緊鄰建（構(gòu)）筑物水下爆破振動(dòng)安全判據(jù)研究綜述?

蘇 瑩吳 立彭亞雄周瑞鋒蘇小毛

①武漢科技大學(xué)城市學(xué)院（湖北武漢，430083）

②中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）（湖北武漢，430074）

③湖南創(chuàng)意爆破工程有限公司（湖南長(zhǎng)沙，410001）

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緊鄰建（構(gòu)）筑物水下爆破振動(dòng)安全判據(jù)研究綜述?

蘇 瑩①②吳 立②彭亞雄②周瑞鋒②蘇小毛③

①武漢科技大學(xué)城市學(xué)院（湖北武漢，430083）

②中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）（湖北武漢，430074）

③湖南創(chuàng)意爆破工程有限公司（湖南長(zhǎng)沙，410001）

［摘 要］簡(jiǎn)要闡述了水下爆破作用下建（構(gòu)）筑物安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合分析了振動(dòng)幅值單因素安全判據(jù)在水下爆破緊鄰建（構(gòu)）筑物安全性能評(píng)定中的應(yīng)用，并介紹了振速-頻率雙因素安全判據(jù)理論研究方法及各國(guó)安全判定標(biāo)準(zhǔn)，分析討論了兩種判據(jù)在爆破振動(dòng)安全評(píng)定考慮因素與應(yīng)用范圍上的不足?；诶鄯e損傷機(jī)理及振動(dòng)疊加理論，介紹了爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間及微差爆破延時(shí)間隔對(duì)建（構(gòu)）筑物安全性能的影響。提出爆破振動(dòng)安全判據(jù)應(yīng)從爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間及微差爆破延時(shí)間隔這兩方面加以完善，并建議在實(shí)際工程中采用最佳微差延時(shí)間隔以達(dá)到最優(yōu)降振效果。

［關(guān)鍵詞］安全判據(jù)；振動(dòng)速度；振動(dòng)頻率；振動(dòng)持續(xù)時(shí)間；微差爆破延時(shí)間隔

引言

高強(qiáng)度的爆破振動(dòng)會(huì)使周邊建（構(gòu)）筑物局部失穩(wěn)甚至整體破壞［1-2］。因此，必須采用合理的爆破振動(dòng)安全判據(jù)，對(duì)緊鄰建（構(gòu)）筑物的穩(wěn)定性與安全性進(jìn)行判斷，使其振動(dòng)狀態(tài)始終處于安全可控的范圍內(nèi)。水下爆破時(shí)緊鄰建（構(gòu)）筑物受迫振動(dòng)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：振動(dòng)速度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間等［3-4］。工程上多采用爆破質(zhì)點(diǎn)振速單因素安全判據(jù)或綜合考慮振速-頻率的雙因素安全判據(jù)［5］。

爆破振速安全判據(jù)考慮因素過(guò)于單一，不能很好地反映建（構(gòu)）筑物受迫振動(dòng)的真實(shí)狀態(tài)，目前已很少運(yùn)用于實(shí)際工程［6］。振速-頻率的雙因素安全判據(jù)考慮了頻率作用下質(zhì)點(diǎn)安全振速的折減，與單因素判據(jù)相比較，更為合理［7-9］。因而，近年來(lái)各國(guó)在原安全標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，提出了考慮頻率因素的振速安全標(biāo)準(zhǔn)。

爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)疊加，從而影響結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征［10］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)此開(kāi)展了一系列理論研究。凌同華等［11］利用時(shí)-能密度法，對(duì)微差爆破延期時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化分析，得出爆破振動(dòng)幅值最小情況下的最優(yōu)微差延期時(shí)間范圍；Aldas等［12］基于對(duì)振動(dòng)疊加理論與微差爆破干擾降振理論的研究，開(kāi)發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)控制體

系。但目前工程領(lǐng)域尚無(wú)可指導(dǎo)實(shí)踐的統(tǒng)一安全判據(jù)，需要繼續(xù)進(jìn)行研究探討。

1 水下爆破安全判據(jù)

1. 1 振動(dòng)幅值單因素安全判據(jù)

1. 1. 1 爆破振動(dòng)強(qiáng)度因子

單因素爆破振動(dòng)安全判據(jù)可以用統(tǒng)一的爆破振動(dòng)強(qiáng)度因子A來(lái)表示，其經(jīng)驗(yàn)公式為［13］：

A＝KQαrβ。（1）式中：A為測(cè)點(diǎn)所在地質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)強(qiáng)度因子（振動(dòng)速度、位移或加速度）；r為爆心至測(cè)點(diǎn)之間的距離，m；Q為單段裝藥量，kg；K、α、β為與地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)。

霍永基等［14］研究發(fā)現(xiàn)，爆破振動(dòng)強(qiáng)度因子中，振動(dòng)速度與建（構(gòu)）筑物的穩(wěn)定性與安全性關(guān)系更為緊密，對(duì)其影響更大，因而在水下爆破工程中，一般采用振動(dòng)速度來(lái)判斷緊鄰建（構(gòu)）筑物受迫振動(dòng)的安全性與穩(wěn)定性。

1. 1. 2 質(zhì)點(diǎn)爆破振速

質(zhì)點(diǎn)爆破振速可按Sadaovsk公式求解［15-16］：

式中：v為待測(cè)質(zhì)點(diǎn)爆破振速，cm/ s；ε為與藥量相關(guān)的指數(shù)；K、α為與地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，其參考取值如表1所示。

表1 爆區(qū)不同巖性的K、α值Tab. 1 Value of K and α under different lithological characters in blasting area

K、α的取值隨著爆破類(lèi)型、方式的不同而不同；同時(shí)，由于實(shí)際工程中地質(zhì)條件復(fù)雜多變，該取值多采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或回歸分析等方法獲得。ε一般取1/2或1/3［17］。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別用ε＝1/2和ε＝1/3進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)ε＝1/3時(shí)，剩余標(biāo)準(zhǔn)差較小，因此，一般情況下，取ε＝1/3較為合理［18-19］。

由于水下爆破振速測(cè)量環(huán)境與爆破影響因素的復(fù)雜性，采用薩達(dá)夫斯基公式無(wú)法準(zhǔn)確得知質(zhì)點(diǎn)振速。針對(duì)水下爆破的特殊性，孟吉復(fù)等［20-23］引入高程差因子γ，對(duì)傳統(tǒng)薩達(dá)夫斯基公式進(jìn)行修正，修正后質(zhì)點(diǎn)振速的表達(dá)式為：

式中：H為爆破點(diǎn)至測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)高差，m；γ為高差修正系數(shù)；K、α和γ取值可采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或多組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析獲取。

水下爆破工程中，緊鄰建（構(gòu)）筑物在持續(xù)爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)不僅與爆破振動(dòng)特性有關(guān)，還應(yīng)當(dāng)充分考慮結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性［24］。質(zhì)點(diǎn)振速、振動(dòng)頻率以及振動(dòng)持續(xù)時(shí)間均會(huì)對(duì)建（構(gòu)）筑物安全性能判定產(chǎn)生較大影響，因而采用單一的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度判定結(jié)構(gòu)安全性缺乏合理性［25-27］。目前，國(guó)內(nèi)外多采用振速-頻率雙因素安全判據(jù)。

1. 2 振速-頻率雙因素安全判據(jù)

1. 2. 1 基于頻率比的折合振速

焦永斌［28］采用頻率比βf計(jì)算頻率作用下質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)折合速度，其表達(dá)式為：

式中：vf為頻率作用下地面質(zhì)點(diǎn)折合振速，cm/ s；βf為頻率效應(yīng)影響系數(shù)；vc為地面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，cm/ s。

βf可通過(guò)最小二乘法分析獲得：

式中：Kβ為頻率比例系數(shù)；fg為建（構(gòu)）筑物的自振頻率，Hz；fb為爆破振動(dòng)作用下地面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)頻率，Hz。

fb/ fg＜5時(shí)，Kβ＝1～2，βf＜1，折合振速小于監(jiān)測(cè)值，建（構(gòu)）筑物在爆破振動(dòng)作用下不會(huì)產(chǎn)生共振，對(duì)其安全有利；fb/ fg＞5時(shí)，Kβ＝2～4，βf可能等于或者大于1，折合振速大于或等于監(jiān)測(cè)值，可能引發(fā)建（構(gòu)）筑物共振，對(duì)其安全不利［29］。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于fb有兩種較為常用的計(jì)算方法。焦永斌［28］研究得出fb的計(jì)算公式如下：

式中：Kf為與振動(dòng)頻率相關(guān)的系數(shù)，Kf＝0. 01～0. 03；cs為巖石的橫波波速，cm/ s。

唐春海等［30］針對(duì)不同的爆破形式，得出：

式中：k為與頻率相關(guān)的系數(shù)，硐室爆破中，k＝0. 8～5. 0；臺(tái)階爆破中，k＝5. 0～50. 0；拆除爆破時(shí)，k＝1. 0～10. 0。k在其取值范圍內(nèi)，與Q存在如下關(guān)系：Q值較大時(shí)，k可取較小值；反之亦反。

折合振速及兩類(lèi)頻率預(yù)測(cè)公式均屬于經(jīng)驗(yàn)公式，較為粗糙，無(wú)法準(zhǔn)確判斷建（構(gòu)）筑物安全性，但仍為爆破振動(dòng)安全判據(jù)做了有益探索，值得借鑒。

1. 2. 2 國(guó)內(nèi)外頻率-振速雙因素安全判據(jù)

國(guó)內(nèi)外對(duì)于爆破振動(dòng)安全判據(jù)做了一系列探索，結(jié)合各國(guó)工程經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際抗震設(shè)防要求，獲得了符合各國(guó)實(shí)際的頻率-振速爆破振動(dòng)安全判據(jù)，具體如表2～表5所示［21-32］。

表2 瑞士爆破振動(dòng)安全判據(jù)Tab. 2 Safety criterion of blasting vibration in Switzerland

1. 2. 3 基于頻率-振速因素的工程設(shè)計(jì)方法

張立國(guó)等［33］通過(guò)量綱和諧原理及δ定理建立相似準(zhǔn)數(shù)方程，推導(dǎo)了爆破振動(dòng)主頻預(yù)測(cè)公式：

式中：K、α為與傳播介質(zhì)相關(guān)的參數(shù)，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得。

工程地質(zhì)條件與周邊建（構(gòu)）筑物分布已知時(shí)，以頻率-振速雙因素安全標(biāo)準(zhǔn)為控制值，可獲得爆破現(xiàn)場(chǎng)合理振動(dòng)幅值。結(jié)合式（3）與式（8），可獲得同時(shí)考慮頻率、振速的最優(yōu)單段裝藥量。

表3 德國(guó)爆破振動(dòng)安全判據(jù)（DIN4150）Tab. 3 Safety criterion of blasting vibration in Germany（DIN4150）

表4 美國(guó)露天礦務(wù)局標(biāo)準(zhǔn)（OSM標(biāo)準(zhǔn)）Tab. 4 Criterion of the open-pit mine bureau in America（OSM criterion）

表5 中國(guó)爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)Tab. 5 Safety criterion of blasting vibration in China

1. 3 考慮振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的爆破振動(dòng)安全判據(jù)

在持續(xù)爆破振動(dòng)影響下，圍巖裂隙發(fā)展直至破壞，同時(shí)建（構(gòu)）筑物振動(dòng)速度允許值下降（降低2倍以上［34］），嚴(yán)重危害圍巖及臨近建（構(gòu)）筑物安全性能。同時(shí)，結(jié)構(gòu)反應(yīng)超過(guò)彈性極限后可能會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度有所喪失，其具體表現(xiàn)為：1）線(xiàn)性體系中，結(jié)構(gòu)反應(yīng)較大值的發(fā)生概率隨振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的上升而上升；2）非線(xiàn)性體系中，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的升高也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生永久變形的概率上升；3）爆破振動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)物的損壞程度仍將隨振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的上升而上升。

振動(dòng)持續(xù)時(shí)間t與距離r之間的近似關(guān)系可表示如下［35］：

高富強(qiáng)等［36］參照薩達(dá)夫斯基公式，采用量綱分析得出：

式中：vmax/ r為比例速度，反映的是振動(dòng)速度幅值與爆心距測(cè)點(diǎn)距離之間的定量關(guān)系。

振動(dòng)持續(xù)時(shí)間由1 s增加至50 s的過(guò)程中，爆破能量對(duì)于緊鄰結(jié)構(gòu)物的破壞能力平均可增大40倍［35］。從以上結(jié)論可以得知，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間也應(yīng)當(dāng)作為水下爆破作用下緊鄰建（構(gòu)）筑物安全判據(jù)的考慮因素之一，但目前國(guó)內(nèi)外暫無(wú)相關(guān)成果。

1. 4 微差爆破振動(dòng)疊加效應(yīng)

1. 4. 1 微差爆破振動(dòng)疊加理論

微差爆破振動(dòng)傳播過(guò)程中，由于地震波在傳播介質(zhì)中衰減較慢，一般會(huì)產(chǎn)生相互干擾與疊加，與齊發(fā)爆破相比，情況更為復(fù)雜。微差爆破振動(dòng)疊加強(qiáng)度的影響因素包括：起爆順序及抵抗線(xiàn)方向、爆心距、微差間隔時(shí)間。當(dāng)爆心與測(cè)點(diǎn)之間的距離超過(guò)50 m時(shí)，不同起爆順序下振動(dòng)疊加放大系數(shù)差別不大［37］。而與之相反的是，爆心距及微差爆破間隔時(shí)間這兩個(gè)因素對(duì)爆破振動(dòng)疊加放大系數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。圖1為不同微差爆破間隔時(shí)間下振動(dòng)疊加放大系數(shù)與爆心距的關(guān)系圖。

由圖1可知，當(dāng)爆心距較小時(shí)，振動(dòng)疊加系數(shù)趨于1，基本未產(chǎn)生振動(dòng)疊加；當(dāng)其值增大到一定程度后，爆破振動(dòng)疊加系數(shù)將隨著爆心距的增大而增大。與此同時(shí)，振動(dòng)疊加系數(shù)也與微差爆破間隔時(shí)間有一定關(guān)系。微差爆破間隔時(shí)間的不同會(huì)引起爆破作用及振動(dòng)效應(yīng)的改變［38-41］。

1. 4. 2 最優(yōu)微差延時(shí)間隔

若采用的微差爆破間隔時(shí)間趨于合理，爆破振動(dòng)能夠最大限度地疊加相消［42］。Langefors等［43］研究發(fā)現(xiàn)，在爆破振動(dòng)周期及波形一致的情況下，若將微差爆破間隔時(shí)間取為Δt＝T/2（T為振動(dòng)周期），可以最大限度地使爆破振動(dòng)干擾相消，從而達(dá)到最佳降振效果。然而，實(shí)際微差爆破相鄰段爆破振動(dòng)的干擾并非簡(jiǎn)單疊加，而應(yīng)當(dāng)綜合考慮實(shí)際地質(zhì)條件及爆破方案等諸多因素的影響［44］。

沈伯騫［45］推導(dǎo)出的微差爆破相較于同條件下齊發(fā)爆破的爆破振動(dòng)效應(yīng)降低系數(shù)求解公式為：

式中：B為微差爆破地震效應(yīng)的降低系數(shù)；An為微差爆破振幅；Aji為齊發(fā)爆破振幅；n為微差爆破的段數(shù)；Δt為微差起爆的延遲時(shí)間，ms；ω為巖層的自振頻率，Hz。

B值越小，說(shuō)明微差爆破延時(shí)間隔的取值對(duì)于減振更為有利。當(dāng)式（11）分子部分取0時(shí)，將獲得最佳減振效果。故最優(yōu)微差延時(shí)間隔的求解公式如下：

2 問(wèn)題與思考

1）采用水下爆破作用下地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度單因素安全判據(jù)在某種程度上能夠判定建（構(gòu)）筑物安全性，但卻具有很大的局限性。其原因在于：建（構(gòu)）筑物安全性能影響因素很多，建（構(gòu)）筑物自身動(dòng)力特性、起爆方式、地震波傳遞介質(zhì)等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大影響［46-49］。地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度相同，振動(dòng)頻率及振動(dòng)持續(xù)時(shí)間差別較大時(shí)，建（構(gòu)）筑物實(shí)際所處狀態(tài)會(huì)與單因素判據(jù)評(píng)估結(jié)果相距甚遠(yuǎn)［50］。因而，振動(dòng)頻率及振動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)建（構(gòu)）筑物安全性能的影響是不容忽視的，需要加大研究力度，形成可運(yùn)用于實(shí)踐的多因素統(tǒng)一安全判據(jù)。

2）國(guó)內(nèi)外日漸普及的振速-頻率雙因素安全判據(jù)是在實(shí)踐過(guò)程中形成的修正判據(jù)，與單因素相比更具合理性，但仍存在一定缺陷。其一，工程領(lǐng)域已開(kāi)始采用考慮爆破振動(dòng)頻率與爆破振速協(xié)同作用的雙因素安全判據(jù)對(duì)以房屋為主的建筑物在爆破振動(dòng)作用下的安全性能進(jìn)行判定，但對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)復(fù)雜的建（構(gòu)）筑物（巖石邊坡、洞室圍巖和新澆混凝土等）卻無(wú)可供參考的雙因素安全判據(jù)［51］；其二，雙因素安全判據(jù)未考慮振動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)建（構(gòu)）筑物動(dòng)力特性的影響，考慮因素不夠全面，對(duì)建（構(gòu)）筑物在爆破振動(dòng)作用下的安全判定有失準(zhǔn)確［52］；其三，在水下爆破實(shí)踐中，由于水環(huán)境較陸地環(huán)境復(fù)雜，影響因素繁多，該判據(jù)在水下爆破工程中的適用性還有待考察［53-54］。因而，該安全準(zhǔn)則的廣度與深度還需要在實(shí)踐中補(bǔ)充強(qiáng)化。

3）目前工程領(lǐng)域?qū)τ诒普駝?dòng)持續(xù)時(shí)間的研究仍停留于理論層面，未與振動(dòng)速度及振動(dòng)頻率聯(lián)系起來(lái)，無(wú)法用于準(zhǔn)確判定建（構(gòu)）筑物安全性能。同時(shí)，在微差爆破過(guò)程中，間隔時(shí)間的不同會(huì)在中遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生不同程度的疊加，直接影響建（構(gòu)）筑物安全性能，因而微差爆破間隔時(shí)間也應(yīng)當(dāng)考慮在爆破振動(dòng)安全判據(jù)內(nèi)［55］。在工程實(shí)踐中，可運(yùn)用微差爆破振動(dòng)疊加理論和建（構(gòu)）筑物累計(jì)損傷機(jī)理，選擇降振效果最佳的微差爆破時(shí)間，從而減小微差爆破振動(dòng)疊加對(duì)建（構(gòu)）筑物安全性能的影響［56-57］。

3 結(jié)論

1）質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度單因素安全判據(jù)考慮因素單一，對(duì)建（構(gòu)）筑物的安全判定結(jié)果與其實(shí)際所處狀態(tài)相差較大，應(yīng)減少其工程應(yīng)用。

2）振速-頻率雙因素安全判據(jù)是對(duì)前者的修正，具有一定合理性，但未體現(xiàn)出振動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能的影響，且多應(yīng)用于房屋為主的建筑物，水下環(huán)境適用性也有待考察。

3）爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間會(huì)使建（構(gòu)）筑物在反復(fù)的水下爆破振動(dòng)沖擊作用下產(chǎn)生累計(jì)損傷，有必要將其列入安全判據(jù)范疇，對(duì)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正，并運(yùn)用于工程實(shí)踐。

4）微差爆破會(huì)在中遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生振動(dòng)疊加，影響建（構(gòu)）筑物安全性能，需要在安全判據(jù)中加以考慮，并在實(shí)際工程中采用最佳微差爆破間隔時(shí)間，達(dá)到最優(yōu)降振效果。

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Research Review on Safety Criterion of Underwater Blasting Nearby Constructions

SU Ying①②，WU Li②，PENG Yaxiong②，ZHOU Ruifeng②，SU Xiaomao③

①City College，Wuhan University of Science and Technology（Hubei Wuhan，430083）
②China University of Geoscieneces（Wuhan）（Hubei Wuhan，430074）
③Hu’nan Chuangyi Blasting Engineering Co.，Ltd.（Hu’nan Changsha，410001）

［ABSTRACT］ Evaluation indexes for the safety performance of structures under the underwater blasting were briefly expounded，and the application of the single vibration amplitude criterion to the safety performance evaluation under this circumstance was analyzed. Besides，the theoretical research methods of the dual-factor vibrating velocity-frequency safety criterion as well as the national current standards were introduced. From the above，the lack of the consideration and application scope of both criterions in the safety performance evaluation of blasting vibration was discussed. Based on the cumulative damage mechanism and the vibration superposition theory，the effect that the blasting vibration duration and the differential blasting delay interval result in the safety performance of structures was studied. It was proposed that the safety criterion of blasting vibration should be improved from two aspects，the blasting vibration duration and differential blasting delay interval，and the ideal millisecond delay intervals should be applied in practical engineering to achieve optimal effect of vibration reduction.

［KEY WORDS］ safety criterion；vibration velocity；vibration frequency；vibration duration；delay interval of differential blasting

收稿日期：［分類(lèi)號(hào)］ TD235?2015-07-18

doi：10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 012

基金項(xiàng)目：湖北省科技廳自然基金重點(diǎn)基金項(xiàng)目（2013CFA110）；中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（SKJ2014065）

作者簡(jiǎn)介：蘇瑩（1991 -），女，碩士，主要從事工程爆破、圍巖動(dòng)力響應(yīng)方面的研究。E-mail：18672765612@163. com

通信作者：吳立（1963 -），男，教授，博導(dǎo)，主要從事工程爆破、圍巖動(dòng)力響應(yīng)方面的研究。E-mail：lwu@ cug. edu. cn