七五”科技攻关项目“定向爆破滑动筑坝”课题的提出就是要充分利用炸药爆破的破碎能量，利用高差大的山坡地段通过爆破使爆破漏斗内的岩石移出漏斗到山坡面滑动，在山坡谷底堆积形成坝体。这样减少了大量炸药能量的浪费，也减少了对环境的危害影响。
　　如何改进钻孔爆破技术，提高矿山炸药能量利用率对于减少炸药用量具有重要意义。爆破作用下岩石的变形、破坏和移动程度取决于岩石的力学性质、爆炸载荷本身及问题的几何条件。只有了解爆炸载荷的特征及在爆炸载荷作用下岩石的一些特殊性质，才能充分利用炸药能量改善矿山爆破效果。
　　炸药的一部分能量用于破碎岩石做功，一部分能量转化为岩石中的应力波；总有部分能量经地面传播产生振动。爆破所引起的地震波是由应力波转化而成的，其特点是距离爆破源较近，高频振动成分比较丰富。随着地震波传播，高频成分逐步被吸收，而且持续时间较短，传到较远的地方后，无论速度还是加速度其幅值都很小，因此一般来说，爆破所引起的振动，在一定距离以外所造成的危害很小。
　　炸药在工业上的应用范围随着人们对炸药性能和主要爆破作用的认识不断深化而扩大，控制炸药的巨大爆破能量作为一种施工手段已成为现代技术的一部分。利用炸药爆炸对土岩体的爆破作用进行开挖、切割或破碎岩石是矿山生产和土木工程施工中的重要手段之一。根据不同的施工目的进行的不同爆破作业已被称为专门的爆破技术，如定向爆破、预裂爆破、光面爆破、水下爆破等。拆除爆破技术是指在建筑物密集的城市或室内进行的爆破作业。这种爆破技术是利用少量炸药把需要拆除的建筑物或构筑物，或是某一部位按所要求的破碎度进行破碎拆除，同时要严格控制爆破可能产生的损害因素，如振动、飞石、噪声，保护周围建筑物和设备的安全。
　　第二次世界大战后，为清除战争带来的大量废墟，重建那些被破坏了的桥梁、大楼和房屋，许多欧洲国家用炸药爆破作为一种拆除清理废墟的方法。当时一般采用军用TNT炸药与战争时期的爆破技术和药量计算方法。因为周围都是受战争破坏的建筑物，无所谓保护问题。这种拆除爆破谈不上有什么控制或要求，炸倒算数。在城市重建之后，爆破技术转向工业采矿、采石，为提高生产效率，加快了爆破的技术研究工作。重建后的许多工业日益发达的国家和地区(如东欧、西欧、美国)的大量农村人口涌入城市，这就必须改建城市中的老区，拆除旧的建筑物，建设更多的楼房。为使城市现代化，城市设计规划者不得不做出拆除大量旧房子的决定，有的是成片地进行拆除。
　　由于城市建设总是在不断更新，相应的建筑工业技术也得到不断发展，这些发展包括快速扩建和改建工业厂房设施以及更新一些宿舍和公寓、桥梁。在有些情况下，一些旧有建筑物必须拆除以便在原地新建。对人工、机械、爆破不同施工方法作了比较后发现爆破方法往往是最容易被采用的，特别是对那些不仅高大而且强度较高的建筑物。从时间和费用方面来看，爆破方法拆除是最可行的快速施工方法。许多旧建筑物采用爆破法拆除的效果使越来越多的人乐意接受并称赞这种新技术。
　　中国改革开放40余年来，随着大量基础设施的更新，快速交通干线的建设，全国城市化建设更新改造，废旧厂房设备或是楼房拆除的工程项目日益增多。我国爆破工程师结合工程施工，进行了大量的科学研究。分析了不同建(构)筑物在爆破作用下的失稳、解体、倒塌机理和构件破碎过程。提出了在不同结构和环境条件下可以采用的不同的倒塌爆破拆除方案。利用导爆管塑料多通道连接插头、连通管及四通传爆元件、导爆管激发器，以及非电导爆管网路式闭合起爆网路保证了大规模起爆网路的实现和拆除爆破的成功。一次大型建筑物的拆除爆破往往需要设计安置数千个药包，需要采用数千发雷管并相应分区分段地进行延期起爆，大量拆除爆破工程的实施促进了起爆技术的发展和应用。
　　1999年2月上海市联合爆破公司成功地拆除了位于上海市中心地段的长征医院16层的高楼。爆破效果达到了设计预定的目标。据不完全统计，在中国，每年都有近千座建筑物、数千座烟囱是采用爆破方法拆除的，控制爆破拆除技术在中国城市更新和改造建设中发挥了重要作用。
　　建筑物爆破拆除时，周围建筑物产生振动的原因，一是被拆建筑物中安置的药包爆炸所产生的振动波，二是由于建筑物拆毁塌落解体对地面撞击造成的地层振动。随着高大建筑物拆除项目的增多，建筑物爆破拆除后塌落至地面撞击造成的地面振动引起了人们的重视。显然，这种振动作用不宜简单地和爆破振动的大小相比。对于同一建筑物，不同的爆破拆除方案，拆毁后的解体尺寸和下落次序都会在不同程度上影响塌落时的地面振动。当然，好的设计方案可通过合理布药、控制结构物拆除的解体尺寸来减小塌落时的振动。显然，建筑物塌落至地面的撞击作用造成的地面振动与它的体量和下落高度有关。通过量纲分析，作者提出的建筑物爆破拆除时塌落振动速度的计算公式揭示了爆破拆除设计的技术原理。建筑物爆破拆除时的塌落振动强度与结构的解体尺寸和下落的高度，以及构件的材料性质、地面土体性质有关。为了减小对地面的撞击作用，控制下落建筑物解体的尺寸十分重要，逐段延迟爆破可以控制下落物体的质量；尽管建筑物的总体高度不能改变，但可以通过设置上下缺口分层爆破，控制先后下落的解体构件的大小；改变地面覆盖状态也可以减小振动的影响范围。作者提出的建筑物塌落振动速度计算公式已被国内外爆破工程师广泛用于爆破拆除工程设计计算。本书在详细介绍了爆破拆除技术原理及有关设计原则后，还列举了作者参与设计的拆除爆破工程技术设计及振动监测结果。
　　列车振动的危害现在已引起人们的重视，列车振动对环境的影响，特别是对文物建筑的影响将越来越受到人们关注。我们知道，和地震、爆破作业一样，轨道交通运营总有一部分能量会传递到邻近地层中，导致地面振动，过强的振动将导致文物损坏。和地震、爆破等产生的振动相比较，轨道交通导致的振动有如下特点：轨道交通导致的振动作用是长期存在的；轨道交通导致的振动是重复、反复发生的；轨道交通振动是一种微振动，其作用时间很长。尽管人们已采取了多种减振隔振措施，其振动能量仍能导致邻近地面的振动，从而形成建筑物的响应振动。和分析爆破振动传播一样，我们采用无量纲参数组合，分析列车影响地面振动强度的主要因素，研究结果给出了由列车轴动载荷、距离，列车速度组成的比例距离来说明列车振动速度的衰减规律。地面振动速度大小与列车速度有关，列车速度高，对地面振动影响也大；随着距离的增加，振动强度减弱，距离越远，振动速度越小，并且随着至铁路的距离的平方关系而减小，距离相比列车速度或载重量对地面振动的影响更为重要。
　　文物建筑、文化遗产是老祖宗留给后人的宝贵遗产，是全民族、全人类的共同财富，它们不但属于今天，更属于未来。规划好城市发展的未来、建设好现代新城、展现好古代文明是北京、西安等文明古城发展面对的共同课题，要妥善处理好城市发展和文物保护的矛盾。列车运行振动对环境的影响研究不多，本书给出的研究列车振动影响的方法和思路，包括涉及的工程实例，对未来大型城市发展建设，高铁、地铁建设线位设计规划，文物建筑等文化遗产保护都有重要的指导意义。
　　1.1 爆破的基本概念
　　1.1.1 单药包爆破的基本现象
　　如果把一个1kg的药包埋在地平面以下1m深的土中，点火起爆后，就可以看到药包上边的土被炸成碎块并抛散到空中，然后这些碎土块又回落到地面上。结果，在原来埋置药包的地面上形成了一个坑，这就是单药包爆破时的基本现象。因为爆破形成的坑的形状像漏斗，所以把爆坑叫做爆破漏斗。药包在地面下的埋置深度称为最小抵抗线。
　　在实际爆破工程中，有的需要炸成一定形状的漏斗，如开挖渠道、水池等；有的需要挖取一定的土石方量，如采石；有的需要把土或岩石抛掷到一定位置，如定向爆破搬山造田、筑坝等。因此需要了解爆破时土岩体的运动情况，以及爆后形成漏斗的大小和爆破的破坏范围。
　　图1.1.1是在黏土中单药包爆破地面中心点的速度变化曲线。最小抵抗线W=1.5m，球形装药半径r0=15.5cm，装药密度.=1g/cm3，比例埋深W/Q1/3=0.6m/kg1/3，Q为炸药量。我们看到起爆后，t0时地表开始运动，在几十毫秒内，以上百g的加速度迅速上升，并达到最大速度vm，可达几十米每秒。在t0~tm十几毫秒内地表减速上升。然后是一等速上升阶段。根据高速摄影资料，在tb以后，地表运动鼓包破裂，爆炸气体冲出。爆破岩块在重力场作用下飞散并回落。
　　图1.1.1 土中单药包爆破鼓包顶点速度-时间曲线
　　Knox曾在引用一次近500t炸药、埋深38.2m的药包爆破地面中心点速度曲线时给出了早期鼓包表面运动的加速度阶段，说明在形成漏斗的爆破中，压缩应力波在到达自由表面反射成拉伸波后产生了破坏作用。起爆后0.12s，岩石运动最大速度为21.3m/s(图1.1.2)，之后有一减速过程。大约在0.35s时，由于药室空腔内高压气体作用，地表做第二次加速度运动，最大速度达到40~50m/s。气体加速在爆破漏斗形成过程中起主要作用。
　　图1.1.2 一次近500t炸药爆破时鼓包顶点速度-时间曲线
　　从上述描述地表运动的一般特征中，可以看到地面产生显著位移是在爆炸气体产物作用下的加速过程，这一阶段的运动特征对爆破形成的可见漏斗尺寸和抛掷堆积形状具有十分重要的意