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摘要 ：本文研究了多边界石方爆破技术在路堑开挖中的应用，并分析了爆破时路堑边坡的动力响应规律和爆破地震波的传播及其衰减规律。研究结果表明：在山岭重丘区公路工程爆破时，爆破地震波的传播、衰减规律与地形条件密切相关；爆破地震波的能量主要集中在低频10~60Hz部分，且主要频域范围随着传播距离的增加而变窄，并向低频方向移动；质点振动加速度波形和速度波形相似，峰值加速度的衰减规律与峰值速度的衰减规律相似但略有不同。
关键词 ： 多边界石方爆破， 动力响应， 振动监测 ，波形分析
Abstract: this paper studies the project boundary blasting technology in the cutting of the application of the excavation, and analyzes the blasting cutting slope when the dynamic response of the law and the spread of blasting seismic waves and decay laws. The results of the study show that: in the mountains of highway engineering blasting authors, the spread of blasting seismic waves, decay laws and the terrain, closely related conditions; The energy of blasting seismic waves mainly concentrated in the low frequency part 10 ~ 60 Hz, and the main frequency range with the increase of the transmission distance of narrow, and the low-frequency; Particle vibration acceleration waveform and speed waveform similar, peak acceleration of decay laws and peak speed of decay laws similar but slightly different.
Keywords: more external boundary blasting, dynamic response, vibration monitoring, waveform analysis
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
一、引言
山岭重丘区公路工程爆破时，微地形变化十分复杂，在爆破设计时，如果仍借用平坦地形爆破经验，不利于提高炸药能量的有效利用率，造成大量富余爆能，对岩体边坡的稳定和周边环境的影响不利。在山岭重丘区运用多边界石方爆破技术[1~3]，在保障爆破效果和边坡稳定的前提下能合理使用炸药。
在爆破过程中，对路堑边坡振动情况进行监测与分析，有助于掌握爆破地震波的强度和频谱结构，了解其传播和衰减规律，推测爆破震动对路堑边坡岩体的损伤程度和边坡稳定性的影响，并检验爆破设计方案的合理性。
本论文将结合北京延庆县西铁路一典型多边界石方爆破工程，在爆破设计时，基于多边界石方爆破药量计算原理和深孔爆破药量计算公式，进行深孔控制爆破，并对爆破现场的震动进行监测，然后分析爆破效果和振动监测结果，探讨多边界石方爆破技术在路堑开挖中的应用研究。
二、背景工程
西铁路[4]位于延庆县东南部山区，道路起于西二道河，终于铁炉村。道路全长15.89公里，为山区三级公路，设计速度为30Km/h。西铁路地处山前区及山岭重丘区。山岭重丘区山脉连绵起伏，沟壑与山峰相依，地形变化大。工程地理位置大部分路段地势陡峻，路线两侧岩体比较稳定。
本次爆破位于西铁路K4+700~K4+760处，该处地形起伏较大，现状地形坡度α=45°~60°，地质表土为亚粘土，土层以下主要由花岗岩组成，花岗岩节理、裂隙发育。路基设计形式為全挖路堑，路基全宽7.5米，边坡设计坡比为1: 0.5，开挖深度为5~20m。
三、路堑开挖爆破设计
（一）爆破设计方案
根据开挖路段的设计资料、周边环境以及工程地质条件，对于全挖路堑，采用沿中心线首先开槽，然后两侧向中间逐排起爆的方法。为了进一步降低爆破振动对路堑边坡稳定性的影响，对于孔深大于12m的炮孔，采用孔内与孔外延时相结合的方法来控制最大段别的起爆药量；临近设计边坡，采用缓冲爆破技术，通过控制孔网参数和单孔装药量，最大限度地减缓主炮孔爆破对路堑边坡的破坏。
（二）深孔爆破参数选择及装药量计算
多边界条件下深孔爆破装药量计算公式为[5]：
(1)
基于花岗岩的物理力学性质和现场试爆，取标准抛掷爆破单位耗药量K=1.6~1.8kg/m3；自然地面坡度α=45°~60°，深孔爆破参数如表1所示。考虑岩体结构的夹制作用，每孔实际装药量应增加10%左右。对于临近路堑边坡的缓冲孔，其与主炮孔的间距取主炮孔间距的0.7倍，药量约为表1中主炮孔药量的一半。
表1深孔爆破参数表
孔深
h/m 孔距a
/m 排距b
/m KF(E，α)
/(kg·m－3) 单孔药量
/kg 堵塞长度
/m
8 2.5 2.0 0.32 13 3.5
10 2.5 2.0 0.32 16 4.0
12 2.8 2.2 0.34 25 4.0~5.0
(间隔装药)
16 3.0 2.5 0.36 43 4.0~5.0
(间隔装药)
18 3.0 2.5 0.38 51 4.5~5.5
(间隔装药)
四、爆破振动监测与分析
（一）爆破振动监测与分析依据
我国《爆破安全规程》[6]及有关的行业技术规范都没有对高边坡开挖的安全判据和标准做出明确规定。本文选用应用较广的安全振动速度阀值法，结合现场工程条件和监测结果，基于顾毅成[7]地面质点峰值振速V与岩土破坏关系的研究成果对边坡的安全稳定性进行类比评价。
另外，本文还将分析爆破地震波的频谱和地面振动加速度情况。频谱分析用于研究爆破地震波特性及其对结构的动力反应方面，地面加速度能和地震产生的惯性力相联系，这对分析路堑边坡在爆破荷载作用下的动力响应规律和边坡稳定性非常重要。
（二）测点布置
本次爆破振动监测点布置在K4+730处，爆破振动监测采用拓普UBOX-5016和中科TC-4850两种型号的爆破振动监测仪，并选用竖向速度传感器记录监测点振动情况。根据爆区周边环境条件以及相关单位的要求，在路堑横断面上边坡沿坡顶方向依次布置四个振动监测点，监测点布置如图1所示。
距离*——指测点到路堑上边坡线与地面线交点P的距离
图1 K4+730断面炮孔和监测点布置示意图 图2质点垂直峰值振速衰减图
（三）振动监测结果及分析
1.质点振动速度分析
4个监测点竖向峰值振速沿着路堑上边坡大致衰减规律如图2所示。其中，监测点3竖向振动速度时程曲线如图3所示。
图3测点3振动速度波形图（距离40m）图4测点3振动速度FFT幅度谱（距离40m）
由图2知，当爆心距在20~30m范围内时，质点垂直峰值振速衰减很快，30~50m范围内，随着爆心距的增大，垂直峰值振速衰减缓慢，并且，距离爆源50m的测点4垂直峰值振速仍然较大，达到了9.3cm/s。笔者认为，这与本次爆破时的地形条件有关。该段路基爆破是典型的多面临空地形，振动监测点布置在路堑上边坡，自然地面坡度较大，约为45°，而且测点4临近山包坡顶，易出现高程放大效应，致使峰值振速在近区衰减很快，在中区衰减缓慢，再则，爆破地震波在山顶上经多自由面反射后叠加也会加大高程放大效应。
现场监测也表明，距离爆源20m处质点震动峰值速度为35.6cm/s，30m处为11.3cm/s 。参照爆破振动速度控制标准[7]，可以推断路堑边坡岩体在0~25m范围内局部有轻微的拉裂破坏现象，且振动的持续时间较短，不会影响边坡整体的稳定性。
2.频谱分析
分析边坡在爆破荷载作用下的动力响应规律，还需要了解和掌握爆破地震动的频率结构，从频域方面来了解爆破地震波的统计特性。对布置在上边坡监测点1~4记录的振动速度时程曲线进行傅里叶变换（FFT），分析频谱结构。其中，监测点3振动速度FFT幅度谱如图4所示。
由分析知，爆破地震波的主要频域范围为10~60Hz，且主要频域范围随着传播距离的增加而变窄，并向低频方向移动。这是因为地震波通过岩体内结构面时高频部分相对低频部分更容易被滤掉，使得地震波高频部分的能量衰减快于低频，高频部分携带的能量逐渐减小，能量向低频域方向集中，主要频域变窄，地震波主频逐渐降低。
3.质点振动加速度分析
为了分析爆破地震波对边坡岩体的影响，还需分析监测点的振动加速度情况。卢文波等[8]认为，爆破震动峰值速度和加速度安全控制标准在考虑了震动频率的影响后，具有等效性。在确定爆破震动速度实测历程曲线本身正确性的前提下，由该实测曲线通过微分来推求加速度历程曲线是完全可行的。为此，本文对监测点的振动速度时程曲线进行微分处理，得到监控点的加速度波形图。图5为4个监测点竖向峰值加速度衰减图，图6为监测点3的加速度波形图。
由图2、图3、图5、图6可知，质点振动加速度波形和速度波形相似，峰值加速度的衰减规律与峰值速度的衰减规律相似但略有不同。对比图2和图5知，当峰值速度在爆心距为30~50m内由于高程效应基本不衰减时，峰值加速度在30~40m内衰减缓慢，而在40~50m内衰减较快。笔者认为，参考徐艳杰等[9]关于加速度峰值与振速峰值的转换关系，爆破振动速度与加速度的峰值统计量间满足下式：
（2）
式中：A(Q,R)和V(Q,R)指加速度和速度峰值的统计量，ωf选用主振频率。因为ωf随着传播距离的增加不断衰减，所以即使速度峰值不衰减，加速度峰值也会衰减，加速度峰值比速度峰值衰减快。
图5质点垂直峰值加速度衰减图 图6测点3垂直振动加速度波形图（距离40m）
4.爆破效果分析
在爆破现场，由于路堑边坡岩体爆破设计充分考虑了地形、地质条件的变化及周边环境因素的影响，采用多边界石方爆破技术，提高了炸药能量的有效利用率，且路堑开挖范围内岩体得到了充分破碎，爆破飞石得到有效控制，爆破未对路堑边坡稳定性构成实质危害。
五、结论
本文研究了多边界石方爆破技术在路堑开挖中的应用，并分析了爆破时路堑边坡的动力响应规律和爆破地震波的传播及其衰减规律，结论如下：
1.在山岭重丘区公路工程爆破时，根据微地形情况采用多边界石方爆破技术，能提高炸药能量的有效利用率，在保障边坡稳定的同时达到良好的爆破效果。
2.多边界石方爆破效果及地震波的传播、衰减规律与地形条件密切相关，当地形坡度较大尤其在山顶上的时候，爆破震动会出现高程放大效应，因此，多边界石方爆破在设计时，要充分考虑高程效应，控制药量，减少其对路堑边坡稳定性的影响。
3.爆破地震波的能量主要集中在低频10~60Hz部分；且主要频域范围随着传播距离的增加而变窄，并向低频方向移动。地震波在岩体中传播的过程中，高频部分被逐渐滤过，高频部分的能量衰减快于低频，主频降低，地震波的能量主要集中在低频，高频部分携带的能量很小。
4.质点振动加速度波形和速度波形相似；峰值加速度衰减规律与峰值速度衰减规律相似但略有不同，峰值速度的高程效应比较明显，加速度的高程效应不大明显，这与地震波在岩体内传播时主振频率降低有关。
【参考文献】
[1] 王鸿渠.多边界石方爆破工程[M].北京：人民交通出版社，1994.
[2] 刘运通,高文学.现代公路工程爆破[M].北京：人民交通出版社，2006.
[3] 陈建平，高文学.爆破工程地质学[M].北京：科学出版社，2004.
[4] 国道通公路设计研究院.西铁路(西二道河-铁路村)道路工程设计资料. 北京国道通公路设计研究院，2008.
[5] 高文学,刘运通.路堑高边坡岩体多边界爆破理论及其应用，岩石力学与工程学报，26(S.1)：3397–3401，2007.
[6] 中华人民共和国行业标准.爆破安全规程（GB 6722-2003）.北京：中国标准出版社，2004．
[7] 顾毅成.成昆线五个大爆破工点爆破震动效应观测报告[M]//史雅语,金骥良,顾毅成.工程爆破实践.合肥:中国科学技术大学出版社,2002:313–328.
[8] 盧文波,赖世骧,舒大强,朱传云.关于爆破震动速度和加速度等效性问题的讨论，爆破，17(S.1)：11–14，2000
[9] 徐艳杰,张楚汉,王光纶等.三峡高边坡爆破荷载确定及动力稳定分析.水利水电技术，1995.5,30(5):29-31
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词 ： 多边界石方爆破， 动力响应， 振动监测 ，波形分析
Abstract: this paper studies the project boundary blasting technology in the cutting of the application of the excavation, and analyzes the blasting cutting slope when the dynamic response of the law and the spread of blasting seismic waves and decay laws. The results of the study show that: in the mountains of highway engineering blasting authors, the spread of blasting seismic waves, decay laws and the terrain, closely related conditions; The energy of blasting seismic waves mainly concentrated in the low frequency part 10 ~ 60 Hz, and the main frequency range with the increase of the transmission distance of narrow, and the low-frequency; Particle vibration acceleration waveform and speed waveform similar, peak acceleration of decay laws and peak speed of decay laws similar but slightly different.
Keywords: more external boundary blasting, dynamic response, vibration monitoring, waveform analysis
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
一、引言
山岭重丘区公路工程爆破时，微地形变化十分复杂，在爆破设计时，如果仍借用平坦地形爆破经验，不利于提高炸药能量的有效利用率，造成大量富余爆能，对岩体边坡的稳定和周边环境的影响不利。在山岭重丘区运用多边界石方爆破技术[1~3]，在保障爆破效果和边坡稳定的前提下能合理使用炸药。
在爆破过程中，对路堑边坡振动情况进行监测与分析，有助于掌握爆破地震波的强度和频谱结构，了解其传播和衰减规律，推测爆破震动对路堑边坡岩体的损伤程度和边坡稳定性的影响，并检验爆破设计方案的合理性。
本论文将结合北京延庆县西铁路一典型多边界石方爆破工程，在爆破设计时，基于多边界石方爆破药量计算原理和深孔爆破药量计算公式，进行深孔控制爆破，并对爆破现场的震动进行监测，然后分析爆破效果和振动监测结果，探讨多边界石方爆破技术在路堑开挖中的应用研究。
二、背景工程
西铁路[4]位于延庆县东南部山区，道路起于西二道河，终于铁炉村。道路全长15.89公里，为山区三级公路，设计速度为30Km/h。西铁路地处山前区及山岭重丘区。山岭重丘区山脉连绵起伏，沟壑与山峰相依，地形变化大。工程地理位置大部分路段地势陡峻，路线两侧岩体比较稳定。
本次爆破位于西铁路K4+700~K4+760处，该处地形起伏较大，现状地形坡度α=45°~60°，地质表土为亚粘土，土层以下主要由花岗岩组成，花岗岩节理、裂隙发育。路基设计形式為全挖路堑，路基全宽7.5米，边坡设计坡比为1: 0.5，开挖深度为5~20m。
三、路堑开挖爆破设计
（一）爆破设计方案
根据开挖路段的设计资料、周边环境以及工程地质条件，对于全挖路堑，采用沿中心线首先开槽，然后两侧向中间逐排起爆的方法。为了进一步降低爆破振动对路堑边坡稳定性的影响，对于孔深大于12m的炮孔，采用孔内与孔外延时相结合的方法来控制最大段别的起爆药量；临近设计边坡，采用缓冲爆破技术，通过控制孔网参数和单孔装药量，最大限度地减缓主炮孔爆破对路堑边坡的破坏。
（二）深孔爆破参数选择及装药量计算
多边界条件下深孔爆破装药量计算公式为[5]：
(1)
基于花岗岩的物理力学性质和现场试爆，取标准抛掷爆破单位耗药量K=1.6~1.8kg/m3；自然地面坡度α=45°~60°，深孔爆破参数如表1所示。考虑岩体结构的夹制作用，每孔实际装药量应增加10%左右。对于临近路堑边坡的缓冲孔，其与主炮孔的间距取主炮孔间距的0.7倍，药量约为表1中主炮孔药量的一半。
表1深孔爆破参数表
孔深
h/m 孔距a
/m 排距b
/m KF(E，α)
/(kg·m－3) 单孔药量
/kg 堵塞长度
/m
8 2.5 2.0 0.32 13 3.5
10 2.5 2.0 0.32 16 4.0
12 2.8 2.2 0.34 25 4.0~5.0
(间隔装药)
16 3.0 2.5 0.36 43 4.0~5.0
(间隔装药)
18 3.0 2.5 0.38 51 4.5~5.5
(间隔装药)
四、爆破振动监测与分析
（一）爆破振动监测与分析依据
我国《爆破安全规程》[6]及有关的行业技术规范都没有对高边坡开挖的安全判据和标准做出明确规定。本文选用应用较广的安全振动速度阀值法，结合现场工程条件和监测结果，基于顾毅成[7]地面质点峰值振速V与岩土破坏关系的研究成果对边坡的安全稳定性进行类比评价。
另外，本文还将分析爆破地震波的频谱和地面振动加速度情况。频谱分析用于研究爆破地震波特性及其对结构的动力反应方面，地面加速度能和地震产生的惯性力相联系，这对分析路堑边坡在爆破荷载作用下的动力响应规律和边坡稳定性非常重要。
（二）测点布置
本次爆破振动监测点布置在K4+730处，爆破振动监测采用拓普UBOX-5016和中科TC-4850两种型号的爆破振动监测仪，并选用竖向速度传感器记录监测点振动情况。根据爆区周边环境条件以及相关单位的要求，在路堑横断面上边坡沿坡顶方向依次布置四个振动监测点，监测点布置如图1所示。
距离*——指测点到路堑上边坡线与地面线交点P的距离
图1 K4+730断面炮孔和监测点布置示意图 图2质点垂直峰值振速衰减图
（三）振动监测结果及分析
1.质点振动速度分析
4个监测点竖向峰值振速沿着路堑上边坡大致衰减规律如图2所示。其中，监测点3竖向振动速度时程曲线如图3所示。
图3测点3振动速度波形图（距离40m）图4测点3振动速度FFT幅度谱（距离40m）
由图2知，当爆心距在20~30m范围内时，质点垂直峰值振速衰减很快，30~50m范围内，随着爆心距的增大，垂直峰值振速衰减缓慢，并且，距离爆源50m的测点4垂直峰值振速仍然较大，达到了9.3cm/s。笔者认为，这与本次爆破时的地形条件有关。该段路基爆破是典型的多面临空地形，振动监测点布置在路堑上边坡，自然地面坡度较大，约为45°，而且测点4临近山包坡顶，易出现高程放大效应，致使峰值振速在近区衰减很快，在中区衰减缓慢，再则，爆破地震波在山顶上经多自由面反射后叠加也会加大高程放大效应。
现场监测也表明，距离爆源20m处质点震动峰值速度为35.6cm/s，30m处为11.3cm/s 。参照爆破振动速度控制标准[7]，可以推断路堑边坡岩体在0~25m范围内局部有轻微的拉裂破坏现象，且振动的持续时间较短，不会影响边坡整体的稳定性。
2.频谱分析
分析边坡在爆破荷载作用下的动力响应规律，还需要了解和掌握爆破地震动的频率结构，从频域方面来了解爆破地震波的统计特性。对布置在上边坡监测点1~4记录的振动速度时程曲线进行傅里叶变换（FFT），分析频谱结构。其中，监测点3振动速度FFT幅度谱如图4所示。
由分析知，爆破地震波的主要频域范围为10~60Hz，且主要频域范围随着传播距离的增加而变窄，并向低频方向移动。这是因为地震波通过岩体内结构面时高频部分相对低频部分更容易被滤掉，使得地震波高频部分的能量衰减快于低频，高频部分携带的能量逐渐减小，能量向低频域方向集中，主要频域变窄，地震波主频逐渐降低。
3.质点振动加速度分析
为了分析爆破地震波对边坡岩体的影响，还需分析监测点的振动加速度情况。卢文波等[8]认为，爆破震动峰值速度和加速度安全控制标准在考虑了震动频率的影响后，具有等效性。在确定爆破震动速度实测历程曲线本身正确性的前提下，由该实测曲线通过微分来推求加速度历程曲线是完全可行的。为此，本文对监测点的振动速度时程曲线进行微分处理，得到监控点的加速度波形图。图5为4个监测点竖向峰值加速度衰减图，图6为监测点3的加速度波形图。
由图2、图3、图5、图6可知，质点振动加速度波形和速度波形相似，峰值加速度的衰减规律与峰值速度的衰减规律相似但略有不同。对比图2和图5知，当峰值速度在爆心距为30~50m内由于高程效应基本不衰减时，峰值加速度在30~40m内衰减缓慢，而在40~50m内衰减较快。笔者认为，参考徐艳杰等[9]关于加速度峰值与振速峰值的转换关系，爆破振动速度与加速度的峰值统计量间满足下式：
（2）
式中：A(Q,R)和V(Q,R)指加速度和速度峰值的统计量，ωf选用主振频率。因为ωf随着传播距离的增加不断衰减，所以即使速度峰值不衰减，加速度峰值也会衰减，加速度峰值比速度峰值衰减快。
图5质点垂直峰值加速度衰减图 图6测点3垂直振动加速度波形图（距离40m）
4.爆破效果分析
在爆破现场，由于路堑边坡岩体爆破设计充分考虑了地形、地质条件的变化及周边环境因素的影响，采用多边界石方爆破技术，提高了炸药能量的有效利用率，且路堑开挖范围内岩体得到了充分破碎，爆破飞石得到有效控制，爆破未对路堑边坡稳定性构成实质危害。
五、结论
本文研究了多边界石方爆破技术在路堑开挖中的应用，并分析了爆破时路堑边坡的动力响应规律和爆破地震波的传播及其衰减规律，结论如下：
1.在山岭重丘区公路工程爆破时，根据微地形情况采用多边界石方爆破技术，能提高炸药能量的有效利用率，在保障边坡稳定的同时达到良好的爆破效果。
2.多边界石方爆破效果及地震波的传播、衰减规律与地形条件密切相关，当地形坡度较大尤其在山顶上的时候，爆破震动会出现高程放大效应，因此，多边界石方爆破在设计时，要充分考虑高程效应，控制药量，减少其对路堑边坡稳定性的影响。
3.爆破地震波的能量主要集中在低频10~60Hz部分；且主要频域范围随着传播距离的增加而变窄，并向低频方向移动。地震波在岩体中传播的过程中，高频部分被逐渐滤过，高频部分的能量衰减快于低频，主频降低，地震波的能量主要集中在低频，高频部分携带的能量很小。
4.质点振动加速度波形和速度波形相似；峰值加速度衰减规律与峰值速度衰减规律相似但略有不同，峰值速度的高程效应比较明显，加速度的高程效应不大明显，这与地震波在岩体内传播时主振频率降低有关。
【参考文献】
[1] 王鸿渠.多边界石方爆破工程[M].北京：人民交通出版社，1994.
[2] 刘运通,高文学.现代公路工程爆破[M].北京：人民交通出版社，2006.
[3] 陈建平，高文学.爆破工程地质学[M].北京：科学出版社，2004.
[4] 国道通公路设计研究院.西铁路(西二道河-铁路村)道路工程设计资料. 北京国道通公路设计研究院，2008.
[5] 高文学,刘运通.路堑高边坡岩体多边界爆破理论及其应用，岩石力学与工程学报，26(S.1)：3397–3401，2007.
[6] 中华人民共和国行业标准.爆破安全规程（GB 6722-2003）.北京：中国标准出版社，2004．
[7] 顾毅成.成昆线五个大爆破工点爆破震动效应观测报告[M]//史雅语,金骥良,顾毅成.工程爆破实践.合肥:中国科学技术大学出版社,2002:313–328.
[8] 盧文波,赖世骧,舒大强,朱传云.关于爆破震动速度和加速度等效性问题的讨论，爆破，17(S.1)：11–14，2000
[9] 徐艳杰,张楚汉,王光纶等.三峡高边坡爆破荷载确定及动力稳定分析.水利水电技术，1995.5,30(5):29-31
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。