爆破振动测试技术及案例评价问题探讨

序

中国铁道科学研究院是我公司工程检测设备的重要用户之一，其中杨年华博士在工程爆破环境安全评估与检测方面有很广泛与深刻的研究，多年来对公司的相关检测仪器使用较多，非常熟悉。下面是铁科院两位专家对爆破安全检测方面的经验之谈，望广大从事工程爆破环境检测的工程技术人员能从中受益。

爆破振动测试技术及案例评价问题探讨

戈鹤川杨年华

提要：当前我国爆破振动测试中使用的传感器和记录仪各不相同，作者根据实践经验总结，对传感器的选型安装、记录仪和分析软件的要求及输出结果形式等各环节上存在的问题进行了探讨，提出了肤浅建议，并对爆破振动安全评价问题发表了意见。

关键词：爆破振动测试振动速度频率

1、前言

目前我国爆破振动测试所用仪器类型很多，数字式记录仪越来越多，有国产的也有进口的，数字式记录仪一般将放大器直接置于机体内，省去了连接电缆，使用更方便、可靠。

以磁带记录仪和光线示波器做波形记录设备的也有使用，但在逐渐淘汰。此外传感器的选型和安装尚无统一的规定和要求，振动数据的分析软件各不相同，所以很多震动测试并不规范，无可比性。甚至有些数据可信度较低。本文想对爆破振动测试问题谈几点看法供参考。

2、传感器的要求和安装

2.1传感器频率要求

爆破引起的地表振动其频率比天然地震高很多倍，而且随着爆破距离增大，振动频率逐渐降低，大多数情况下爆破地震频率范围在30～300Hz。市场可供选择的振动速度传感器频率范围一般在1～500Hz，基本能满足要求，但也有一些传感器频率范围较窄，在传感器配备安装方面一定要注意这问题。另外在测试爆源近区和坚硬岩体中的爆破振动时，应选择更高频率范围的传感器。例如，我们在秦岭Ⅱ线隧道洞壁上测量邻近Ⅰ线隧道爆破产生的振动速度时，发现主震频率已超过1KHz。产生如此高频的爆破震动有两方面的原因：一是秦岭隧道岩体特别坚硬完整，其岩石抗压强度都在150MPa以上，且岩体非常完整、均匀；二是测点离爆源很近(R=30～50m)，爆源为分散的小直径炮孔(φ48mm)。在此提请注意，今后在坚硬完整岩体和近距离条件下测试爆破振动，应选择频率范围在1000 Hz以上的传感器，传感器的频率范围不能满足要求，可改为加速度传感器，将加速度波形积分可得速度波形，一般加速度传感器频率范围很大，可达10 KHz，足以满足高频率振动测量要求。

2.2传感器的安装

传感器的安装有不同意见，有人建议用钢钎固地嵌入岩体中做传感器支座，也有人认为只需直接将传感器置于地表。根据美国Dowding博士的研究，一般的地表振动测试，因振动幅值不大，频率不很高，只需将传感器直接置于地表，周围用石膏粘附即可。在地下巷道内墙壁上测试强烈爆破振动时，需用钢钎嵌入岩体中，将传感器固定在钢钎上。

而一般岩石表面尽可能直接安装传感器，不要通过钎杆安装传感器，它可能使振动波形失真。现在有些传感器有安装磁座，比较方便、可靠，您可在地表下埋入(胶结)一块小铁板，将传感器座直接吸附固定在铁板上。铁板较小、而且薄，对振动波形干扰不大。

2.3传感器的其它要求

传感器属于敏感器件，野外使用，环境条件差，颠簸振动较大，容易受损，因此传感器每年至少标定一次，发现线性度偏差较大的传感器一定要停止使用。

传感器有竖向和横向之分，在测量三向振动分量时，应注意传感器的方向性。现国内外已研究出三向速度或加速度传感器，一个传感器同时测试出X、Y、Z三个方向的振动分量，能方便准确地求出合速度，这种传感器是今后爆破振动测试的发展方向，目前因价格高且标定困难，不易推广，但爆破振动测试应以三向量测为主，三向合速度更能反映振动强度大小。

3、记录仪的要求

爆破振动记录仪正向数字式自动记录方式的发展，它利用最新的电子技术和计算机技术，使爆破振动记录仪轻小、便携，且功能齐全，省去了现场远距离放线的麻烦和信号干扰。我国爆破振动自记仪的研制开始于90年代初，现在已有多种产品，发展成多家竞争的局面，甚至美国、加拿大的产品也正在打入国内市场，应该说当前大部份自记仪都基本能满足一般要求。我们从实践中感觉，爆破振动自记仪应有以下几个方面要求：

(1)自触发设置要可靠。野外测振自动记录仪一般膂黟在传感器附近，这样可省支了放

长线，因此自记仪的触发方式一般选择自动内触发，(因外触发以必须放长距离外触发信号线)，若内触发有误将导致测试失败，这是非常悲伤的事情。大量测试中发现振动记录仪采用逻辑电路判断自触发较为可靠。例如，可设置为传感器信号达到设置量的1/8或1/4即启动自触发，使用中尚未自触发错误的悲剧。

(2)记录应有负延时记录。若由自触发启动记录存储，没有负延时设置，有可能丢失振

动波头的记录，波头信号往往比较重要。一般负延时记录应达以0.25s左右。

(3)一台记录仪至少应有三个通道。通常为测量某点三个方向的振动分量，需要三个传

感器接入同一台记录仪，它可保证三个方向同步记录，便于求和合速度。

(4)记录仪的内存可适当加大，随着计算机技术的发展，大容量内存条已不再昂贵，增

大记录仪的内存，可增加记录波形的数据容量，方便野外多次测振记录。

(5)野外自动记录仪主要发展方向是轻便、耐用，能准确、可靠地捕获到信号，而不必

开发附带多种功能。附带多种功能必然会增加成本，一般野外条件潮湿、多尘、颠簸振动大，功能越多，故障率越高。应该将测振仪多功能开发转移到室内计算机的分析处理上，在计算机上开发可使功能更强大，而且不必过多增加记录仪成本配制。

4、软件分析要求

软件分析功能已是振动测试仪的主要性能之一。根据大量振动测试的实践总结，一般对振动分析软件有以下要求：

(1)最大振动速度值的寻找。要求软件中能自动、方便地找到各分段爆破的峰值振动速

度，使一次爆破振动记录能得到更多的信息量；

(2)对振动波形作微分、积分处理。因振动速度微分一次可得加速度波形，积分一次可

得位移波形。加速度和位移参量的获得对评价爆破振动安全提供了补充依据；

(3)对波形进行FFT变换，作频谱分析，确定振动的主振频率，主振频率对振动安全性

评价有重要意义；

(4)速度矢量求和。对三个方向的速度分量求和，可得合速度的最大值，它更能全面

反应振动强度大小，所以速度矢量求和必不可少；

(5)方便的信息输入、储存、打印。采用Windows操作方式的输入、储存、打印是软件

发展的方向，它为用户提供了极大的方便。

5、测试结果输出

现在爆破振动记录表没有统一格式，记录中容易丢失一些重要信息，不便于后来查找或借用。一个完整的爆破振动测试报告应包括如下一些记录内容。

(1)一般情况：时间、地点、环境温度、湿度、风向、风力、测试单位、操作人员；

(2)爆源情况：总装药量、分段数、分段炮孔数和药量、爆区范围、起爆方式；

(3)测试场地情况：测点方位、离爆源距离、测点地形和地质条件、周围环境；

(4)传感器安装情况：传感器安装方法、安装方向、传感器型号、厂家、传感器灵敏度、

频率范围、量程、线性度、编号；

(5)记录仪情况：记录仪名称、型号、编号、触发方式、量程选择、采样频率、通道数

及编号；

(6)记录波形输出：振动波形应有时间标尺。标出最大振幅值和所处时刻；

(7)振动衰减规律回归分析：根据经验公式V MAX=K

α

??

?

?

?

?

R

Q m

回归，求出K、α值；

(8)描述爆破前后仪器和保护物有列损坏迹象；

(9)附上仪器传感器标定审证书；

本文给出一份较完整的振动测试记录表(见文后附表)。

6、爆破振动效应安全判据分析

以上是关于爆破振动测试问题，下面对测试结果的分析评价谈几点看法。由于描述爆破振动效应的参数较多，如振动速度、加速度、位移、频率等，何种参数作为评价爆破振动效应的判据，尚无统一意见。以前普遍认凤振动速度为判据较可靠稳定。当前国外评价标准已发展到不足以单一参数作为判据。如瑞典的评判别标准综合考虑了振速、频率、位移、加速度等多项指标，美国矿业局、德国和芬兰的判据引入振速和频率两个指标。现在大多人认为振速和频率两项判据是必要的。从物理意义分析，振速可以代表振动幅值，幅值和频率是描述振动效应的最基本物理量。从振动反应方面分析，不同地基和结构有不同的固有频率，考虑到共振效应，振动判据应包括频率参数。在实际工作中常遇到此类问题，例如深圳某采石场爆破，曾多次接到距离爆源1～2Km远处的住户反应振动较大，而近在500m以内的住户尚未感觉房屋的强烈振动，我们分析认为振动频率随距离而降低，远处低频振波接近房屋固有频率，房屋共振反应强烈，所以远处振动效应加强，这主要是振动频率不同所致。

7、关于振动速度衰减公式

根据大量的测试数据分析，振动速度衰减经验公式：V MAX=K

α

??

?

?

?

?

R

Q m

能基本反映其

衰减规律，其相关性和趋势性较满意。但是公式中的各参数的经验选取方法需作适当高速。m-药量指数。当药包尺寸或同段炮孔的分布范围与测点距离相比当小(比例尺寸不到1：10)时，可以认为同段爆破药包为点药包，取m=1/3；更近距离范围趋于1/2，当测点距离与同段药包分散相当时，取m=1/2。

K、α- K、α值与爆区地形、地质条件和爆破自查报告都相关，但K值更依赖于爆破条件条件的变化，α值主要取决于地形、地质条件的变化。爆破临空条件好，夹制作用小，K值就小，反之，K值大；地形平坦，岩体完整、坚硬，α值趋小，反之破碎、软弱岩体，起伏地形，α值趋大。K取值范围大部分在50～1000之内，α取值在1.3～3.0之间。在此我们也建议将近距离振动衰减规律和远距离衰减规律分开考虑，当比例距离R‘=R/Q m≤10，认为近距离振动，R‘=R/Q m＞10认为是远距离。近距离振动K值较大，可达500以上，α值较大，可取2.0～3.0；远距离爆破振动，衰减指数K=130～500，α=1.3～2.0。

8、爆破振动安全评价应注意的问题

在应用规程中的安全震动速度标准控制爆破地震安全时，根据我们多年的实践经验，应注意如下几个问题：

(1)振动安全评价方面，不仅要考虑建筑物结构形式，更要考虑地基基础。应该说大部

份振动破坏都不是建筑结构直接振裂的破坏，而是地基基础的振动变形和位移导致结构破坏案例占多数，因此除考虑不同结构类型的振速度标准外，还应考虑不同地基类型的振动标准。如瑞典的“标准”规定：

散松的冰碛、砂、卵、粘土层［V］≤1.8cm/s

紧密冰碛层、砂岩、软弱灰岩［V］≤3.5cm/s

花岗岩、片麻岩、石灰岩、石英砂岩［V］≤7cm/s

这一标准值得参考。其实地基的振动变形或破坏以振动加速度判据更为合理；(2)规程中将地下隧道根据功能分为三类，我们在实用中认为地下巷道的标准好用，建

议水工、交通隧道也应根据围岩类型和支护质量不同，确定不同的标准值；

(3)对于重要建筑或有纪念意义建筑应由专家组根据调查报告或试验报告论证确定振

动安全标准，并跟踪爆破作业进行振动监测，提出振动速度监测报告，报告内容应包括爆破振动安全评价；

(4)爆源50m以内若有保护目标时，应作振动监测。因爆源近区振动危害较大，振动衰

减规律变化较大，只有通过测试结果随时调整爆破设计方案，才能确保振动安全，同时也呆避免一些不必要的纠纷。

爆破振动测试记录表