摘要：文章主要介紹了國內外爆破振動檢測中硬件和軟件的現(xiàn)狀，分析了爆破振動測試中的技術要點和存在的問題，提出了爆破振動測試和分析的注意事項，探討了爆破振動測試技術的發(fā)展動態(tài)。
1 爆破振動波時頻特性
爆破地震與天然地震主要區(qū)別在于時頻特征差異。天然地震振動時間較長，一次振動能持續(xù)幾秒至幾十秒，而爆破地震持續(xù)時間很短，一次振動只有幾十毫秒～幾秒，常用的毫秒延期雷管段數(shù)為15段以內，15段雷管延時為1秒。更長的延時依靠接力傳爆，但爆破震動波持續(xù)時間大多數(shù)在3秒以內完成，所以時域特性來看爆破地震的單次記錄時間不會很長。另外從振動次數(shù)上來看，天然地震常伴有多次余震，而爆破震動大多數(shù)是一次完成，也有采石場或某些石方開挖爆破工程中，需要多次爆破或長期生產爆破，地震波作用造成的危害會不斷累加，產生疲勞破壞。因此對于多次或長期爆破產生震動應作多段爆破記錄。
爆破地震波的頻域特性上，主振頻率較高，一般爆破振動主頻在5Hz～300Hz，爆破地震頻率受多種因素影響，而建筑物對各頻率震波的動力響應關系與振動危害性密切相關。根據(jù)國內外眾多測試資料分析表明，一方面爆破地震波隨著傳播距離的增加，其振動主頻不斷降低；另一方面爆破地震波主頻受爆破類型、裝藥結構、地形地質條件等多種因素影響。為了獲得真實的爆破振動信號，在爆破振動檢測前應當初步估計爆破地震波的主振頻率特征，從而更好地設定記錄儀的采樣頻率、選擇合理的傳感器響應頻率，才能有效地滿足爆破振動測試的要求。
目前爆破振動測試所用儀器類型很多，隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字式記錄儀越來越多，有國產的也有進口的，數(shù)字式記錄儀使用更方便、可靠，但缺乏統(tǒng)一的標準。此外傳感器的選型和安裝尚無統(tǒng)一的規(guī)定和要求，振動數(shù)據(jù)的分析軟件各不相同，所以很多爆破振動測試并沒有規(guī)范，甚至有些測試數(shù)據(jù)可信度較低。下面對爆破振動測試技術現(xiàn)狀作簡要介紹。
2.1 振動速度傳感器
2.1.1 傳感器頻率要求
前面已論述過爆破地震波的頻域特性，大多數(shù)情況下爆破地震頻率范圍在5Hz～300Hz。選用的振動速度傳感器頻率響應范圍一般宜在3Hz～500Hz，但一般國產振動速度傳感器頻率范圍較窄，大多數(shù)傳感器低頻域高于10Hz，低頻域小于10Hz的傳感器高頻域又只能到80Hz，這類傳感器基本不能用于完整的爆破振動測試。通常爆破振動波頻域較廣，頻率成分復雜，所以在傳感器配備安裝方面一定要注意這問題，否則測得的低頻域數(shù)據(jù)會嚴重失真。最好在振動臺上標定速度傳感器后才用于爆破振動測試中。
2.1.2 傳感器的安裝
傳感器的安裝有不同意見[1][2]，有人建議用鋼釬牢固地嵌入巖體中做傳感器支座，也有人認為只需直接將傳感器置于地表。根據(jù)美國Dowding博士的研究，當振動較小時，傳感器的固定方式對測量結果影響很小。一般的地表振動測試中，因振動幅值不大，頻率不高，只需將傳感器直接置于地表，周圍用石膏粘附即可。在地下巷道內墻壁上測試強烈爆破振動時，需用短鋼釬嵌入巖體中，將傳感器固定在鋼釬上，而一般巖石表面應盡可能直接安裝傳感器。
我們在測振過程中做過對比試驗，在相同位置1#撐測振點安裝在固定釬桿上，釬桿用水泥砂漿嵌固在直徑18mm深10cm的孔內，每次測試時將傳感器擰緊于該釬上。2#撐測試點距鋼釬固接點20cm處，用石膏將傳感器底座直接固定于地面上，對比分析兩種連接方式獲取爆破振動數(shù)據(jù)，從而確定拾振器的不同固定方式對爆破振動數(shù)據(jù)采集的影響程度。結果是：鋼釬固接、石膏固接方式的爆破振動波形基本一致，看不出峰值和主頻的差別，峰值誤差小于3％，沒超過儀器誤差值。因此，一般情況下我們推薦石膏固接安裝法。
2.1.3 傳感器的其它要求
傳感器屬于敏感器件，野外使用環(huán)境條件差，顛簸振動較大，容易受損，因此傳感器應定期標定，發(fā)現(xiàn)線性度偏差較大的傳感器一定要停止使用。
傳感器有豎向和橫向之分，在測量三向振動分量時，應注意傳感器的方向性。現(xiàn)國外提供有三向速度或加速度傳感器，一個傳感器可同時測試出X、Y、Z三個方向的振動分量，能方便準確地求出合速度，這種傳感器是今后爆破振動測試的發(fā)展方向，目前因價格高且標定困難，不易推廣，但爆破振動測試應以三向量測為主，三向合速度更能反映振動強度大小。
2.2 振動記錄儀
2.2.1 爆破振動記錄儀的基本要求
爆破振動記錄儀正向數(shù)字式自動記錄方式發(fā)展，它利用最新的電子技術和計算機技術，使爆破振動記錄儀輕小、便攜，且功能齊全，省去了現(xiàn)場遠距離放線的麻煩和信號干擾。我國爆破振動自記錄儀的研制開始于90年代初，現(xiàn)在已有多種產品，發(fā)展成多家競爭的局面，美國、加拿大的產品也正在打入國內市場，當前大部分振動自記錄儀都基本能滿足一般振動測試要求。根據(jù)實踐經驗總結，爆破振動自記儀應滿足以下幾方面要求：
(1) 自觸發(fā)設置要可靠。野外測振自動記錄儀一般放置在傳感器附近，這樣可省去了放長線，因此自動記錄儀的觸發(fā)方式一般選擇自動內觸發(fā)(因外觸發(fā)時必須放長距離外觸發(fā)信號線)，若內觸發(fā)有誤，將導致測試失敗。
(2) 記錄應有負延時記錄。若由自觸發(fā)啟動記錄存儲，沒有負延時設置，有可能丟失振動波頭記錄，波頭信號非常重要，據(jù)此可反算出地震波的傳播速度，一般負延時記錄應達到0.25s左右。
(3) 一臺記錄儀至少應有三個通道。通常測量某點三個方向的振動分量，需要三個傳感器接入同一臺記錄儀，它可保證三個方向同步記錄，便于求出任一時刻矢量合速度。一般情況下合速度峰值要比單個方向速度峰值大，合速度峰值更能反映真實振動強度，用合速度峰值控制安全系數(shù)更符合理論意義。
(4) 記錄儀的內存可適當加大，隨著計算機技術的發(fā)展，大容量內存條已不再昂貴，增大記錄儀的內存，可增加記錄波形的數(shù)據(jù)容量，方便野外多次測振記錄，甚至可以進行全天候振動記錄，滿足了可靠振動監(jiān)測的要求。
(5) 野外自動記錄儀主要發(fā)展方向是輕便、耐用，能準確、可靠地捕獲到信號，一般野外條件潮濕、多塵、溫差大、顛簸振動大，對儀器的密閉防水要求很高。
(6) 隨著網絡通訊技術的發(fā)展，將測振儀數(shù)據(jù)通過網絡傳輸，開發(fā)出下一代遙測爆破振動儀器是未來發(fā)展方向，爆破振動檢測與分析工作可通過網絡傳輸轉移到室內計算機上完成，功能更強大振動檢測和分析軟件可更好地指導爆破設計的改進。
2.2.2 爆破振動分析軟件
軟件分析功能已是振動測試儀的主要功能之一。根據(jù)大量振動測試的實踐總結，一般對振動分析軟件有以下要求：
(1)最大振動速度值的尋找。要求軟件中能自動、方便地找到各分段爆破的峰值振動速度和對應的時刻，使一次爆破振動記錄能得到更多的信息量；
(2)對振動波形作微分、積分處理。因振動速度微分一次可得加速度波形，積分一次可得位移波形。雖然這樣獲得的加速度和位移參量有些誤差，但對評價爆破振動安全提供了補充參考；
(3)對波形進行頻譜分析，頻譜分析方法可選：FFT分析、小波分析、HHT分析等，以后須規(guī)范爆破振動主頻分析方法，確定主振頻率對振動安全性評價有重要意義；
(4)速度矢量求和。對三個方向的速度分量求和，可得不同時刻的合速度波形，分析其的最大值，它更能全面反映振動強度大小，所以速度矢量求和必不可少；
(5)方便的信息輸入、存儲、打印。采用Windows操作方式的輸入、儲存、打印是軟件發(fā)展的方向，它為用戶提供了極大的方便。
目前國外測試儀所帶的分析軟件更為全面，它可附有GPS定位和網絡數(shù)據(jù)傳輸，而且還有爆破噪聲測試功能[3]。
3 爆破振動測試結果輸出
爆破振動測試除了要輸出完整的測試報告，還要求保存完整的現(xiàn)場記錄。實際上現(xiàn)場記錄表更為重要，我們發(fā)現(xiàn)沒有統(tǒng)一格式的爆破振動記錄表，記錄中容易丟失一些重要信息，不便于后來查找或借用。一個完整的爆破振動測試報告應包括如下一些記錄內容：
(1)一般情況：時間、地點、環(huán)境溫度、濕度、風向、風力、測試單位、操作人員；
(2)爆源情況：總裝藥量、分段數(shù)、分段炮孔數(shù)和藥量、爆區(qū)范圍、起爆方式；
(3)測試場地情況：測點方位、離爆源距離、測點地形和地質條件、周圍環(huán)境；
(4)傳感器安裝情況：傳感器安裝方法、安裝方向、傳感器型號、廠家、傳感器靈敏度、頻率范圍、量程、線性度、編號；
(5)記錄儀情況：記錄儀名稱、型號、編號、觸發(fā)方式、量程選擇、采樣頻率、通道數(shù)及編號；
(6)記錄波形輸出：振動波形應有時間標尺，標出最大振幅值和所處時刻；
(7)振動衰減規(guī)律回歸分析：根據(jù)經驗公式
回歸，求出κ、α值；
(8)描述爆破前后儀器和保護物有無損壞跡象；
(9)附上儀器傳感器標定證書；
4 測試中的幾個問題
(1)標定
要想獲得準確振動波形記錄，對儀器的標定是必須的。雖然傳感器在出廠時會提供不同頻率下的靈敏度變化曲線，但是為了數(shù)據(jù)的準確可靠性，仍然必須對傳感器作定時標定，標定或校核需要專用振動臺，其頻率和信號均可控制，對線性度誤差太大的傳感器應作特別標記而放棄使用。
除了對傳感器作定時標定外，還應對數(shù)字式記錄儀進行標定，數(shù)字式記錄儀的標定方法可將示波器產生的標準正弦波電壓信號輸入到記錄儀中，然后由振動記錄儀輸出波形，將輸入波與輸出波對比，可以標定出記錄儀的誤差范圍。
僅對傳感器和記錄儀單獨標定還不夠，對整個測量系統(tǒng)的標定最重要，整個測量系統(tǒng)的標定也必須有專用振動臺，系統(tǒng)誤差是最終誤差。當前我國計量檢測中心由于缺乏數(shù)字式爆破振動記錄儀的分析軟件，通常對整個測振系統(tǒng)作標定有困難。沒有標定的儀器檢測結果不能作法律依據(jù)。
(2)測振儀數(shù)量配備
測振儀數(shù)量配備應根據(jù)振動測試的要求而定。若為監(jiān)測特定地點的振動量級，則根據(jù)監(jiān)測點數(shù)量和要求而定。這在很多國家是非常必要的[2][3]，因為即使所有爆破效應都符合規(guī)章條例，他們也擔心會發(fā)生訴訟事件。而在我國隨著城鎮(zhèn)附近的控制爆破漸增，對爆破振動的投訴和振動監(jiān)測需要也不斷增加。
另一方面若要全面記錄振動效應的空間分布，應在一條或幾條測線上至少布置3～5臺測振儀，每臺測振儀能記錄一個測點的三軸向振速與時間的關系。測點位置并非按等間距布設，而最好按照等對數(shù)距離排列，例如按照10cm，100m，1000m這樣的間距設置，當然在特別關心的振動區(qū)域可加密幾個測點。
(3)振動記錄儀量程和采樣頻率的設置
要想獲得較好的振動波形，量程選擇很重要。量程選擇過小時，因實際振動量相對過大，使得記錄到的振動波形削峰，而丟失了峰值振動速度(PPV)；量程選擇過大時，因實際振動量相對過小，使得振動波形呈小鋸齒形，難以區(qū)分不同幅值的差異變化，也不便作其它的分析處理。因此選擇量程前，應根據(jù)經驗公式預估最大峰值振動速度，一般情況下要求最大峰值處于量程的40％～80％范圍較適當。當然現(xiàn)在也已開發(fā)出自動調節(jié)量程的振動記錄儀。
采樣頻率的選擇應按照以下原則設定：采樣頻率應比爆破振動頻率大100倍以上，以保證每個振動周期內有100個以上的采集樣點。足夠密度的樣點可保證進一步分析的準確、可靠性。但采樣頻率過高，波形的記錄時間要相對縮短，原因是每次采樣記錄的數(shù)據(jù)點是固定的。所以，具體如何設定采樣頻率應在滿足上述原則的基礎上，根據(jù)爆破振動持續(xù)時間來調整。持續(xù)振動時間長盡可能降低采樣頻率，持續(xù)振動時間短可使采樣頻率提高。隨著海量儲存和悠采技術的應用，現(xiàn)在可不必考慮持續(xù)振動時間長和儲存量不足的問題了，可以實現(xiàn)長期的監(jiān)測和記錄波形。
(4)振動衰減規(guī)律回歸分析
峰值振動速度衰減規(guī)律分析通常采用經驗公式 回歸，求出κ、α值，其中的Q為單響藥量。但隨著高精度延時雷管和電子雷管的應用，逐孔起爆網路將各炮孔的起爆間隔時間安排在l～10ms，所有炮孔連續(xù)不斷相繼引爆，各段之間沒有明顯分界，振動波既相互疊加又使峰值錯開。若仍采用傳統(tǒng)的經驗公式分析，其中單響藥量Q難以確定。實際上傳統(tǒng)的同段位群藥包就包含的各藥包之間的1～10ms延時誤差了。現(xiàn)在高精度雷管應用后，相當于在某單位間隔時間段引爆的炸藥量，但該單位時間十分微妙，還有待于今后深入研究。這里僅提出傳統(tǒng)的經驗公式已經遇到挑戰(zhàn)。
5 測試結果分析
(1)波形分析
爆破振動波形的特征是短間隔多次振動，因為一次爆破通常都是分段起爆，每段爆破將根據(jù)藥量和爆破條件的變化(如夾制條件、炮孔分散性、裝藥結構等不同)而產生不同的振動峰值，因此在波形分析中根據(jù)不同時刻的峰值變化，首先將不同起爆段分別對應的峰值振速查找出，這樣一次爆破測振可獲得更多的比例距離條件下的峰值振速信息，增加了振動數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的可靠性、準確性，也提高了振動測試的效率。
(2)主振頻率
現(xiàn)今振動測試儀配套軟件中都已帶有FFT分析工具軟件，今后需要提供小波分析、HHT分析等多種分析方法，選取所關心的振動波形段進行頻譜分析是測試結果分析的重要部分，頻譜分析需要作統(tǒng)一規(guī)定。
(3)振動持續(xù)時間
爆破振動持續(xù)時間分為一段振波持續(xù)時間和全部爆破振動持續(xù)時間。一段振波可分成主振段和尾振段[2]，從初至波到幅值衰減到A=Amax/e以為主振波，主振波歷時為段振波持續(xù)時間。根據(jù)段振波持續(xù)時間可確定合理微差起爆間隔時間，可分析介質
的阻尼特征等。全部爆破振動持續(xù)時間指振動波初始到結束的持續(xù)時間，大多數(shù)情況下對全部爆破振動持續(xù)時間并不關心，但它也是反應爆破振動強弱的重要指標之一，在考慮振動疲勞破壞時有一定意義。
(4)地震波傳播速度(Vw)
利用地震波波形時標，可以讀出振波初至該測點的時刻，計算出不同測點初至波的時差(tW=tB-tA)，以及不同測點至爆源的距離差(RW=RB-RA)，地震波波速VW=RW/tW。當測點距離太近時，由于時差太小，若采樣頻率過低，地震波波速計算精度低、誤差大。因此需作波速計算時應使兩點間距加大，并且保證兩測點同時觸發(fā)記錄。
由于地震波在傳播過程中遇到不同的地質條件，它將影響地震波的傳播速度，因此通過計算地震波波速還能推測不同地質條件的改變。
