爆破造成的震动和地震的区别 爆破地震预报和爆破地震效应探讨

杨晓泉 任志华 言志 信江平云南省交通运输厅路网监测与应急指挥中心 云南省公路科学技术研究院 兰州大学

摘 要：工程爆破是一种非同寻常的施工方法，进行工程爆破设计时首先应进行爆破地震预报，以避免爆破地震效应带来不利影响。虽然人们已经从特定条件的爆破实践中总结出了一些爆破地震预报经验公式，但不能适应现今工程爆破发展的需要，论文探讨了当今利用经验公式进行爆破地震预报所存在的问题，并尝试了人工神经网络预报爆破地震动最大速度，而且深入地探讨了爆破地震效应，揭示了爆破地震动强度、频率、持时对爆破地震效应的影响。

关键词：爆破;爆破地震;地震动;预报;地震效应;

工程爆破是工程施工的一种特殊方法，是完成人力和机械力所不能胜任工作的一种非同寻常的施工方法。工程爆破中炸药在岩土中爆炸后，从爆源向四周传播的地震波将在一定范围岩土体内引起爆破地震，当爆破地震达到足够强度时，将致使建(构)筑物变形、受损甚至破坏，因而，随工程爆破在国民经济各个领域中获得广泛应用，爆破地震对周围环境以及建(构)筑物和各种设施带来的爆破地震效应亦日显突出，为世界各国所关注。

工程爆破导致的爆破地震动特性常跟爆源条件、传播介质、地形地貌等因素密切相关。表征爆破地震动特性的包括振幅、频率和持时三个重要因素(简称爆破地震动三要素)，它不仅是爆破地震观测预报的重要内容，也是地震波的传播规律、爆破地震效应等的研究基础。它们既反映了爆破地震动特性，同时又对爆破地震效应起重要作用，它们与结构自身的动力特性一起共同决定了爆破地震动对结构的影响和爆破地震效应。

对爆破地震的认识源自矿山建设和采矿爆破，据资料记载，早在1927年，美国的E.H.Rockwell率先对采石场爆破地震及其对附近建筑结构的影响进行了研究，两年后Chabot进一步讨论了密歇根州Marquette Range铁矿爆破开采中的爆破地震效应问题，人们发现爆破地震可能引起施工场地周围建筑结构破坏，并通过对不同场地条件下爆破振动的测试，获得了一些重要的基础数据，Thoenen和Winde在对测试数据系统分析和研究基础上，形成了著名的美国矿务局442号公报。到20世纪中叶，随着工程爆破的广泛应用，以Thoenen、Windes、Crandell、Duvalland、Fogelson、Edwards、Northwood、Devine、Attwell、Langefors和萨道夫斯基等为代表的美国、英国、加拿大、德国、瑞典和前苏联等国家相继对包括爆破地震波的传播规律和地震效应等问题进行了分析研究。20世纪50年代开始，我国工程技术人员通过对不同地质条件下的岩石爆破试验，获得了大量的爆破振动测试数据，并在此基础上获得了地面质点振动速度衰减的经验公式，以及不同建筑物的破坏标准，取得了一大批研究成果。为爆破地震的预测预报、爆破地震效应及其控制技术研究奠定了坚实的基础。20世纪80年代至今，随着计算技术的发展，利用数值模拟研究爆破地震和结构地震反应也获得了较大发展。

为了使爆破地震控制在周围环境以及建(构)筑物和各种设施所能承受的范围之内，进行工程爆破设计时首先应该进行爆破地震预报，并进行爆破地震效应的分析研究，以优化爆破设计，安全地实施爆破。

1 爆破地震预报探讨1.1 爆破地震强度预报探讨

通常地，工程爆破设计施工中多借助各种经验公式进行爆破地震动最大速度计算，即预报爆破地震动强度，具体做法是:通过试验和现场测试获得一定工程地质水文地质以及稳定的炸药种类、装药结构、起爆方式等条件下的爆破装药量、爆心距与质点振动速度的关系，进而确定公式中的参数，这些参数在同一场地地层岩性、岩体结构、地质构造、地形地貌等工程地质条件和水文地质条件以及其它爆破装药条件均不改变情况下往往比较稳定，即在除装药量和爆心距外的其他条件均不改变时，可运用公式法预报爆破地震动最大值，该方法是将大部分变量视为常数，而研究因变量与少数几个变量间的函数关系，因影响爆破地震动强度的最主要因素是炸药量、爆心距，通常选择炸药量和爆心距研究其与爆破地震强度的关系。

其次，随计算技术的发展，人们提出了模拟人脑神经元和大脑之间信息传递的新的计算机编程技术，即人工神经网络模拟方法，人工神经网络在描述非线性和不确定性等方面具有很大的优势，是解决复杂非线性函数逼近问题的一种好方法，已在许多领域获得广泛应用，因而它能有效地联系爆破效果与其影响因素之间的复杂关系，通过建立了人工神经网络模型，可进行爆破地震强度预报。

此外，理论上研究爆破地震波的影响十分困难，这不仅因为爆破地震的影响因素众多而复杂，还由于爆破介质的复杂性和边界条件模拟的困难。因而，尽管也有学者基于波的传播理论研究了柱状装药爆破中爆破地震问题，也有人试图利用有限元法、离散元法、有限差分法、DDA方法等数值模拟方法以及尝试其他方法进行爆破地震动强度预报，其结果均不够理想，同时因理论上仍存在问题，因而没能获得推广应用。

1.1.1 爆破地震强度经验公式法预报

爆破地震动强度通常用地面质点的振动位移、速度、加速度的最大幅值表征，可用函数形式表示为:

其中，A为最大幅值，f为非特定的函数形式。

式中所列三项中的每一项均包含若干个变量，必须考虑诸如炸药品种和性能、爆破装药量、装药位置、炮孔孔径及孔网参数、起爆方式、微差爆破间隔起爆时间、传播介质参数、放置炸药孔硐性质、传播途径影响、仪器反应特性及灵敏度等的影响。爆破地震动的影响因素众多，其间关系错综复杂，相互影响，全面考虑所有因素来确定爆破地震动强度实际上是不可能的，因此，一般采用近似的方法，即大多仅研究爆破地震动强度与最重要的两个影响因素，包括炸药量、爆心距之间的关系，具体地，爆破地震动强度取下列常用函数形式:

其中，A为地震动最大幅值;Q为药量;R为爆心距(震源距);K、n、m为场地常数。

具体地，主要有如下几种形式:

日本采用的地震动最大速度经验公式:

其中，V为地震动质点最大速度(cm/s);Q为炸药量(kg);R为爆心距(m);K为场地系数，K=100～900。

P.B.Attewell等人对欧洲采石场的爆破震动观测数据进行了统计分析，于1965年提出了地震动最大速度经验公式:

其中，V为地震动质点最大速度(in/s);K、α为场地系数，K=0.013～0.148，平均值为0.051;α=0.640～0.960，平均值为0.840。

美国矿业局对20个采石场和建设工地的爆破震动的观测数据进行了统计分析，这些数据是在爆心距从44.2m至966m，炸药量从3.6kg至2095kg变化范围内得到的。岩石的种类有石灰石、闪绿岩和白云石。J.R.Devine于1966年提出了地震动最大速度的经验公式:

其中，V为地震动质点最大速度(in/s);R为爆心距(ft);Q为炸药量(lb);K、α为场地系数。R/Q1/2为比尺距或称折算距离(ft/lb1/2)。K=0.657～4.04，平均值为1.85;α=1.083～2.346，平均值为1.536。

前苏联的M.A.萨道夫斯基提出了地震动最大速度的经验公式:

其中，V为地震动质点最大速度(cm/s);Q为炸药量(kg);R为爆心距(m);K、α为与岩石特性等因素有关的常数，岩石K=30～70，平均值为50;土质K=150～250，平均值为200;α=1～2。

抛掷爆破时

其中，f(n)为爆破作用指数函数，可根据鲍列斯科夫的建议，由下式得到。

以上公式基本上是以球形装药爆破为基础得出的。

我国在预报爆破地震动质点最大速度时，大多采用经验公式(5)和(6)。

根据作者对镇江、重庆、安庆等地爆破地振动测试分析发现:采用M.A.萨道夫斯基公式应用于装药量较大、受振对象离爆心较远的旷野爆破中进行爆破地震动质点最大速度预报时，确能较好地反映振速V、爆心距R、起爆药量Q之间的关系。

作者根据大量的爆破地振动测试分析还发现，M.A.萨道夫斯基提出的地震动最大速度经验公式(5)改为式(7)的形式具有更广泛的意义，因为作者对实测数据分别用β=1/2和β=1/3进行回归分析和方差分析时发现，取β=1/3时，F值较大，剩余标准差较小，因此，一般情况下，取β=1/3较为合理，但也有一些情况取β=1/2拟合结果更好一些。

1.1.2 爆破地震强度神经网络法预报

人工神经网络(Artifiacial Neural Networks)是模拟生物体中神经网络的结构与功能而进行工作的。人工神经网络具有大规模并行计算、分布式存储和处理、自组织、自适应和自学习能力，适用于处理需要同时考虑许多因素和条件的问题，尤其适合于对不精确和模糊信息的处理。近年来，神经网络模拟方法在许多领域已有应用，它能有效地联系爆破效果与各变量之间的复杂关系。

将人工神经网络BP模型引入爆破地震动最大速度预报中，首先应确定人工神经网模型中的输入参量，它应是影响爆破地震动的主要因素。对某一具体爆破工程应从炸药能量释放的角度进行分析，抓住装药量与测点间的距离等因素构造人工神经网络，可以精确地由一个3层神经网络实现，此神经网络的第1层有m个神经元，隐含层有2m 1个神经元，输出层有n个神经元。

现结合某地下工程开挖进行爆破地震动强度人工神经网预报，该地下工程长1000m，设计静跨为12m，围岩为砂岩，该砂岩的坚固系数为3～6，节理裂隙不发育，完整性较好，顶部覆盖层厚为14～15m，其中杂填土厚1～2m。

以该工程已有的40组测试数据中的30组作为学习训练样本，由于已有测试数据给定了药量、爆心距及与之相应的垂直向速度Vem、水平径向速度Vrm、水平切向速度Vτm。因此，采用3层人工神经网络模型进行学习和预报，具体地说，就是2个输入单元、3个输出单元，分别构成人工神经网络的输入层和输出层;经过反复调试采用5个单元构成的隐层误差较小，因此，最后确定的人工神经网络模型为2-5-3的网络结构，学习样本为表1中的前30组值;为了比较，以检验人工神经网络模型预报效果，将表1中后20组数据与实测值对应的爆破条件(药量Q、爆心距R)用作预报的输入值而得到预报值，预报值包括爆破地震动垂直向速度Vep、水平径向速度Vrp及水平切向速度Vτp，其值列于表中相应爆破条件下对应实测速度值的右边以利对照。由实测值与预报值算得爆破地震动垂直向速度预报值的最大绝对误差为0.23cm/s，平均误差为3.01%，平均绝对误差为8.60%，最大相对误差为20.9%;径向速度预报值的最大绝对误差为0.10cm/s，平均误差为1.48%，平均绝对误差为6.74%，最大相对误差为34.4%;切向速度预报的最大绝对误差为0.12cm/s，平均误差为3.62%，平均绝对误差为10.83%，最大相对误差为26.7%。

表1 实测和预报振动速度(单位:cm/s) 下载原图

1.1.3 爆破地震强度预报探讨

从前面所列出的爆破地震动强度预报经验公式可以看出，虽然人们已经在探索爆破地震动的衰减规律方面做了大量的工作，并且选择了相同的主要变量，即爆破地震动最大速度、爆破装药量和爆心距，但这些经验公式中的系数和指数，即根据爆破地震观测数据处理所获得的回归系数不同，而且相差悬殊，因而利用这些经验公式进行爆破地震动强度预报必然存在差别，预报结果不够理想，究其原因在于:

首先，不同地质和环境条件下的爆破作用机理不同，爆破地震波自爆源向四周传播的介质也不同，不同经验公式所依据的观测数据是在各自特定场地条件下获得的，因而即使完全相同的爆源条件和爆心距等，因爆破地震波的传播介质和途径不同，爆破地震动最大速度的必然存在区别，获得不同的测试结果。

其二，不同经验公式所依据的观测数据是采用不同的观测仪器获得的，每一观测仪器均具有不同的反应特性和灵敏度，即使完全相同的爆破地震动强度，所获得的测试结果也会不同。

其三，前面所列出的经验公式均受到与生俱来的局限，它们均来自于工程实践，是从荒郊野外的爆破工程实践中总结出来的，它们成立的前提条件是测试点均远离爆心，例如:J.R.Murphy和J.A.拉豪德(Lohoud)测试记录了500多个爆心距为0.25～600km的不同观测点爆破地振动数据，以确定公式(1)中的K、n、m，美国矿业局统计所依据的爆破地振动观测数据对应的爆心距为44.2～996m。

其四，前面所列出的经验公式均以球形药包为基础获得，与大量实际爆破工程中的柱状装药存在区别。

其五，今天的爆破技术已应用于国民经济的各个领域，广泛用于环境极度复杂、要求极为苛刻的城市，实施小药量爆破，更加关心爆破近区的地震动，例如城市浅埋地下工程开挖，受振的保护对象甚至离爆心仅几米，爆破地震动对结构及设施的危害突显，轻则引起人员的惊吓及其它生理反应，重则引起结构的开裂，甚至倒塌破坏，对这些受震对象仍然套用旷野条件下诞生的前面所列经验公式进行爆破地震动强度预报存在较大误差是不奇怪的。

1.2 爆破地震频率预报探讨

频率是反映爆破地震动特性的重要参数，是爆破地震动的三要素之一，结构在爆破地震作用下，与结构固有频率相一致的爆破地震动成分得到结构最大限度响应，爆破地震动携带的能量得到最大限度地输入给结构，对爆破地震效应起着至关重要的作用。因而，爆破地震动的频率对结构地震反应的影响得到人们的重视，现今，我国和国外许多国家一样，同时考虑爆破地震动速度与频率制定了爆破安全规程。

一些学者对爆破地震动的频率进行了研究，获得了爆破地震动主频率预报的经验公式，并探索了爆破地震动主频率预报的神经网络方法。但是，爆破地震动频率离散性较大，频率预报值与实测值差距较远，预报结果不够理想，因而，相对于爆破地震动强度预测，对爆破地震动频率的预报相对较少。

作者研究发现，爆破地震动的频率在结构爆破地震反应中所起的作用至关重要，而且，根据作者对镇江、重庆、安庆等地所做的爆破地震动测试和所获得的大量爆破地震地面质点振动速度波形图和频谱图发现，与文献[16]中的结论不同，爆破地震动速度与频率不存在正比关系。

2 爆破地震效应探讨2.1 爆破地震效应及其特点探讨

结构(包括建(构)筑物、边坡等)在爆破地震作用下获得能量而激发起振动，从而使结构产生随时间变化的位移、速度、加速度、内力和变形等爆破地震效应。地震动对结构的效应有两类:力效应和应变(变形)效应，地震动的力效应表现为结构的附加拉应力和压应力，应变效应表现为由地震动引起的振动由下层土传递到结构的基础上，然后通过基础传递到上部结构，结构产生动力反应，引起结构附加振动变形。

由于爆破地震具有频率高(一般10～100Hz)，振动强度随距离衰减快，并且，持时短(一般400ms以内)，震源能量一般较小等特点。相应地，爆破地震波的波长较短，一些地震波的波长仅十余米，甚至更短。对于大型建筑物基础而言，由于地震波是行进波，因而基础各部分所受地震作用存在相位差，爆破地震作用力的分布不均匀，甚至出现正负反相分布情况。那么，对于支承在一个刚性的、整体的基础板上的结构或结构的平面尺寸比地震波的波长小很多时，则爆破地震动对结构的作用与天然地震动的情况类似，即结构中产生的附加应力仅由惯性力所致。然而，一般结构的基础不是刚性的，也不是整体的，基础的尺寸与地震波的波长相当或接近，此时，结构中产生的附加应力是由于惯性力和结构的不同构件和不同部分在地震动作用下产生相对位移而导致的附加应力共同作用的结果。

现今的工程建设要求保护环境，普遍采用微差爆破，在城市环境条件下实行小药量浅眼爆破，爆破点离建筑物很近，有的甚至仅有几米，而结构本身的尺寸远大于此值，这种情况下，结构对爆破作用的反应十分复杂，此时结构不同部分所受力的作用是不同的，原因在于结构不同部分的爆心距不同，结构上有的部分受到的是应力波，离爆心较远处才仅仅受到爆破地震动的作用。并且，此情况下爆破地震波不能象一般的天然地震波那样能作平面波处理，而是球面波或柱面波，对它进行与天然地震类似的在平面假设条件下(实际如此，虽然几乎每本著作均未对此作出说明)对结构作时程分析既违背其物理本质，当然也无必要。

2.2 爆破地震动强度对地震效应影响探讨

爆破地震作用下，结构随爆破地震动而发生振动，导致结构各部分应力应变发生变化，爆破地震波的幅值大，表明爆破地震波携带的能量大，做功能力强，能向结构输出更多的能量。随爆破地震能量的输入，结构振动的幅值持续增大，当输入的能量足够大时，结构的部分构件将进入极限状态，随之结构因地震动继续输入能量的大小而异，遭到不同程度的破坏。强烈地震条件下，爆破地震动的幅值很大，它能彻底将结构破坏，造成结构倒塌甚至解体。

结构在爆破地震作用下的破坏主要表现为“最大位移首次超越一次性破坏”和“塑性累积损伤”两种类型，或是两种类型的复合叠加。最大瞬时输入能量是地震动作用在结构上的最大能量脉冲，往往与结构的最大位移对应，直接决定结构的首次超越型一次性破坏;结构在地震作用下进入非线性阶段发生塑性变形时，由于塑性变形的不可恢复性，结构的滞回耗能，即结构的累积破坏能量大小将决定累积破坏效果。因此，结构受爆破地震动破坏的程度主要视结构本身所获瞬时输入能量的多少而定，而瞬时输入能量决定于爆破地震动和结构本身的动力反应特性，通过最大瞬时输入能量与临界最大瞬时输入能量的比较，或者两者相对应的等效速度对比就可评判结构的受损状况。

2.3 爆破地震动频率对地震效应影响探讨

结构对爆破地震动力反应的影响因素除爆破地震动特性外，还与结构固有的动力反应特性密切相关，结构对爆破地震反应具有非常明显的选择放大效应，在爆破地震中，与结构固有频率相一致的爆破地震动成分将被最大限度地放大，它直接决定了结构对爆破地震动的反应结果。对于两个峰值相同，而频率不同的爆破地震动而言，频率低的爆破地震动其最大瞬时输入能量大一些，爆破地震动的危害程度也相应要大一些，这是因为结构的自振频率较低(一般1～10Hz)，而一般爆破地震动的频率高(一般10～100Hz)，因此越低的爆破地震动频率就越与结构的自振频率相接近，结构的反应就越大。同样的爆破地震动作用于不同的结构，输入的能量不同，结构的反应则不同，原因在于不同结构本身的动力特性不同，结构对爆破地震动的反应是由爆破地震动的特性和结构本身固有动力特性共同决定的。结构本身的动力特性由结构本身的布局、类型、构造、材料等所决定，每一结构具有其本身的自振频率(自振周期)、振型及阻尼。阻尼比一定的结构对爆破地震动的不同频率成分的反应是有选择性的，振动信号的频率与结构自振频率越接近，动态放大效应越明显，其瞬时输入结构的能量就越多，相应地结构的振动就越得到加强，从而也就越容易造成结构的损伤乃至破坏。

不同频率的爆破地震动对结构影响程度的差别甚大，硐室大爆破等的最大速度所对应的频率较低，而且频率构成集中，因而应以该最大速度和与之对应的频率预测爆破地震效应和安全，而对于布药分散的小爆破，爆破地震动最大速度对应的频率较高，频带较宽，此时爆破地震动中与结构自振频率接近的爆破地震动才是对结构危害最大的，产生的地震效应最为突出，而具有最大速度的爆破地震动因其频率偏离结构的自振频率，输入结构的能量不够大，结构的振动得不到大的加强，诱发的结构爆破地震效应不突出。但有的情况下，爆破地震动既有高频段，又包含相对频率较低的低频段时，这时最大瞬时输入能量的时刻和大小则要视两段爆破地震动的峰值和频率差别而定了。例如，一爆破地震波波形中的前段频率较后段频率高得多，但是前段幅值相对稍大些，这时最大瞬时输入能量会出现在后段，此种情况应该以后段爆破地震动最大振速和振动频率来预测爆破地震效应和安全。

2.4 爆破地震动持时对地震效应影响探讨

爆破地震动的持时对结构的爆破地震效应主要表现在结构超过弹性极限进入塑性以后，增加非弹性变形的累积破坏。如果瞬时输入能量不足以引起结构破坏，但已超过结构疲劳破坏临界值，持续长时间爆破地震动的作用会对结构累积破坏产生影响。

对于持续毫秒级爆破地震动，因为持时短，结构破坏过程尚未完成强震即已终止，只要质点振幅没有超过结构能承受的爆破地震反应最大值而造成一次性破坏，一般是安全的，则普遍不用考虑持时对结构反应的影响;但对于持时达到几秒的爆破，将可能使已在强震中进入塑性状态，甚至局部破坏的结构，在爆破地震的持续作用下因疲劳而破坏，甚至使结构倒塌。

3 结论

(1)经验公式是在球形药包、旷野地质环境、大爆心距、不同仪器测试条件下总结大量观测数据而获得，因而不能适应日益发展的工程爆破环境条件和工程要求;

(2)人工神经网络可用于爆破地震预报，提高预报精度;

(3)爆破地震动对结构的效应包括力效应和应变效应，爆破地震效应因爆心距而不同，近爆心爆破地震效应十分复杂，稍远离爆心有呈球面或柱面的爆破地震波作用，离爆心很远处才能将爆破地震波作平面波处理;

(4)结构爆破地震效应是由爆破地震动特性和结构固有动力特性共同决定的，爆破地震动的幅值、频率和持时均对爆破地震效应有影响，只是某些情况下持时短其影响不突出。

参考文献

[1] Nan Jiang,Tan Gao,Chuanbo Zhou,et al.Effect of excavation blasting vibration on adjacent buried gas pipeline in a metro tunnel.Tunnelling and Underground Space Technology,2018,81:590-601．

[2] Thoenen J R,Windes S L.Seismic effects of quarry blasting.U SBur of Mines Bull 442,1942:1-83．

[3] Thoenen J R,Windes S L.Seismic effects of quarry blasting.Concrete,1942,50(8):223-226．

[4] 顾文彬，王振雄，陈江海，等．装药结构对爆破震动能量传递及爆破效果影响研究．振动与冲击，2018,35(2):207-211．

[5] Mohsen Hajihassani,Danial Jahed Armaghani,Aminaton Marto,Edy Tonnizam Mohamad.Ground vibration prediction in quarry blasting through an artificial neural network optimized by imperialist competitive algorithm.Bulletin of Engineering Geology and the Environment,2015,74(3),873-886．

[6] M.Smith.Neural Networks for Statistical Modeling[M].NY:Van Nostrand Reinhold,1993．

[7] 卢文波，Hustrulid W．质点峰值振动速度衰减公式的改进．工程爆破，2002,8(3):1-4．

[8] Turker Hudaverdi,Ozge Akyildiz.Investigation of the site-specific character of blast vibration prediction.Environmental Earth Sciences,2017,76(3):1-16．

[9] T.N.Singh.Artificial neural network approach for prediction and control of ground vibration in mines.Mining Technology,2004,Vol.113:251-256．

[10] 张雪亮，王树棠．爆破地震效应．北京:地震出版社，1981/

[11] 言志信，言浬，江平，等．爆破振动峰值速度预报方法探讨．振动与冲击，2010,29(5):179-182 24．

[12] 言志信，吴德伦，许明．地震效应及安全研究．岩土力学，2002.23(2):201-203．

[13] J.M.Zurada.Introduction to artificial neural system.West Publishing Company,1992．

[14] 刘敦文，崔朋波．基于BP神经网络的新浇筑混凝土爆破安全震动速度预测．安全与环境学报，2014,14(1):43-46．

[15] 言志信，彭宁波，江平，王后裕．爆破振动安全标准探讨．煤炭学报，2011,36(8):1281-1284．

[16] 唐春海，于亚伦，王建宙．爆破地震动安全判据的初步探讨．有色金属，2001,53(1):1-4.

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