正交试验法在深孔爆破振动优化中的应用

陈宏涛,程贵海,蒙海霖,曾朝伟,李昂昂,朱栋梁

(广西大学资源环境与材料学院，南宁 530004)

在深孔爆破施工中，不可避免的会对周围环境产生影响，例如：爆破飞石、爆破振动、爆破产生的有害气体和烟尘等。孔内的炸药除了将能量作用在周围的岩土之外，剩余的能量会以振动波的形式向外部释放，当振动波足够大或者与其他炮孔产生的振动波相互叠加，将会严重影响附近的居民楼或者重要建筑的结构安全[1]。广西某水利枢纽二线船闸工程位于柳州市柳江县红花村附近，该工程爆破最近地点距离当地民房不足百米。由于工程量大，时间紧迫，只有采取每日爆破的方式才能完成任务，因此爆破产生的振动使得当地居民担心房屋的安全，影响到施工单位与当地村民的关系。如何优化与振动相关的爆破参数进而降低爆破振动效益成为该工程亟待解决的一个问题。

国内许多学者利用正交试验[2]进行爆破参数的优化分析，吴帅峰等[3]通过正交试验来确定在爆破振动的作用下，混凝土龄期、振动速度、振动持续时间和振动频率对于新浇筑的混凝土强度的影响。向云武等[4]利用正交试验进行深孔回采爆破设计，经过系统的研究与分析之后，得出孔径为57 mm，炮孔密集系数为1.25，孔底起爆的爆破方案，取得了良好的效果。饶运章等[5]为改善矿山劳动强度、生产效率以及安全条件等，通过正交试验分析抵抗线、孔排距、填塞长度3个因素的最优解，从而降低了爆破大块率，改善了爆破效果。李杰等[6]通过正交试验定量分析孔距、抵抗线、超深、起爆位置对露天爆破作业经济成本的影响，以某路基工程爆破为实例进行验证，最终确定了最优方案。苏静等[7]利用正交试验法分析了不同爆破参数下的大块率、粉矿率的影响因素，最后取得了良好的效果。

在本次工程爆破中，为了降低爆破振动以及减弱对临近建筑物的影响，采取正交试验法对爆破参数进行优化研究，找出最大单段药量、排间延时、炮孔密集系数和起爆药包位置的最佳组合。研究所取得的降低爆破振动大小的成果，对该工程后续的爆破振动控制具有参考作用。

1 地质概况

工程区位于新华夏系构造体系的穿山向斜、穿山断裂和长沙背斜、呈村断裂之间，主构造方向为北东10°至30°，是本区占主导地位的构造形迹，也是新华夏系体系中的第Ⅲ、Ⅳ序的第一级构造，坝址区发育了一组相互平行的挤压断层带，呈北东和北西方向雁行排列，伴生一组北西向发育的扭裂带，形成“多”字型扭动构造的格局。坝址岩层产状走向基本平行坝轴线，约北东20°至40°，倾向北西或南东，倾角变化大。

根据地质测绘、钻孔岩芯及钻孔电视录像显示，船闸区节理裂隙主要发育4组：①北西290°/南西或北东∠30°至60°，延伸3～5 m，渲染泥质薄膜，局部有炭质，方解石脉等物质充填，与船闸区层间褶皱发育形成张性裂隙发育有关；②北西325°/北东或南西∠60°，倾角以陡倾为主，裂面多闭合或微张，局部有炭质，方解石脉等物质充填；③北东60°/南东∠15°至45°，延伸短小，一般小于3 m，闭合或微张，起伏粗糙为主；④节理为顺层节理，现场测绘未统计，但前期坝址勘察时统计为走向北东5°至15°，倾向北西或南东，倾角较陡，一般均大于45°，裂隙多闭合，较平直，无充填，延伸长度大多在5 m以内，少数达十余米。

2 影响爆破振动大小的因素

影响爆破振动大小的因素有很多，根据汪旭光编著的《爆破设计与施工》[1]以及一些学者和施工人员的研究、现场结论，有以下几个因素。

1)孔距、排距。合理的孔、排距，能够保证炸药能量不会集中在一处释放，使炸药均匀的将能量释放在被爆岩体中，从而避免集中瞬时爆炸产生巨大的振动。一般工程要求炮孔密集系数大于1。

2)最大单段药量。爆破振动大小的主要影响因素之一是单段最大起爆药量。李斌等[8]通过灰色关联分析法得出最大单段药量是影响浅埋隧道稳定性的首要因素。一次爆破振动的峰值大小往往取决于单段最大药量，近几年兴起的毫秒延时爆破就是严格控制了单段的最大药量，将一次起爆药量分为间隔几十毫秒的多段起爆药量，减少了单段的最大药量，从而减小了爆破振动效应。

3)延时时间间隔。多段毫秒延时起爆在段与段之间存在起爆时间间隔，目的是为了让先爆炮孔与后爆炮孔所产生的振动波的峰值错开而不能叠加，进而使得部分振动波能量发生干涉从而抵消，达到削弱爆破振动能量的目的。我国的一些爆破工程实践表明：采用多段毫秒延时起爆相比齐发爆破起爆的平均减振率达到了50%。

延时时间除了孔间延时，还有排间延时。在相同总爆破药量和传播介质条件下，排间延时越大，爆破振动峰值越小，但是减振效率并不是随着排间延时的增大而增加，一般延时时间大于2 s后，爆破振动峰值速度降低得不明显，相反爆破效果还会受到影响。

4)起爆药包位置。虽然起爆药包位置对于爆破振动的影响在国内研究不算太多，但结合龚敏等[9]对延长药包不同位置的起爆力场研究以及张丹[10]在起爆药包空间分布对爆破地震强度分布的特征研究，以及现场施工经验可知，起爆药包位置的不同，也会影响到爆破振动峰值的大小。

3 爆破参数正交试验

3.1 因素选择

结合广西某水电站航道5～6 m深孔爆破实际情况，且保证试验的公平性，4个因素选择为最大单段药量、排间延时、炮孔密集系数、起爆药包位置。因现场周边环境复杂，该工程每日爆破任务规定了最大单段起爆药量不超过33 kg，且为了取得较好的爆破效果，不能低于15 kg。排间延时水平取值根据张勤彬[11]的研究成果，通过大量数据分析，提出了排间延时时间间隔为0、0.5、1、1.5 s，以减小爆破峰值大小。炮孔密集系数根据文献[1]的理论与该工程的实际情况，选取了0.85、1、1.15以及1.3。起爆位置取值依次从孔口至孔底，均分整个炮孔，每段长1/3，避免因长度不均而引起误差。选取离爆破施工现场最近的民房为中心点，在距离该民房100～110 m范围内，且试验现场土地介质系数大致相同、同一高程的情况下进行正交爆破试验。最大单段药量单位为kg，正交代号为A,；排间延时单位为s，正交代号为B；炮孔密集系数正交代号为C，无单位；起爆药包位置用起爆药包距孔底的距离与整个炮孔长度的比例(孔底为0，孔顶为1)表示，正交代号为D。为了让数据有充分的科学代表性，4个因素均取4个水平(见表1)。

表1 各爆破参数正交试验因素水平

3.2 考核指标

一般深孔爆破会产生爆破飞石、爆破有害气体和爆破振动等危害，在本工程中，由于爆破现场距最近民房的距离过近，爆破振动是最主要的爆破危害，由反向起爆引起的爆破飞石因炮孔上方有覆盖物防护，故不考虑其影响。所以试验采用爆破振动速度峰值大小作为考核指标。爆破振动测试采用中科测控TC-4850爆破振动测试仪，测点布置安装在中心点民房地基上，具体仪器及现场情况如图1所示。

图1 仪器及现场情况Fig.1 Instrument and site situation

3.3 试验方案设计及试验结果

正交试验结合数理统计原理可以最大限度的减少试验次数，并且可以考虑尽可能多的因素，从而找到最佳的试验参数方案。因此，本次试验考察4种因素对爆破振动大小的影响效果，每种因素取4个水平，因为不进行重复实验，故加入一列空白列作为误差项，代号为E，适宜选用L16(45)正交表[12]进行试验。

现场利用电子数码雷管进行网路连接，因电子数码雷管具有延时精度高，分段准确等特点，故有利于减少有关试验误差，按照此方案利用TC-4850爆破振动测试仪监测、采集各水平指标的振动大小，正交试验设计如表2所示。

表2 各爆破参数正交试验设计

3.4 试验结果分析

1)极差分析。根据表2的数据进行极差分析。对各因素水平计算得到其总和K1、K2、K3、K4及其均值k1、k2、k3、k4。之后再计算极差R，计算结果如表3所示。

表3 极差分析

正交试验中，因素的极差值越大，表明其对试验的影响程度越高，反之则越低。从表3可知，最大单段药量对试验结果影响最大，其次是排间延时大小，接着为起爆药包位置，相对于该工程的其他影响因素，炮孔密集系数的影响最小。

2)显著性方差分析。对爆破试验所得的爆破振动数据进行方差分析，得到显著性检验方差分析数据(见表4)。

表4 爆破振动显著性检验方差分析

注：*为显著，-为不显著,/为无此项，F为离差均方与误差均方的比值。

在极差分析中，极差值越大，表明因素对试验结果影响越大，显著性方差分析中，当F比值远远大于F临界值，则认为因素对试验结果影响越大。从表3～表4可知，影响因素最大的是最大单段药量，第二为排间延时，第三为起爆药包位置，炮孔密集系数F比值没有超过F临界值，且极差值也最小，故为不重要的影响因素。

4 爆破最优参数选择及效果

4.1 最优参数选择

根据极差分析表，将每个因素的振动速度均值作为纵坐标，各因素水平作为横坐标，绘制因素-指标直方图(见图2)。

注：横坐标为各因素水平及其正交试验设计值。图2 因素-指标Fig.2 Factor-indicator

从图2可以看出，要想降低爆破振动峰值速度大小，则应取最优的爆破参数，即：最大单段药量为15 kg，排间延时为1.5 s，炮孔密集系数为0.85，起爆药包位置为孔底。在保证施工进度的前提下，最大单段药量越小越好。

4.2 效果分析

为了验证正交试验法得到的最优的爆破参数，在距离爆源中心110 m的另一座民房地基上进行了数据采集，结果是相比于优化前，爆破振动峰值得到了明显的降低和控制。具体优化前后的爆破参数及振动峰值数据如表5所示。

表5 优化前后爆破参数与振速对比

优化前爆破振动大小与优化后爆破振动大小的差值比上优化前爆破振动大小称为降低率[13]，具体降振率公式为

(1)

所以本次优化前后降振率为

通过降振率可知，优化后的爆破振动相对于优化前的爆破振动减小了25.87%，降振效果较为明显，取得了良好的试验效果。

但是随着后期观察爆破效果时发现，排间延时时间为1.5 s的爆破大块率较高，增加了后期破碎岩石的成本，而排间延时时间为1.0 s时爆破效果较好，成本得到控制。故将上述最优爆破参数中的排间延时时间改为1.0 s进行爆破振动数据采集，即最大单段药量为15 kg，排间延时为1.0 s，炮孔密集系数为0.85，起爆药包位置为孔底的爆破参数。结果发现，爆破振动为5.216 mm/s，减振率为23.10%，相比于排间延时时间为1.5 s的减振率小2.77%。

5 结语

1)利用正交试验法进行爆破参数优化，能有效地减少试验次数，减少工作量，缩短试验周期，还能保证数据的均衡性，并能得出较优的爆破参数。

2)正交试验设计表增加空白列，能排除试验结果是因为误差而引起的可能，使试验结果更加科学合理，可靠度更高。

3)极差分析法仅仅只是从直观角度判断因素的影响程度大小，运用显著性方差分析能够更加科学的判断因素是否对试验有显著性影响。

4)考虑爆破振动波的干涉叠加效应，采用1.5 s大段间延时时间所产生爆破振动效应最小，降振率为25.87 %，但此时爆破效果较差。而选用排间延时为1.0 s，其他爆破参数不变的情况下，减振率为23.10%，减振率仅比排间延时为1.5 s时的减振率小2.77 %。结合爆破效果和成本控制来看，1.0 s大段间延期时间所产生的爆破振动效应及爆破效果均能满足要求，故取1.0 s为大段间延时时间。

5)根据现场实际情况，结合爆破效果和成本，爆破参数最后选取为：最大单段药量15 kg，排间延时为1.0 s，炮孔密集系数为0.85，起爆药包位置为孔底起爆。