一、 工程爆破冲击波的形成与作用 

（一）形成机制

   工程爆破冲击波的形成是一个能量急剧释放、介质状态发生突变的复杂物理过程。其形成可以概括为以下几个关键阶段：

   1. 炸药的爆轰（Detonation）： 这是一个核心起点。当雷管引爆炸药后，化学反应以极高的速度（通常为5000-9000 m/s，远超音速）在炸药内部传播，这就是爆轰波。爆轰波阵面是一个极其狭窄的区域，在此区域内，未反应的炸药在微秒量级的时间内被转化为高温（约3000-5000°C）、高压（可达10-40 GPa，即10万到40万个大气压）的爆轰气体产物。

   2. 能量的剧烈耦合与传递： 这些高压气体像一个被瞬间充胀的“活塞”，以巨大的压力猛烈地挤压并压缩与之直接接触的炮孔孔壁岩石介质。由于这种压缩作用发生得极其迅速和猛烈，被压缩的岩石介质来不及以常规的弹性变形方式来响应，其压力、密度和温度在波阵面前方发生跳跃式的急剧升高，从而形成一个强大的应力脉冲。

   3. 冲击波的诞生： 当这个初始应力脉冲的强度超过岩石介质中的音速所对应的压力阈值时，其传播速度就会超过介质中的音速。此时，这个脉冲就不再是普通的弹性应力波，而是演变为冲击波（Shock Wave）。冲击波的本质是一种强间断扰动的传播，其波阵面前后的介质状态参数（压力、密度、温度、质点速度）发生突跃，而不是连续变化。

  4. 在介质中的传播与衰减： 冲击波形成后，立即从爆源向四周的岩土介质中辐射传播。在传播过程中，由于需要不断地压缩前方的介质并使其加速，波阵面的能量会迅速被消耗。同时，波阵面后的高压气体开始膨胀做功，推动岩石发生位移和破裂。因此，冲击波的峰值压力、传播速度等参数会随着传播距离的增加而急剧下降。在一定距离后，其强度会衰减到低于产生冲击波所需的阈值，冲击波便会退化为普通的弹性应力波（主要是塑性波和弹性波），继续向外传播。

  （二）主要作用 冲击波在工程爆破中扮演着“双刃剑”的角色，既有建设性作用，也有破坏性作用。

  1. 建设性作用（岩体内部）：

    · 岩石破碎的核心动力： 在爆破近区（粉碎区），冲击波的压力远超岩石的动态抗压强度，能直接压碎岩石，形成粉碎区。

    · 径向裂隙的起源： 冲击波在传播衰减过程中，其径向压应力会在波阵面之后衍生出强大的切向拉应力。由于岩石的抗拉强度极低（通常仅为抗压强度的1/10到1/50），这些拉应力会从原生微裂隙或孔壁处向外辐射状地拉裂岩石，形成径向裂隙体系。这是岩石被成功破碎的关键环节。

    · 激活并扩展原生裂隙： 冲击波传入岩体后，会使岩体中固有的节理、裂隙等弱面发生剧烈的张开、闭合和摩擦滑动，消耗能量并为后续气体的膨胀劈裂创造有利条件。

 2. 破坏性作用（岩体外部及周边）：

    · 对保留岩体的损伤： 在需要保护的开挖边界（如边坡、隧道轮廓线）以外，冲击波和后续应力波的传播会造成岩体内部产生新的微裂隙或使原有裂隙扩展，从而降低保留岩体的完整性和力学强度，即造成“爆破损伤”。这在精细爆破（如预裂爆破、光面爆破）中是极力要避免的。

    · 空气冲击波与噪声： 当爆破在地表或近地表进行时，一部分能量会以应力波形式传递至地表，使地表介质产生振动。另一部分能量则会直接泄露到空气中，强烈压缩周围空气，形成空气冲击波。它会产生巨大的响声（爆破噪声），并能对远处的门窗玻璃、轻型结构甚至人的听力造成破坏。

    · 水中冲击波： 在水下爆破中，冲击波会传入水中形成强大的水中冲击波，对水域中的船舶、水生生物和水工建筑物构成威胁。

    · 对邻近结构的危害： 冲击波通过地基传播，会引起地面振动（地震波），可能对爆区周围的建筑物、隧道、管线等地下结构的安全和稳定造成影响。

 二、 冲击波的形式

   在工程爆破的完整过程中，冲击波会以多种形式出现和演化，主要可分为以下三种形式：

 （一）岩石/土体中的冲击波（Soil/Rock Shock Wave） 这是在炮孔周围岩土介质中直接产生的冲击波，是岩石破碎的元勋。

 · 传播特性： 其传播特性极度依赖于岩土介质本身的动力学性质，如密度、波阻抗、弹性模量、内聚力和内摩擦角等。在坚硬完整的岩石中，冲击波传播速度快，衰减慢，作用范围相对较远；在松软土体或破碎岩层中，则速度慢，衰减极快。

 · 演化过程： 如前所述，它在传播中会迅速衰减。通常，在距离爆源约3-7倍装药半径的范围内，它以真正的冲击波形式存在；超出此范围后，便退化为非线性塑性波和线性弹性应力波（其中弹性波部分即构成爆破地震波的主体）。

 · 作用体现： 其主要作用体现在近区的岩石粉碎和中区的径向裂隙生成。 （二）空气冲击波（Air Blast or Air Shock Wave）

   这是爆破能量泄露到大气中产生的冲击波。

 · 形成机制： 形成原因主要有二：

  一是孔口喷射，当堵塞质量不佳或过早被抛掷时，高压爆轰气体从孔口冲出，直接猛烈压缩空气；

  二是地表鼓包与破裂，地表岩土体在内部应力波作用下被加速、隆起直至破裂，高速运动的碎块和气体共同冲击压缩空气。

 · 特征： 典型的空气冲击波具有一个非常陡峭的正压阶段（超压阶段），其后跟随一个较缓慢的负压阶段（低于大气压的稀疏阶段）。其破坏作用主要由正压阶段的峰值超压、冲量（压力对时间的积分）以及作用持续时间决定。  

 · 危害： 是造成爆破噪声、门窗破坏、甚至人员听觉损伤的主要原因。在封闭空间（如隧道、井下巷道）内，空气冲击波的危害会显著放大。 （三）水中冲击波（Water Shock Wave）

   在水下爆破或饱和水岩土体中爆破时产生。

 · 形成机制： 爆破能量直接通过岩土体传递到水中，或爆轰气体产物直接与水作用，强烈压缩不可压缩的水介质，形成水中冲击波。

 · 特征： 由于水的密度和波阻抗远大于空气，但可压缩性极差，因此水中冲击波具有传播速度快（约1500 m/s）、峰值压力极高、正压作用时间极短但冲量很大的特点。其压力衰减遵循指数规律，但初始衰减非常剧烈。

 · 危害： 对水中结构物（如大坝、桥墩、船舶）的破坏力极强。其产生的脉动气泡在膨胀和收缩过程中还会多次压力脉动，并可能引发二次水击，对水生生物（如鱼类）的鳔和内脏造成致命伤害。

   工程爆破冲击波是炸药化学能转化为机械能并作用于介质的核心载体。它起源于炸药的爆轰，形成于介质的剧烈压缩，并以岩体冲击波、空气冲击波和水中冲击波三种主要形式展现其存在。它在爆源近区是破碎岩石的建设性力量，而在远区则常常转化为需要严加控制的有害效应。理解和精确控制冲击波的产生、传播与衰减，是现代爆破技术的核心课题之一。

  “表面波与内在波、纵波与横波”并非冲击波本身的分类，而是冲击波在传播过程中迅速衰减后转化成的应力波（或地震波）的类型。

   这是一个至关重要的概念区分：冲击波（Shock Wave） 是一种特殊的强间断波，而应力波（Stress Wave） 是其在介质中传播衰减后的一般形式。在爆破力学中，我们通常说“冲击波”存在于爆源近区的非线性、超音速响应区域；而一旦谈到纵波、横波和表面波，我们指的就是冲击波衰减后传播到更远区域的弹性应力波，其传播由介质的弹性性质主导。以下是这些波型的详细阐述：

一、 体波（Body Waves）—— “内在波”

   体波是指在介质内部传播的波，能够穿过整个物体。它主要包括两种类型：

1. 纵波（P-wave, Primary Wave）

· 物理特性：又称压缩波、P波（初至波）。其特点是介质质点的振动方向与波的传播方向平行。它通过介质的压缩和膨胀（即体积变化）来传递能量。

· 爆破中的产生与作用：在爆破中，炸药爆炸产生的初始剧烈压缩就是以纵波的形式向外辐射的。它是冲击波在衰减初期最早转化而来且传播速度最快的波。

· 传播速度：最快，其速度  V_p  由介质的弹性模量、泊松比和密度决定，公式为 

  影响：纵波主要引起介质的体积变化和拉压应力，是造成岩石压缩破碎和诱发径向裂隙的主要因素之一。在远区，它是爆破振动的主要组成部分。

 2. 横波（S-wave, Shear Wave）

· 物理特性：又称剪切波、S波（次波）。其特点是介质质点的振动方向与波的传播方向垂直。它使介质产生剪切变形和旋转，而不发生体积变化。

· 爆破中的产生与作用：横波并非由爆源直接产生，而是由纵波在传播过程中遇到界面、不均匀体或由于介质本身的非线性特性转换而来。它的产生与剪切应力的发展密切相关。

· 传播速度：慢于纵波，通常约为纵波速度的60%。其速度

· 影响：横波对结构物的破坏性往往更大，因为它会在介质内部产生剪切应力，而岩土体的抗剪强度通常低于其抗压强度。它是导致岩石滑移、剥落以及结构物剪切破坏的重要原因。

二、 面波（Surface Waves）—— “表面波”

   当体波传播到介质表面（如自由面）或层状介质的界面时，在一定条件下会衍生出另一种类型的波，其能量集中在表面或界面附近传播，称为面波。它的振幅随深度增加而指数衰减。在爆破地震效应中，面波是主要担忧。

  1. 瑞利波（R-wave, Rayleigh Wave）

  · 物理特性：沿半无限介质自由表面传播的波。介质质点在垂直于表面的平面内做逆时针的椭圆运动，类似于海浪中水分子的运动。

  · 爆破中的产生与作用：爆破应力波传播到地表自由面时，很大一部分能量会转化为瑞利波。由于其能量衰减比体波慢得多（振幅衰减与距离的平方根成反比，而体波与距离的平方成反比），因此能传播到非常远的距离。

  · 传播速度：最慢，略低于横波速度。

  · 影响：瑞利波是造成地表低频率、大振幅振动的主要原因。它会引起地表的上下和水平运动，对地表建筑（如建筑物基础、管道）的破坏性极大，是爆破振动危害控制的主要对象。它也是造成地震记录中持续时间最长、振幅最大的部分。

  2. 勒夫波（L-wave, Love Wave）

 · 物理特性：在层状介质（如上层是土层，下层是基岩）中传播的面波。质点仅在水平方向、垂直于波传播的方向上做剪切振动。

 · 爆破中的产生与作用：当地形地质存在明显分层时，由横波在分界面上多次反射和干涉形成。

 · 影响：与瑞利波类似，能量衰减慢，传播远，对地表结构物有显著的剪切作用，是爆破振动的重要组成部分。

总结与关系:

   1. 演化序列：在工程爆破中，能量的传递是一个连续的演化过程： 爆轰波 → 岩石冲击波（超音速强间断）→ 非线性塑性波 → 弹性应力波（体波：P波和S波）→ 遇到自由面/界面产生面波（R波和L波）。

   2. 工程意义：

   · 近区（冲击波主导）：关注的是冲击波的直接粉碎作用和产生径向裂隙的能力。此区域波的性质是高度非线性的。

   · 中远区（应力波主导）：关注的是应力波（P波、S波、R波）对保留岩体的损伤和对周边建（构）筑物造成的振动效应。此区域波的性质可视为线弹性的，是爆破测振仪主要监测和分析的对象。

     非常准确地指出了波动理论在爆破中的核心应用。正是这些不同形式波动的产生、叠加、干涉和衰减，共同决定了爆破的最终效果和其外部影响。