水下深埋岩石爆破振动衰减规律研究.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.005 水下深埋岩石爆破振动衰减规律研究 费鸿禄，械宇，关福晨，刘I 辽宁工程技术大学爆破技术研究院，阜新123000 摘要由于传统振动速度预测公式未考虑水体对爆破振动传播的影响，为了提高水下爆破质点振速的预 测精度，基于量纲分析理论，考虑爆破振动速度监测点与爆源之间的地形高程差和水平距离彩响因素，同 时引入海水深度影响因子，构建水下深埋岩石爆破质点峰值振动速度公式。采用多元非线性回归分析方法， 结合厦门海底隧道爆破现场试验实测数据进行质点峰值振动速度预测并分别与萨氏公式及一个萨氏修正公 式的预测结果进行了对比分析。研究结果表明水下爆破质点峰值振动速度预测平均相对误差分别为 20.20、6.98、7.50 ；；当水深变化不明显时，量纲理论推导出的振速公式与高程振速公式对质点峰值振 动速度预测精度基本一致。基于量纲理论推导的公式预测施工过程中保护对象的安全距离及爆破药量，可 以指导海底爆破安全施工。 关键词水下钻孔爆破；质点峰值振动速度；量纲分析；衰减规律；安全距离 中图分类号TV542 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0026 - 08 Vibration Attenuation Law of Underwater Deep Buried Rock Blasting FEI Hong-lu, SUN Xiao-yu, GUAN Fu-chen, UU Yu In st it u t e o f Bl a st in g Tech n iq u e, Lia o n in g Tech n ica l Un iver sit y, Fu xin 123000, Ch in a Abstract The influence of water on blasting vibration propag ation is not considered in the traditional prediction ula of blasting vibration peak particle velocity. I n order to improve the prediction accuracy of underwater blasting vibration peak particle velocity, the ula of peak particle velocity of blasting vibration in underwater deep buried rock was constructed based on the dimension analysis theory, which considered the influence factors of topog raphy elevation difference and horizontal distance between the monitoring point and the blasting center, and the influence factor of seawater depth. Combining with the measured data of Xiamen submarine tunnel blasting field test, the peak particle velocity was predicted by using multivariate non-linear reg ression analysis . The predicting work was taken by new ula,Sadovsk ula and a modified Sadovsk“s ula, the averag e relative error was 20. 20 , 6. 98 ,7.50 according ly. When the depth of water was not chang ed obviously,the vibration velocity ula de rived from the dimensional theory and the elevation vibration velocity ula were basically consistent with the pre diction accuracy of the peak particle velocity of the particle. The ula derived from the dimensional theory predicts the safety distance and the amount of explosives in the construction process, which can g uide the safe construction of submarine blasting . Key words underwater bored blasting ； ； peak particle velocity; dimensional analysis; attenuation law; safe dis tance 收稿日期 2020-04-10 作者简介费鸿禄1963 -，男，教授、博士生导师，主要从事爆破工 程和地下工程方面的科研与教学工作,E-mail feihong lu 163. com0 通讯作者孙晓宇1994 -,女，硕士研究生，主要从事岩土工程和 爆破工程方面的研究， E-mailsunxiaoyu9405 163. com0 近年来,我国地铁、公路、铁路建设蓬勃发展,沿 海、沿江城市的地下交通工程建设，大部分都面临跨 江、跨海问题。随着隧道盾构法技术的日益成熟，复 合地层条件下的盾构法施工技术已得到广泛使 第37卷第3期费鸿禄，孙晓宇,关福晨，等 水下深埋岩石爆破振动衰减规律研究27 用口⑵。但在某些水下施工过程中，存在覆盖软土 层的球状风化岩体和基岩局部侵入隧道开挖断面的 情况,针对该特殊地质条件,一般采用垂直钻孔形式 对侵入岩体进行水下爆破预处理,使岩体均匀破碎, 改善上软下硬的复合地质条件,保护盾构机高效安 全施工⑶。水下深埋岩石爆破与陆域爆破和存在 临空面的水下爆破不同，由于被爆岩体上有一定厚 度的覆盖层，导致被爆岩体没有临空面,使爆破地震 波衰减速度降低，振动强度增大⑷，因此无临空面 的水下爆破振动影响不可忽视。 针对爆破振动衰减规律，国内外学者进行了大 量研究,c Go n zdl ez-Nicieza等认为爆破地震波迅速 衰减与节理面的存在有关，指出地形、地质条件对爆 破振动频率的影响显著⑸；周俊汝等基于弹性波动 理论,借助动力有限元算法,研究竖向钻孔爆破激发 的振动波频率衰减特征⑹；高启栋等对水平光面爆 破激发的地震波采用极化偏振分析方法,研究不同 波的衰减特征及各自对爆破振动的影响⑺；李志文 等考虑爆破地震波传播过程中波阵面的几何扩散和 介质吸收作用，研究爆破振动传播与黏性系数、时频 的关系⑻；李继业等研究岩体重力荷载和爆破振动 荷载的共同作用下,节理边坡岩体的爆破振动衰减 规律⑼。上述研究针对陆域范围内爆破振动衰减 规律问题进行深入分析,但水下爆破振动衰减规律 由于水体的存在与陆域爆破不同。S Temkin等根据 小药量水下爆破实验，建立非线性压力脉冲传播模 型［⑹；邵蔚等通过引入水深比修正传统萨道夫斯基 公式,对水下爆破振动衰减规律进行分析［⑴。李春 军等采用数值模拟的方式，分析不同水深和填塞长 度对钻孔爆破冲击波压力峰值的影响［⑵。陈坤鑫 等应用模拟软件,得到一定深度水下水击波压力峰 值衰减公式［⑶。以上水下爆破研究大都集中在水 下爆破冲击波压力变化规律上，对水下爆破振动衰 减规律描述较少,且水下地质条件复杂，影响爆破振 动速度变化物理量多，所以适合水下场地条件的爆 破振动变化规律的研究是进行水下工程爆破设计、 预测的重要依据。实践证明,运用量纲分析理论推 导的振速衰减公式是适用的［“⑸O 因此，以福建省厦门市轨道交通3号线海底隧 道爆破工程为背景,结合现场勘查资料和试验实测 数据,采用量纲分析的方法并进行无量纲化,构建水 下深埋岩石爆破质点峰值振动速度公式，得到水下 深埋岩石爆破质点峰值振动速度衰减的一般规律。 利用量纲理论推导出的振速公式分析水下爆破施工 过程中保护对象的安全距离及爆破药量,为水下爆 破灾害的有效控制提供依据。 1工程背景 11工程概况工程概况 福建省厦门市轨道交通3号线工程海底隧道段 位于厦门本岛东北部，连接厦门本岛湖里区和翔安 区，左线长度1415.218 m,右线长度1419.928 m,全 线长6500 mo跨海段为五缘湾站〜刘五店站，海域 段全长1100 m,位于同安湾口海域，海底平坦，为侵 蚀堆积地貌。地层土质主要为粗砂、圆砾、风化花岗 闪长岩，单线硬岩段长度约600 m,隧道洞身范围内 基岩（单轴抗压强度最大值为220 MPa）凸起较为明 显，随机分布大小不一的孤石（单轴抗压强度80〜 140 MPa）。施工段隧道采用泥水盾构与爆破施工 方法相结合的形式，即提前对隧道洞身内的基岩和 孤石进行爆破,解决施工范围内岩体软硬不均问题, 避免产生掘进方向偏离轴线以及盾构机磨损等不利 影响。见图l o 图1厦门本岛至翔安过海通道施工平面 Fig . 1 Xiamen island to xiang an channel tunnel construction plane 12爆破参数爆破参数 隧道爆破施工采用水胶炸药、非电导爆管毫秒雷 管，炮孔直径为146 mm,孔间排距为1.2 mxl .2 m, 采用梅花形布孔方式。药卷长度500 mm,直径 100 mm,每卷4炖,炸药参数如表］所示，雷管段别分 别为Ms3、Ms5，对应单段药量分别为36炮、60 kgo为 了避免爆破欠挖导致存在欠炸岩坎,盾构开挖断面外 设置超炸岩石，开挖上断面岩石超炸范围为1.0 m,开 挖下断面岩石超炸范围为2.0 mo施工水平剖面、垂 直剖面区间炮孔布置如图2、图3所示。 表1水胶炸药性能参数 Table 1 Parameters of water g el explosive 炸药密度/ g cm-3 殉爆距离/ cm 爆速/ m ■ s 1 猛度/ mm 作功能力/ mL 1.06-1.15M35.0 xl03M15M310 28爆破2020年9月 建筑限界隧道中心线 建筑限界 图2水平剖面（单位m） Fig . 2 Horizontal section（unit m） 13监测方案 本次爆破采用2台TC-4850测振仪及配套的 三向传感器，将测振仪器放置于海底隧道覆盖层表 面，两台测振传感器间距为20 m,测量范围为距爆 源50〜100 m,测点布置方案如图4所示。由于海 水冲击对振动传感器存在径向和切向扰动,水平方 向振动速度变化响应不可靠。因此,关于水下爆破 所引发的振动强度以垂向振速为主皿，试验所测得 数据如表2所示。 1-炮孔2-覆盖层3-建筑限界4-基岩5-装药段 图3垂直剖面（单位 m） Fig . 3 Long itudinal section（ unit m） 传感器2 爆源 图4监测点布置 Fig . 4 Monitoring points arrang ement 表2试验数据 Table 2 Experimental data 单段最大 药量Q/kg 距爆心水平 距离L/m 覆盖层 厚度H/m 海水深度 h/ m 爆心距 R/m Z轴峰值振速 v / （ cm s 1） 雷管段别 365031.816.559.264.533 605031.816.559.267.725 365029.615.858.104.563 605029.615.858.109.345 366032.416.368.193.803 606032.416.368.197.765 366033.717.268.823.073 606033.717.268.825.895 367035.815.678.622.563 607035.815.678.624.385 367032.014.476.972.743 607032.014.476.975.235 368029.613.985.302.893 608029.613.985.305.505 368027.812.684.693.673 608027.812.684.695.895 609030.713.195.094.615 369028.314.694.342.673 609028.314.694.344.315 3610031.515.8104.842.063 6010031.515.8104.844.235 第37卷第3期费鸿禄，孙晓宇,关福晨，等 水下深埋岩石爆破振动衰减规律研究29 2工程验证分析 v 12 351QV3Ly 2XQ1,3Hy05 2.1基于萨道夫斯基公式预测分析基于萨道夫斯基公式预测分析 1 片語『 （1） 式中为爆破质点振动速度,cm/s； Q为单段 最大药量,kg；7为测点到药包中心的距离,m；为 与爆破场地条件有关的参数;a为爆破质点振动速 度衰减系数。 根据专家学者的研究Ml ,非线性的拟合精度高 于线性拟合，令攀则公式⑴可变为 . . . . X 0 9 8 7 6 5 4 3 2 15 3. 0 9 8 7 6 5 4 3 2 15 3. € ・ U O.O. 2 冒 0.08 0.04 0.06 w 严 图6式5Z轴回归分析 Fig . 6 ula 5 Z-axis reg ression analysis v k pa （2） 将萨道夫斯基公式进行非线性回归分析，得出 a l. 70/ 803、相关系数R0.69,回归结果如图 5所示，则式（1）为 3 C 虽 二赳迪刚曙無無 S Z Q13 R-V m-1 图5式3Z轴回归分析 Fig . 5 ula 3 Z-axis reg ression analysis 2.2基于高程振速公式预测分析基于高程振速公式预测分析 基于爆破相似率与类比法问，引入高程比例药 量卩二嘗及高程差因子0得到修正后的高程振速 公式，如式（4）所示购 v k 0 式中旧为测点与爆心的高程差,m ；厶为监测点 距爆心水平距离,m；0为高程差因子，其余符号意义 与公式（1） 一致。 将高程振速公式进行非线性回归分析,得出％二 12 351、a 1. 20、0 2. 05、相关系数 R0.93,回归 结果如图6所示，则式（4）为 2.3基于量纲分析法的新建振速公式预测分析基于量纲分析法的新建振速公式预测分析 假设覆盖层岩石力学性质相同,类比陆域专家 学者的研究成果页如，爆破地震波在水下深埋岩石 内传播主要受到爆破过程中单段最大药量、爆心距、 爆破工艺参数、爆区地质条件、纵波波速、爆源与测 点之间的高程差（覆盖层厚度）及水深作用的影响, 因此选择介质中纵波传播波速C。、单段最大药量 0、监测点距药包中心水平距离厶、海水深度肛覆盖 层厚度丹、药包半径R。作为主要引起爆破峰值振动 速度变化的物理量。 根据白金汉定理［⑵，取单段最大药量Q［M］、 介质中纵波传播波速Cp［厶厂1］、监测点距药包中心 距离厶［□为独立量纲理为因变量，其余为自变量, 则有 77 LaQpC；v 叭L QCH （6） tt2 冲氐臂 773 二 L MQCH 式中a、0、了、Q1、伤、了 1、他、02、V2、他、03、V3 为 待定系数。 根据量纲齐次性原a x寸其待定指数求解⑷，可得 V 77 C p H 771 T h 兀T R 眄T 相似标准方程可写成 77 少（771皿皿） 即 ⑺ ⑻ 9 30爆破2020年9月 同种类别炸药,装药量和装药半径存在三次方 函数关系式国，即 丸 *0 10 根据白金汉定理,可知不同无因次量的乘积和 商比运算仍为无因次量，对771、兀进行如下运算 7712二“2 X 771二鈴代入式9则 通常情况下对于某一具体工程场地Cp可以近 似为常数,因此式11可以改写成 式中必为与爆破场地条件有关的参数;Q、0为 爆破质点振动速度衰减系数。 将新建公式进行非线性回归分析，得出k二 9108、a 二3. 36、0 二 -0. 98、相关系数 R0.93,回归 结果如图7所示，则式12为 v 910821/3Z_13-367f7zZ_2_0-98 13 图7式 13Z轴回归分析 Fig . 7 ula 13Z-axis reg ression analysis 2.4相对误差分析相对误差分析 将测点振速的现场试验结果同式3、式5和 式13的推算值进行对比，如表3所示。 表3实测振速与预测振速对比误差分析 Table 3 Analysis of contrast error between actual vibration velocity and predicted vibration velocity 公式3 公式5 公式 13 Z轴振动 速度切a/ c m s 1 预测振动 速度fa/ cm s 1 相对 误差/ 预测振动 速度”喰/ cm s 1 相对 误差/ 预测振动 速度％a/ cm s 1 相对 误差/ 4.535.9330.914.560.664.550.44 7.727.922.597.932.728.074.53 4.566.1334.435.2815.795.1011.84 9.348.1912.319.191.619.033.32 3.804.6722.893.537.113.517.63 7.766.2419.596.1321.016.2119.97 3.074.6049.843.255.863.204.23 5.896.144.245.663.905.673.74 2.563.6743.362.396.642.674.30 4.384.9011.874.155.254.748.22 2.743.8038.693.019.853.2317.88 5.235.082.875.230.005.729.37 2.893.1910.383.003.812.993.46 5.504.2622.555.234.915.303.64 3.673.2311.993.426.813.504.63 5.894.3226.665.940.856.215.43 4.613.5423.214.218.684.600.22 2.672.690.752.867.122.535.24 4.313.5916.714.9715.314.483.94 2.062.259.222.021.941.8211.65 4.233.0029.083.5216.783.2223.88 注相对误差二 实测值-预测值 实测值 第37卷第3期费鸿禄，孙晓宇,关福晨，等 水下深埋岩石爆破振动衰减规律研究31 由表3中数据可以看出，Z轴振速峰值为 7. 72 cm/s、7. 76 cm/s、2. 67 cm/s 三组数据，式（5 ） 与式（13 ）预测振速误差比式（3 ）分别大0. 13、 1.94,1.42、0. 38,6. 37,4. 49,Z 轴振速 峰值为5. 23 cm/s、2. 06 cm/s两组数据，式（13）预 测振速误差比式（3）大6. 50和2. 43 ,以上误差 属于可接受范围内误差；存在Z轴振速峰值为 7.72 cm/s、9. 34 cm/s、3. 80 cm/s、4. 38 cm/s、 2.74 cm/s、5. 23 cm/s、5. 89 cm/s、2. 06 cm/s、 4.23 cm/s的9组试验数据显示式（13）预测振速误 差值大于式（5）,但所偏差平均误差值仅为5. 1。 该现象产生的主要原因是本次试验测试场地海水 深度变化最大为4.6 m,相邻两监测点之间海水深 度变化均值约为2 m,各测点之间可以考虑为等水 深状态;式（13）与式（5）相比多考虑水深因素，且水 深变化不明显，由此产生干扰误差。 式（3）预测振速误差值分布在0. 75〜 49. 84之间，平均相对误差为20. 20 ；式（5）预测 振速误差值分布在0.00 -21.01之间，平均相 对误差为6. 98 ；式（13）预测振速误差值分布在 0.22 23. 88之间，平均相对误差为7. 50。 式（13）与式（5）回归分析相关系数均为0. 93；式 （13）比式（5）多考虑水深因素对爆破振动速度的影 响;且式（13）平均相对误差仅比式（5）大0. 52 , 综上所述式（13）可以较准确的预测水下爆破振速。 2.5爆破振动分析爆破振动分析 为探明爆破振动速度随测点至爆源的影响因素 变化关系,依据式（13）绘制Z轴质点振速峰值与监 测点距爆心水平距离、覆盖层厚度和海水深度的关 系图像，如图8〜10所示。 a 236 kgb 260 kg 图8振速与监测点距爆心水平距离L的关系 Fig . 8 Relation between vibration velocity v and horizontal distance L from monitoring point to explosion center b 0 60 kg 图9振速与覆盖层厚度H的关系 Fig . 9 Relation between vibration velocity v and overburden thickness H 由图8〜图10可见，当监测点距爆心水平距 振动速度均呈现衰减趋势;针对单段最大药量Q、监 离、覆盖层厚度、海水深度等步距增加时，质点峰值 测点距爆心水平距离厶、覆盖层厚度H和海水深度 32爆破2020年9月 九这四个影响因素中，单段最大药量对质点振速峰 值影响最明显;当监测点距爆心水平距离与覆盖层 厚度以相同增量增加时增量为5 m,覆盖层厚度 对质点振速峰值影响较为明显；当监测点距爆心水 平距离与单段最大药量不变时,海水深度变化比覆 盖层厚度变化对质点振动速度衰减程度更加显著。 因此在同一单段最大药量下，监测点距爆心水平距 离越远,覆盖层越厚,海水深度越大，振动在传播过 程中衰减的越快,质点振速峰值越小。产生上述现 象主要是由于水下爆破引发的振动在传播过程中遇 到粘塑性体及粘塑性流体等共同组成介质层时发生 衰减;置于覆盖层上的振动监测传感器受到海水深 度变化的压力影响，对振动产生阻抗作用。 图10振速与海水深度人的关系 Fig . 10 Relationship between vibration velocity v and seawater depth h 由于水下深埋岩石爆破振动传播介质层复杂， 主要由淤泥层、粉质黏土层、细沙、风化岩石碎渣等 从上至下逐渐堆积组合形成，相关规程中依据萨氏 经验公式总结的k值［⑸，主要依托于陆域爆破试验 且振动传播为单一介质层，因此式5、式13中％ 值偏离常规值。 3爆破振动影响分析 五缘湾站〜刘五店站区间爆破区域邻近翔安侧 海堤，与爆破区域最近距离为700 m,周边为厦门东 海域，无建筑物。由于本次施工采取爆破与水泥盾 构相结合的方式,爆破作业时盾构机已布置在海底， 为了避免爆破过程中产生地震波造成盾构刀盘与盾 构机头胸板处发生变形,导致盾构机的损伤,因此依 据对水下深埋岩石爆破质点振速峰值传播衰减规律 分析,应用式13确定爆破中心与盾构机之间的安 全距离尤为重要。 根据爆破安全规程中的规定［⑸，本次工程对 翔安侧海堤爆破振动安全速度为5 cm/s,对水下盾 构机爆破振动安全速度为8 cm/so厦门市轨道交 通3号线本岛至翔安过海隧道工程，覆盖层厚度 26.7〜38.4 m,海水深度9.5〜20.4 m,根据式13 考虑最不利情况下H二26. 7 m,h 9.5 m,Q 60 kg，得出施工过程中盾构机距爆心的最小安全 距离应为84 m；海堤距爆心最小安全距离为117 m 小于700 m,对海堤没有伤害,安全距离与装药关系 如表4、表5所示。 表4单段最大药量与盾构机距离关系v8cm/s Table 4 The relationship between sing le maximum dosag e and the distance of shield machine 安全单段最大安全单段最大 距离/m药量/kg距离/m药量/宓 8056.7211084.45 9065.7112094.15 10074.96130104.06 表5单段最大药量与翔安海堤距离关系v5cm/s Table 5The relationship between sing le maximum dosag e and the distance of xiang an seawall 安全单段最大安全单段最大 距离/m药量/kg距离/m药量/kg 11055.5014075.03 12061.8815081.79 13068.3916088.66 4结论 依托厦门市轨道交通3号线本岛至翔安海底隧 道工程,基于量纲分析理论,构建水下深埋岩石爆破 质点峰值振动速度公式。研究监测点距爆心水平距 第37卷第3期费鸿禄，孙晓宇,关福晨，等 水下深埋岩石爆破振动衰减规律研究33 离，覆盖层厚度、海水深度对质点峰值振动速度传播 的影响以及估算施工过程中各保护对象的安全距离 和爆破药量，得出结论如下 1 采用非线性回归分析法将实测峰值速度数 据分别代入萨氏公式、高程振速公式以及新建振速 公式进行非线性回归运算，得到水下爆破质点峰值 振动速度预测平均相对误差分别为20. 20、 6.98、7.50，相关系数分别为 0.69,0. 93,0. 93, 当水深变化不明显时，高程振速公式与无量纲理论推 导出的振速公式对质点峰值振速预测精度基本一致。 2 计算与现场监测数据均表明，爆破振动强 度与单段最大药量、监测点距爆心水平距离、覆盖层 厚度、海水深度等因素存在密切关系,在保证其它相 关物理量不变的前提下，其对峰值振动速度影响关 系为单段最大药量 ＞海水深度 ＞覆盖层厚度 ＞监测 点距爆心水平距离。同一单段最大药量下，振动在 传播过程中衰减规律体现在,峰值振动速度与监测 点距爆心水平距离,覆盖层厚度，海水深度均呈现负 相关关系。 3 利用新建振速公式预测五缘湾站刘五店 站区间海底爆破施工中各保护对象的最小安全距离 及相应安全距离下的爆破药量，其中盾构机距离爆 心的最小安全距离为84 m；海堤距爆心最小安全距 离为117 m0 参考文献参考文献References [1 ] BRUNETON, MARI ANNE. 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