空气冲击波和噪声的影响

（1）空气冲击波产生原因。一般情况下炸药在空气或岩石中爆炸时，都会产生空气冲击波。炸药在空气中爆炸，具有高温高压的爆炸产物直接作用在空气介质上；在岩体中爆炸，这种高温高压爆炸产物就在岩体破裂的瞬间冲入大气中。高温高压爆炸产物以极高的速度向周围空气介质飞散，如同一个超音速活塞一样，强烈压缩着空气介质，使其压力、密度、温度和质点运动速度突跃升高，形成初始空气冲击波。与此同时，由于空气介质的初始压力和密度都很低，会有稀疏波从分界面向爆炸产物内传播。

水利水电工程爆破产生空气冲击波的原因如下：①裸露于地面上的炸药爆炸产生空气冲击波，如地上的导爆索，用于二次爆破大块岩石时贴于表面的炸药爆炸等；②装药孔口堵塞长度不够，堵塞质量不好，高温高压爆炸产物从孔口外溢，产生空气冲击波；③局部抵抗线太小，沿该方向易释放爆炸能量，产生空气冲击波；④岩体不均匀，在断层、夹层等薄弱部位，爆炸产物集中喷出形成空气冲击波；⑤爆破时岩体沿最小抵抗线方向颤动外移，如大型洞室爆破时，发生鼓包运动，鼓包破裂后冲出气浪，像一个活塞那样压缩空气；以及强烈地振动诱发空气中无数微弱扰动叠加，产生空气冲击波。

此外，炸药库房意外爆炸、露天抛掷大爆破和定向抛掷爆破，都将产生十分强烈的空气冲击波。

研究和实践表明，影响空气冲击波初始能量大小的主要因素是装药量、炸药性质、岩性及构造、炸药与岩石匹配情况、堵塞状况、爆破方法、起爆方式等。

（2）空气冲击波传播特性。

1）空气冲击波的传播。爆破过程中，爆炸产物这个“活塞”，最初以极高速度运动，随后速度迅速衰减到零（这时的爆炸产物膨胀到某一极限体积，压力降至未受扰动时的空气介质的初始压力P0），波阵面后的压力也急剧下降。此后，由于惯性作用，爆炸产物继续过度膨胀到某一最大容积，其平均压力低于P0，出现负压。出现负压后，周围空气介质反过来对爆炸产物进行第一次压缩，使其压力不断增加。同样，由于惯性运动，又产生过度压缩，爆炸产物的压力又稍大于P0，并开始第二次膨胀和压缩的脉动过程。工程中有实际意义的是一次膨胀与压缩的过程。

某点测到的压力P随时间t变化曲线，称为P（t）曲线，其曲线见图9-8。

空气冲击波压力P随距离S传播见图9-9。图9-9中t1～t6分别表示爆炸后的不同时刻。可以看出，空气冲击波传播过程中，波阵面上压力、速度等参量降低很快，其原因如下：①以球面波形式向外扩展的空气冲击波，随着半径的增大，波阵面表面积不断增大，即使没有其他能量损耗，波阵面单位面积的能量也会逐渐减小；柱面波或其他形式的波阵面亦如此；这就是波阵面的空间耗散效应；②由于单位面积能量减小，空气冲击波速度降低，正压区在传播过程中不断拉宽，压缩的空气量不断增加，使得单位质量空气的平均能量下降；③空气冲击波通过时，使空气介质受到冲击绝热压缩，温度升高，消耗了部分冲击波能量。

图9-8　某点实测P（t）曲线图（箭头方向为质点运动方向）

图9-9　空气冲击波压力P随距离S传播图（箭头方向为波阵面行进方向）

空气冲击波传播过程中，由于波阵面上的压力和速度迅速下降，正压区越拉越宽，直至超压趋近于零时，就变成声波。

空气冲击波的传播与爆破地震波一样，遵循几何相似定律，其超压可表达按式（9-14）计算：

式中　ΔP——空气冲击波超压，Pa；

　　　R——距药包中心距离，m。

函数可以展成多项式形式。

空气冲击波阵面后压力ΔP（t）随时间t变化的规律，可用指数函数表达，按式（9-15）计算：

式中　ΔPm——峰值超压，Pa；

　　　α——衰减系数；

　　　e——自然对数的底，e=2.72。

空气冲击波传播过程中如遇障碍物，要发生反射和绕射。在反射时具有强烈的叠加作用，反射波波阵面上压力比入射波大，障碍物前空气介质密度也增加。冲击波环绕反射体流动时，其反射压力的持续时间，取决于反射面几何尺寸大小。

在大气中传播的空气冲击波，还要受气象条件，如风向、风速、气温、气压等的影响。

2）空气冲击波的基本参数。空气冲击波的基本参数主要为波阵面压力、波阵面传播速度、正压区作用时间（冲击波延续时间）和空气冲击波冲量。现分别作一介绍，以从估算评价爆破空气冲击波影响时参考。

空气冲击波传播时由正压区（压缩相）极其后的负压区（稀疏相）两部分组成（见图9-8）。多数情况下，冲击波的破坏作用由正压区决定，因为正压比负压大得多。确定正压区破坏作用的特征参数是波阵面上的超压ΔP，按式（9-16）计算：

式中　P——波阵面的压力，Pa；

　　　P0——波阵面的压力，Pa；

超压ΔP与距爆炸中心距离R（m）和装药量Q（kg）关系的经验衰减按式（9-17）进行计算。

TNT药包在空气中爆炸时按式（9-17）计算：

TNT药包在地面爆炸时按式（9-18）计算：

以上两式中　ΔP——空气冲击波超压，105Pa；

　　　　　　Q——爆破的TNT炸药量，毫秒延时爆破时为总药量，秒延时为最大一段药量，kg；

　　　　　　R——装药量至保护对象距离，m。

以上两式使用的条件是=0.067～1。当＞1时，误差较大。

对于其他炸药，可通过爆热比折算为TNT当量Q当，并按式（9-19）计算：

式中　Qi——所使用的炸药爆热，kJ/kg；

　　　QT——TNT炸药的爆热，kJ/kg。

　　　Qw——TNT炸药的爆热，kJ/kg。

空气冲击波波阵面传播速度与波阵面压力有关，压力大，传播速度也大。理论推导的波阵面速度D按式（9-20）计算，C0（m/s）是空气中的声速，与空气温度Tα（℃）有关：

空气冲击波正压区作用时间是衡量冲击波破坏能力的重要参数，它与药量Q和传播距离R有关。实验得出的正压区作用时间t+（s）按经验式（9-21）进行计算。

TNT药包在空气中爆炸时按式（9-21）计算：

TNT药包在地面爆炸时按式（9-22）计算：

通常，正压区作用时间不长，在大爆破时，也不过几十毫秒。

空气冲击波的冲量是正压区压力函数对时间的积分值，以I+表示，按式（9-23）计算：

在得到P（t）曲线后，可对曲线求积得I+。试验获得的冲量I+的经验计算式（9-24）～式（9-26）计算。

TNT药包在空气中爆炸时的冲量I+按式（9-24）计算：

其他炸药Qi在空气中爆炸时的冲量I+按式（9-25）计算：

TNT炸药在地面爆炸时的冲量I+按式（9-26）计算：

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空气冲击波冲量大小与药包重量、距离爆心距离、炸药性质、爆破条件等有关。

3）空气冲击波在隧洞中的传播。地下爆破所产生的爆炸产物，像管道中的活塞一样，推动隧洞中的空气运动，形成空气冲击波。

隧洞中传播的空气冲击波，由于推动隧洞里的空气一起运动，克服隧洞表面粗糙引起的摩擦力，使隧洞中空气受到绝热压缩而温度升高等，也会不断消耗能量。此外，各种类型隧洞的交接、转弯、断面突然扩大或缩小等引起的局部阻力，使冲击波参数发生变化。空气冲击波沿隧洞的衰减及作用时间有以下规律：①冲击波超压沿直线隧洞传播时衰减；试验研究表明，隧洞中冲击波超压在爆区附近衰减很快；当距离稍远时，则衰减得比大气中要慢，即超压不大的冲击波可以传播很远距离；当隧洞断面一定时，超压衰减程度主要取决隧洞表面粗糙度。粗糙度大，衰减快；反之亦然；②冲击波超压通过隧洞分岔和转弯时衰减；冲击波超压通过隧洞分岔口时，沿岔口各自向前传播；在第一条隧洞中都形成一股与没有分岔隧洞的冲击波超压相比的较小的新冲击波；冲击波在转弯隧洞通过时，超压也会减小；试验表明，通过单向转弯时，波阵面超压稍有降低；而通过双向转弯时，超压由大大降低；③隧洞断面缩小和扩大对冲击波超压的影响；隧洞断面突然由大变小时，对冲击波来说出现了一个反射面；冲击波遇到反射面要产生一个压缩空气层，此空气层向小断面隧洞流动时，会产生比大断面超压要大的冲击波；当冲击波突然由小断面隧洞进入大断面隧洞时，由于波阵面的迅速扩大，超压很快减小；④冲击波冲量沿隧洞的传播；冲击波通过表面凹凸不平的隧洞时，为克服摩擦力消耗了部分能量，致使冲量减弱；隧洞表面粗糙度越大，冲量衰减越快；反之则慢；此外，隧洞断面越小，摩擦损失越大，冲量衰减得也越快。隧洞转弯、交叉也会使冲量减小；⑤冲击波沿隧洞传播时的作用时间；冲击波沿隧洞传播时，隧洞中空气吸收了爆炸能量，质量增大，而隧洞面积变化不大；因此，冲击波在隧洞中的作用时间比在大气中要长。根据计算，强度相同的冲击波，在隧洞中传播时，正压区作用时间是大气中的1.3倍。

从以上空气冲击波在隧洞中的传播特性可以看出，它比在大气中传播时的影响因素（大气中主要受气象条件影响）要复杂一些。

（3）空气冲击波的破坏影响及安全距离。

1）空气冲击波的破坏影响。空气冲击波的破坏作用主要与波阵面压力、正压区作用时间和冲量有关，也与结构物自振周期、形状、强度有关。例如，如果超压低于目标的强度极限，即使有较大冲量却不会引起严重破坏；如果正压区作用时间不超过目标由弹性变形转变为塑性变形所需的时间，即使有较大超压也不会造成严重破坏。

目标与建筑物有一定距离时，冲击波的破坏作用的计算由结构本身自振周期T与正压区作用时间t+确定。如果t+≤T，对目标的破坏作用取决于冲量I+；反之，若t+≥T，则取决于超压峰值ΔPm。资料表明，按冲量计算要满足t+/T≤0.25，按超压峰值计算则应有t+/T≥10才适用。在0.25＜t+/T＜10范围，按冲量或超压计算的误差很大。

空气冲击波超压对建筑物的破坏等级及程度见表9-9。隧洞（巷道）内空气冲击波超压与破坏情况见表9-10。

表9-9　空气冲击波超压对建筑物的破坏等级及程度表

表9-10　隧洞（巷道）内空气冲击波超压与破坏情况表

空气冲击波超压对人员的杀伤作用是：引起血管破裂致使皮下或内脏出血，内脏（肺、脾、肝等）破裂，肌纤维撕裂，其杀伤程度见表9-11。冲击波对人员的伤害，除超压外，在其后面的气流也很重要，当超压为0.29～0.39（×105Pa）时，气流速度达60～80m/s，这样高速的气流，人员是无法抵御的，加上气流中夹杂着碎石块等物，将加重对人体的损害。

以上列举的一些空气冲击波破坏判据，没有考虑负压的作用，以及建筑物形状大小、强度特性。实践表明，这些都不可忽视。此外，空气冲击波的相频和幅频特性、功率谱与建筑物的反应谱，对冲击波的破坏作用都有直接关系。

表9-11　冲击波超压对人员的杀伤程度表

2）空气冲击波的安全距离。空气冲击波的安全距离主要与爆破药量有关，可按式（9-27）计算：

式中　Kα——安全距离系数，与爆破方式、条件和炸药性质等有关；

　　　Rα——安全允许距离，m；

　　　Q——爆破炸药量（TNT炸药），毫秒延时爆破为一次爆破的总药量，秒延时爆破取最大一段药量计算，kg。

根据《爆破安全规程》（GB6722—2014）的规定，露天裸露爆破大块石时，一次炸药量不应大于20kg，确定空气冲击波对掩体内避炮作业人员的安全允许距离时Kα为25。

TNT炸药空气中爆炸时对目标的Kα值及破坏程度见表9-12，露天集中装药松动和抛掷爆破时，不同爆破作用指数n和药包布置方式不同时的Kα值见表9-13。如为深孔梯段爆破，Kα值可适当减小。

表9-12　TNT炸药空气中爆炸时对目标的Kα值及破坏程度表

表9-13　不同爆破作用指数n和药包布置方式不同时的Kα值

表9-13中的Kα值，适用于平坦地形爆破情况。当地形条件不同时，应适当调整。例如，狭谷地带爆破时，沿沟的方向应增大50%～100%；沿抵抗线方向的影响大于背抵抗线方向，在山坡一侧爆破对山后影响较小。因而处于有利地形时可减小30%～70%。当防护物与爆区间有天然屏障（如丘陵、密林等），可减小50%。

此外，气象条件对安全距离的影响也不应忽略，应酌情增减Kα值。

特别重要的爆破、地下大爆破以及需特殊保护的建筑物（如历史古迹等），其安全距离应通过试验或邀请专家研究确定。

根据《爆破安全规程》（GB6722—2014）的规定，空气冲击波安全允许距离，应根据保护对象、所用炸药品种、地形和气象条件由设计确定。

3）空气冲击波安全允许标准。空气冲击波的安全允许标准，对人员为2×103Pa；对建筑物，其破坏程度与超压关系见表9-14。

表9-14　建筑物的破坏程度与超压关系表

注 露天及地下爆破作业，对人员和其他保护对象的空气冲击波安全允许距离由设计确定。

（4）空气冲击波防护。

1）采用良好的爆破技术。水利水电工程基坑开挖爆破，应尽量采用深孔梯段微差爆破技术，避免洞室大爆破方法。实践表明，这不仅能改善爆破效果，也是减小空气冲击波的有力措施。深孔梯段微差爆破中，前排炮孔爆破抛掷的岩石，可以用为后排炮孔爆破的屏障，起到削弱冲击波强度的目的。但是，微差时间要选择得当。如果太长，起不到屏障作用；太短，破岩效果不理想。梯段爆破时的排间段间隔时间以15～50ms为宜。当排距较小时，应尽量使用短间隔时差。

炮孔中的雷管应放置在药包底部采用反向起爆，可避免爆炸能量过早冲出地面，并能改善爆破效果。施工中应当避免孔顶起爆方法。

2）保持设计抵抗线。准确钻孔可以保持设计抵抗线，钻斜孔时尤其重要。因为孔位偏斜易造成爆炸能量从薄弱部位过早泄漏，产生较强空气冲击波。

露天洞室大爆破和定向爆破，地形测量一定要准确。如果抵抗线出现误差，若偏小，将产生强烈空气冲击波。

3）进行覆盖和堵塞。裸露地面的导爆索，需用砂或土掩盖。二次破碎大块岩石，往往将炸药贴于地面，遇此情况时，需用炮泥覆盖住。

炮孔口段一定要有足够长度的堵塞，一般不应小于抵抗线长度。若孔顶段岩体较破碎，需增强堵塞长度。堵塞材料用粗粒料比细粒料好。堵塞段内充水时，效果更好；但堵塞段充水会造成较大地震波，故施工时应权衡空气冲击波和地震波两者的轻重而为之。露天洞室爆破和定向爆破，更应注意堵塞，否则会产生强烈空气冲击波。

4）注意地质构造影响。局部构造带如夹泥支、节理、裂隙等有可能产生漏气，应当给以补强，或减小这些部位的装药量。

5）控制爆破方向及合理安排爆破时间。高处放炮，如果前沿临空面面临建筑群，应设法改变爆破方向，或减低临空面高度。爆破时间应选择在下班或放学后，以错开人们活动高峰时间。爆破次数也不要太频繁。

6）注意气象条件。清早、黄昏或夜晚，如遇气温逆变，应尽量避免放炮。在大风吹向建筑群的情况下，放炮会增大空气冲击波的影响，也应予以注意。

7）对空气冲击波的防护措施。爆破前，应把人员撤离到安全区，并增加警戒。从事爆破的人员来不及撤离时，应在爆破区附近候选坚固的避炮所，以便及时躲避。

露天或地下大爆破时，可以利用一个或几个反向布置的辅助药包，与主药包同时起爆，以削弱主药包产生的空气冲击波强度（因为彼此反向布置的药包将导致波的相互干涉和部分抵消）。

地下爆破爆区附近隧洞中构筑不同形式和材料（如混凝土、岩石、金属或其他材料）的阻波墙，可以在空气冲击波产生后立即被削弱。据报道，阻波墙可削减冲击波强度98%以上，这样便有效地保护了隧洞中不易撤离的机械、管线等设施免遭其害。当被保护的设施离爆区较远时，也可以巷道不同部位构筑阻波墙，使空气冲击波在传播过程中逐步被削弱。

无论什么材料构筑的阻波墙，都应从经济、安全方面着眼，既可防止和削弱冲击波的破坏作用，又很便宜，爆后还能便于拆除。阻波墙断面要有一定空隙，以允许爆后向隧洞通风排出有毒气体。

（5）爆破噪声。炸药在土岩中爆破，高温高压爆炸产物向空气中扩散，除产生空气冲击波外，还会发出声响形成噪声。在一般爆破作业中，人们听到的爆炸声就是爆破噪声。顾名思义，噪声是一种嘈杂而不悦耳的声音。物理学上，噪声是指声强和频率变化都无规律，杂乱无章的声音。有人把超压衰减到1.96N/cm2（相当于声压级180dB）以下的空气冲击波也称为噪声或爆风压。

爆破噪声会危害人体的健康，使人产生不愉快的感觉，听力减弱。频繁的噪声更使人的交感神经紧张，心脏跳动加快，血压升高，并引起大脑皮层变化，影响睡眼和激素分泌。爆破噪声虽然持续时间很短，但当脉冲噪声峰压级较高时，可使耳膜破裂，造成爆振性耳聋。

我国规定，在城镇爆破中第一个脉冲噪声应控制在120dB以下，复杂环境条件下，噪声控制由安全评估确定。美国矿务局公布的标准：安全限为120dB；警戒限为128～136dB；最大允许值为136dB；城市控制爆破为不大于90dB。

爆破所产生的爆风压，对建筑物的危害也不容忽视，爆风压与相对应的声压级对建筑物装置破坏情况见表9-15。

表9-15　爆风压与相对应的声压级对建筑物装置破坏情况表

控制爆破噪声危害影响的安全防护措施，与空气冲击波相同，即如果将空气冲击波的危害程度降至最低限度，则爆破噪声的危害也就相应被阻止。

在地下工程施工中，洞内作业地点噪声超过90dB时，应采取消音或其他防护措施。仍达不到标准时，噪声与允许接触时间有关系见表9-16。

表9-16　噪声与允许接触时间有关系表

爆破突发噪声判据，采用保护对象所在地最大声级，其控制标准见表9-17。在表中的0～2类区域进行爆破时，应采取降噪措施并进行必要的爆破噪声监测，监测应采用爆破噪声测试专用的A计权声压计及记录仪，监测点宜布置在敏感建筑物附近和敏感建筑物室内。