改进的爆破诱发振动评估方法及其实验验证

《Measurement》：An improved proposal for assessing blasting-induced vibration verified by experimental studies

　　

爆破诱发振动（blasting-induced vibration）被测量和分析。在军事训练区进行了浅层爆炸（shallow explosions）。将应用于采矿诱发振动（mining-induced vibration）的方法与专用于铁路诱发振动（railway-induced vibration）的方法相结合。新颖方法的结果表明，浅层爆炸诱发的振动具有介于采矿诱发振动和铁路诱发振动之间的中间特性（intermediate character）。

论文解读：改进的爆破诱发振动评估方法及其实验验证

研究背景与问题：目前，针对浅层爆炸诱发的振动，缺乏统一的分析方法。采矿诱发振动（mining-induced vibration）和铁路诱发振动（railway-induced vibration）各自采用不同的评估方法，如采矿领域常用地震能量和局部震级，而铁路领域则基于均方根（RMS，Root Mean Square）加速度或速度在1/3倍频程谱中的分析。这些方法在定量比较时存在困难，尤其对于短时脉冲振动（如爆炸）与长时准静态振动（如铁路）的评估标准不统一。因此，有必要整合这些方法，以统一评估人类对振动的暴露（感知阈值）和工程结构的安全性。研究人员开展了什么研究：在军事训练场进行了两次浅层爆炸实验（blast #1和blast #2），使用48kg TNT炸药，埋深1.0–1.5m，产生2×10⁸ J爆炸能量。通过布设不同距离的加速度计（ICP和MEMS传感器），测量了自由场加速度和速度时程，并采用窄带谱（narrowband spectrum）和1/3倍频程谱（one-third octave band spectrum）分析主导频率和RMS值。同时，与采矿诱发振动和铁路诱发振动的文献数据进行了比较。得出以下结论：浅层爆炸诱发的振动具有双重特性——低频主导（类似采矿震颤）和高PGA/PGV比（类似铁路振动），该研究为安全评估提供了实用价值。论文发表在《Measurement》。

关键技术方法（不超过250字）：主要方法包括：(1) 时域分析，用于评估最大加速度和速度振幅及其比值PGA/PGV（峰值地面加速度/峰值地面速度）；(2) 窄带谱分析，用于识别主导频率；(3) 1/3倍频程谱的RMS加速度和RMS速度分析，用于评估人类对振动的暴露，参照ISO 2631-2标准。实验在波兰军事训练场进行，土壤为细粒非粘性土，下伏第四纪和第三纪沉积。采用两次爆炸事件（blast #1和blast #2），传感器包括PCB 393A03 ICP加速度计（灵敏度1020 mV/(m/s²)，频率范围0.5–2000 Hz）和PCB 3711E112G MEMS加速度计（灵敏度1020 mV/(m/s²)，频率范围0–400 Hz）。blast #1采样频率为1000 Hz，blast #2采样频率为400 Hz。数据采集系统为16通道Data Translation DT9857E。传感器布置在距离爆源466 m、519 m和520 m处，分别测量垂直（Z）、径向（X）和横向（Y）分量。

研究结果：以下结果均基于原文的实验数据和分析。

3.1. 加速度分析
3.1.1. 加速度：时程
通过比较两次爆炸的时程，发现垂直分量最大加速度为29–36 cm/s²，径向分量为4.2–4.8 cm/s²。最大加速度出现在体波（body wave）到达时刻，面波（surface wave）振幅较小但持续时间长。时程分析揭示了体波与面波在频率上的差异。
3.1.1.1. 加速度：窄带谱
窄带谱显示主导频率为5 Hz（第一次）和17–18 Hz（第二次），垂直和径向分量均如此。更高频率的峰值在分量间有差异，表明垂直与径向分量在波型组成上的不同。
3.1.1.2. 加速度：1/3倍频程谱中的RMS
1/3倍频程谱显示两个峰值：5 Hz中心频带（面波）和40–50 Hz中心频带（体波）。感知阈值（perception threshold）未被违反，但垂直分量在5 Hz频带接近阈值（相差约5 dB），径向分量则远低于阈值。
3.2. 速度分析
3.2.0.1. 速度：时程
速度时程中，第二次到达（面波）振幅占主导，垂直分量振幅大于水平分量。该趋势与加速度时程一致。
3.2.0.2. 速度：窄带谱
窄带谱显示主导频率为5 Hz，更高频率振幅较低。blast #1的5 Hz峰值更突出，表明爆炸事件间存在细微差异。
3.2.0.3. 速度：1/3倍频程谱中的RMS
1/3倍频程谱确认5 Hz中心频带为最大峰值，同时在40–50 Hz出现局部峰值。感知阈值在5 Hz频带接近违反，与加速度结果一致，验证了加速度与速度分析的互补性。

总结讨论部分：讨论部分比较了加速度和速度的局部最大频率与振幅，发现第一主导频率（4–6 Hz）在加速度和速度记录中一致，且垂直分量振幅高于水平分量。通过PGA/PGV比值（峰值地面加速度/峰值地面速度）的比较，发现浅层爆炸（blast #1: 290 s^-1，blast #2: 367 s^-1）与铁路振动（273 s^-1）相似，而远高于采矿诱发振动（42 s^-1）和自然地震（40.5 s^-1）。这表明爆炸诱发的振动在PGA/PGV特性上更接近铁路振动，但在主导频率（4–6 Hz）上更接近采矿振动（低频主导）。此外，讨论还指出各向异性对振动水平的影响，但未在本研究中详细验证。该方法可应用于高度工业化地区，统一评估采矿、铁路和爆炸振动。

翻译研究结论部分：基于在军事训练场进行的浅层爆炸实验研究，得出以下结论：
- 将窄带谱和1/3倍频程谱的方法应用于诱发地震和爆破是合理的，其所得主导频率与基于傅里叶变换的文献结果可比，且该方法能检查感知阈值是否被违反。
- 加速度和速度的统一分析在主导频率上给出可比结果，但在最大振幅关系上存在差异，表明爆破诱发振动更接近铁路诱发振动，因此需要应用传统用于铁路振动的方法（如窄带谱和1/3倍频程谱），但考虑到记录中多种波型，也需进行详细时程分析。
- 铁路振动与爆破振动方法的统一，可进一步应用于采石场爆破、矿山震颤和弱地震，这些振动兼有铁路振动的高PGA/PGV比（约250–350）和采矿振动低频主导（3–10 Hz）的特性。
- 所提出的创新方法可用于高度工业化地区，这些地区同时存在采矿活动和道路铁路运输，其振动表现出低频主导（类似采矿震颤）和高PGA/PGV比（类似铁路振动）的双重特征。