爆破测试

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爆破振动测试技术探讨发布时间：2009-06-10??杨年华???(中国铁道科学研究院北京 100081)摘要：文章主要介绍了国内外爆破振动检测中硬件和软件的现状，分析了爆破振动测试中的技术要点和存在的问题，提出了爆破振动测试和分析的注意事项，探讨了爆破振动测试技术的发展动态。

关键词：爆破振动，质点振动速度，主振频率，单响药量1 爆破振动波时频特性爆破地震与天然地震主要区别在于时频特征差异。

天然地震振动时间较长，一次振动能持续几秒至几十秒，而爆破地震持续时间很短，一次振动只有几十毫秒～几秒，常用的毫秒延期雷管段数为15段以内，15段雷管延时为1秒。

更长的延时依靠接力传爆，但爆破震动波持续时间大多数在3秒以内完成，所以时域特性来看爆破地震的单次记录时间不会很长。

另外从振动次数上来看，天然地震常伴有多次余震，而爆破震动大多数是一次完成，也有采石场或某些石方开挖爆破工程中，需要多次爆破或长期生产爆破，地震波作用造成的危害会不断累加，产生疲劳破坏。

因此对于多次或长期爆破产生震动应作多段爆破记录。

爆破地震波的频域特性上，主振频率较高，一般爆破振动主频在5Hz～300Hz，爆破地震频率受多种因素影响，而建筑物对各频率震波的动力响应关系与振动危害性密切相关。

根据国内外众多测试资料分析表明，一方面爆破地震波随着传播距离的增加，其振动主频不断降低；另一方面爆破地震波主频受爆破类型、装药结构、地形地质条件等多种因素影响。

为了获得真实的爆破振动信号，在爆破振动检测前应当初步估计爆破地震波的主振频率特征，从而更好地设定记录仪的采样频率、选择合理的传感器响应频率，才能有效地满足爆破振动测试的要求。

?2 爆破振动检测设备目前爆破振动测试所用仪器类型很多，随着计算机技术的发展，数字式记录仪越来越多，有国产的也有进口的，数字式记录仪使用更方便、可靠，但缺乏统一的标准。

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，所以很多爆破振动测试并没有规范，甚至有些测试数据可信度较低。

下面对爆破振动测试技术现状作简要介绍。

?2.1 振动速度传感器2.1.1 传感器频率要求前面已论述过爆破地震波的频域特性，大多数情况下爆破地震频率范围在5Hz～300Hz。

选用的振动速度传感器频率响应范围一般宜在3Hz～500Hz，但一般国产振动速度传感器频率范围较窄，大多数传感器低频域高于10Hz，低频域小于10Hz的传感器高频域又只能到80Hz，这类传感器基本不能用于完整的爆破振动测试。

通常爆破振动波频域较广，频率成分复杂，所以在传感器配备安装方面一定要注意这问题，否则测得的低频域数据会严重失真。

最好在振动台上标定速度传感器后才用于爆破振动测试中。

2.1.2 传感器的安装传感器的安装有不同意见[1][2]，有人建议用钢钎牢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，当振动较小时，传感器的固定方式对测量结果影响很小。

一般的地表振动测试中，因振动幅值不大，频率不高，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，需用短钢钎嵌入岩体中，将传感器固定在钢钎上，而一般岩石表面应尽可能直接安装传感器。

我们在测振过程中做过对比试验，在相同位置1#撑测振点安装在固定钎杆上，钎杆用水泥砂浆嵌固在直径18mm深10cm的孔内，每次测试时将传感器拧紧于该钎上。

2#撑测试点距钢钎固接点20cm处，用石膏将传感器底座直接固定于地面上，对比分析两种连接方式获取爆破振动数据，从而确定拾振器的不同固定方式对爆破振动数据采集的影响程度。

结果是：钢钎固接、石膏固接方式的爆破振动波形基本一致，看不出峰值和主频的差别，峰值误差小于3％，没超过仪器误差值。

因此，一般情况下我们推荐石膏固接安装法。

2.1.3 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，因此传感器应定期标定，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。

现国外提供有三向速度或加速度传感器，一个传感器可同时测试出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。

2.2 振动记录仪2.2.1 爆破振动记录仪的基本要求爆破振动记录仪正向数字式自动记录方式发展，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。

我国爆破振动自记录仪的研制开始于90年代初，现在已有多种产品，发展成多家竞争的局面，美国、加拿大的产品也正在打入国内市场，当前大部分振动自记录仪都基本能满足一般振动测试要求。

根据实践经验总结，爆破振动自记仪应满足以下几方面要求：(1) 自触发设置要可靠。

野外测振自动记录仪一般放置在传感器附近，这样可省去了放长线，因此自动记录仪的触发方式一般选择自动内触发(因外触发时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。

(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记录，波头信号非常重要，据此可反算出地震波的传播速度，一般负延时记录应达到0.25s左右。

(3) 一台记录仪至少应有三个通道。

通常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，便于求出任一时刻矢量合速度。

一般情况下合速度峰值要比单个方向速度峰值大，合速度峰值更能反映真实振动强度，用合速度峰值控制安全系数更符合理论意义。

(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，甚至可以进行全天候振动记录，满足了可靠振动监测的要求。

(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，一般野外条件潮湿、多尘、温差大、颠簸振动大，对仪器的密闭防水要求很高。

(6) 随着网络通讯技术的发展，将测振仪数据通过网络传输，开发出下一代遥测爆破振动仪器是未来发展方向，爆破振动检测与分析工作可通过网络传输转移到室内计算机上完成，功能更强大振动检测和分析软件可更好地指导爆破设计的改进。

2.2.2 爆破振动分析软件软件分析功能已是振动测试仪的主要功能之一。

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和对应的时刻，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。

虽然这样获得的加速度和位移参量有些误差，但对评价爆破振动安全提供了补充参考；(3)对波形进行频谱分析，频谱分析方法可选：FFT分析、小波分析、HHT分析等，以后须规范爆破振动主频分析方法，确定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，可得不同时刻的合速度波形，分析其的最大值，它更能全面反映振动强度大小，所以速度矢量求和必不可少；(5)方便的信息输入、存储、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。

目前国外测试仪所带的分析软件更为全面，它可附有GPS定位和网络数据传输，而且还有爆破噪声测试功能[3]。

3 爆破振动测试结果输出爆破振动测试除了要输出完整的测试报告，还要求保存完整的现场记录。

实际上现场记录表更为重要，我们发现没有统一格式的爆破振动记录表，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??????????回归，求出κ、α值；(8)描述爆破前后仪器和保护物有无损坏迹象；(9)附上仪器传感器标定证书；4 测试中的几个问题(1)标定要想获得准确振动波形记录，对仪器的标定是必须的。

虽然传感器在出厂时会提供不同频率下的灵敏度变化曲线，但是为了数据的准确可靠性，仍然必须对传感器作定时标定，标定或校核需要专用振动台，其频率和信号均可控制，对线性度误差太大的传感器应作特别标记而放弃使用。

除了对传感器作定时标定外，还应对数字式记录仪进行标定，数字式记录仪的标定方法可将示波器产生的标准正弦波电压信号输入到记录仪中，然后由振动记录仪输出波形，将输入波与输出波对比，可以标定出记录仪的误差范围。

仅对传感器和记录仪单独标定还不够，对整个测量系统的标定最重要，整个测量系统的标定也必须有专用振动台，系统误差是最终误差。

当前我国计量检测中心由于缺乏数字式爆破振动记录仪的分析软件，通常对整个测振系统作标定有困难。

没有标定的仪器检测结果不能作法律依据。

(2)测振仪数量配备测振仪数量配备应根据振动测试的要求而定。

若为监测特定地点的振动量级，则根据监测点数量和要求而定。

这在很多国家是非常必要的[2][3]，因为即使所有爆破效应都符合规章条例，他们也担心会发生诉讼事件。

而在我国随着城镇附近的控制爆破渐增，对爆破振动的投诉和振动监测需要也不断增加。

另一方面若要全面记录振动效应的空间分布，应在一条或几条测线上至少布置3～5台测振仪，每台测振仪能记录一个测点的三轴向振速与时间的关系。

测点位置并非按等间距布设，而最好按照等对数距离排列，例如按照10cm，100m，1000m这样的间距设置，当然在特别关心的振动区域可加密几个测点。

(3)振动记录仪量程和采样频率的设置要想获得较好的振动波形，量程选择很重要。

量程选择过小时，因实际振动量相对过大，使得记录到的振动波形削峰，而丢失了峰值振动速度(PPV)；量程选择过大时，因实际振动量相对过小，使得振动波形呈小锯齿形，难以区分不同幅值的差异变化，也不便作其它的分析处理。