王曉煒
(中廣核工程有限公司,廣東 深圳 518031)
鉆爆法是核電工程中取水隧洞開挖施工的常用手段,相比人工開挖,具有施工速度快、人力資源消耗少等優(yōu)點[1]。取水隧洞由于其上層覆蓋淺,開挖距離短,屬于典型的淺埋式隧道開挖,在整個施工過程中受爆破荷載的沖擊作用,易對隧道圍巖、襯砌、臨近附屬巖基以及地表建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不同程度的影響,比如引起隧洞失穩(wěn)塌方、地表不均勻沉降、建(構(gòu))筑物破壞等[2]。一般采用爆破區(qū)域的質(zhì)點峰值振動速度是否超過相應(yīng)安全閾值來判定其對周圍環(huán)境的影響[3]。然而,水工隧洞圍巖自身穩(wěn)定的安全閾值為7~15 cm/s[4],周圍地表建(構(gòu))筑物的振動安全閾值則為5 cm/s[5],由于傳播機(jī)理的不同,爆破產(chǎn)生的地下振動與地表振動在監(jiān)測系統(tǒng)、預(yù)測公式等方面有明顯的差別[6]。在滿足圍巖自身穩(wěn)定時,地表建筑物的振動超過安全閾值可能發(fā)生破壞,或者以地表建筑物安全標(biāo)準(zhǔn)作為判據(jù),在建筑物振動滿足要求時,圍巖自身卻發(fā)生失穩(wěn)垮塌現(xiàn)象。另外,地下爆破與周圍環(huán)境的相互作用是一個復(fù)雜的系統(tǒng),按照單一的地下振動監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)來控制爆破振動具有明顯不足。因此,進(jìn)行淺埋隧道爆破開挖振動效應(yīng)研究及監(jiān)測系統(tǒng)與控制標(biāo)準(zhǔn)的確定具有十分重要的意義。
為研究地下工程爆破開挖過程中振動速度的傳播規(guī)律,一些學(xué)者對爆破過程的振動進(jìn)行了現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬研究[6-11]。任仕國[12]通過對地鐵車站開挖爆破施工過程中的地震波進(jìn)行監(jiān)測并分析其衰減規(guī)律,計算得到了施工安全許可的單段最大起爆藥量;高峰等[13]采用灰色關(guān)聯(lián)法對梅山鐵礦井下爆破振動影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析,得到了6個影響因素指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度排序,為控制礦山爆破對地表構(gòu)建物的振動影響提供了依據(jù)。張俊兵[14]對地鐵暗挖隧道爆破過程中,臨近次高壓燃?xì)夤芫€的振動進(jìn)行了監(jiān)測,得到并驗證了有利于保護(hù)燃?xì)夤芫€的爆破參數(shù)。趙春生[15]采用ANSYS數(shù)值模擬軟件對新建隧道爆破施工過程中的振動進(jìn)行了模擬,通過將數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行比較,研究了新建隧道的施工對既有隧道的影響。梁瑞等[16]采用ANSYS/LS-DYNA建立了地鐵隧道的管土耦合模型,分析了隧道掘進(jìn)爆破對既有埋地管道的動力影響,為爆破作業(yè)過程中臨近管道的安全控制提供了一定的依據(jù)。鄭爽英等[17]結(jié)合西安成都客運(yùn)專線仙女巖隧道爆破工程,采用ANASYS/LS-DYNA對爆源附近石油管道的振動效應(yīng)進(jìn)行了模擬,對管道與土體的動力響應(yīng)進(jìn)行分析,進(jìn)而對管道的安全性進(jìn)行了評估。盡管上述研究對隧道爆破過程中的振動效應(yīng)進(jìn)行了一定的研究,但對于核電工程這種具有多項控制要求的地下爆破研究仍然較少。
筆者以廣東臺山核電站取水隧洞爆破工程為背景,通過在開挖面附近的隧道內(nèi)部與地表共布置6個振動監(jiān)測點,分析了爆破荷載下地表及地下的振動傳播規(guī)律。結(jié)合爆破安全規(guī)程和核電站爆破安全規(guī)定,分析所得結(jié)果為具有多項控制要求的核電地下工程爆破監(jiān)測提供了有效的工程依據(jù)。
廣東臺山核電站位于廣東省江門市轄臺山市赤溪鎮(zhèn)腰古村,項目建設(shè)地點距臺城約44.5 km,其東面為黃茅海,其余三面環(huán)山,東南方向約5 km處為大襟島。該項目中大襟島取水隧洞0+90~0+200 m段采取鉆爆法進(jìn)行開挖施工,開挖方量為20萬m3。臺山核電站1號取水隧洞為中國越海盾構(gòu)第一隧,開挖面試驗爆破過程中共進(jìn)行7次爆破,爆源區(qū)距離監(jiān)測點約30~100 m。爆破開挖區(qū)域基巖主要為中粒斑狀黑云母二長花崗巖,地勘資料顯示場區(qū)內(nèi)構(gòu)造節(jié)理較為發(fā)育,巖體較為破碎,主要礦物成份為石英、長石。巖體中主要節(jié)理優(yōu)選方位為走向351°~360°,傾角65°~85°,平均頻度4.4條/m,最大節(jié)理密度大于6%(見圖1)。北西象限的圓周上單位面積的節(jié)理密度最大,其次為南西象限,南東象限和中心較稀疏,說明場區(qū)節(jié)理大多數(shù)為北東東向,其次為北北西向,其它方位的節(jié)理發(fā)育較弱。
注:數(shù)字1~9分別表示節(jié)理密度大于6%,6%~5%,5%~4%,4%~3%,3%~2%,2%~1%,1%~0.5%,0.5%~0%,0%。圖1 爆破開挖區(qū)巖石節(jié)理密度Fig.1 Rock joint density in blasting area
為確保鉆爆法開挖施工過程中隧道圍巖的穩(wěn)定與地表建筑物的安全,開挖面7次爆破的過程中,監(jiān)測了隧道內(nèi)部以及地表不同位置處的質(zhì)點峰值振動速度。沿隧道方向共布置了6個測點(見圖2),其中1#~3#為地表監(jiān)測點,4#~6#為隧道內(nèi)部監(jiān)測點,地表監(jiān)測點與隧道內(nèi)部監(jiān)測點大致處于同一垂直線上,且各監(jiān)測點沿隧道方向與開挖面的距離分別為30、70、100 m。根據(jù)監(jiān)測點與開挖面水平距離的不同,將上述6個監(jiān)測點所處的位置分為3個區(qū)域;其中,1#與4#監(jiān)測點為I區(qū),其與開挖面的距離較近;2#與5#監(jiān)測點為II區(qū),其與開挖面的距離處于中等水平;3#與6#監(jiān)測點為III區(qū),其與開挖面的距離較遠(yuǎn)。
圖2 振動監(jiān)測點布置Fig.2 Layout of vibration monitoring points
根據(jù)我國現(xiàn)行的《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014),爆破過程中的質(zhì)點峰值振動速度可采用薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸分析[18-21]:
(1)
為研究不同距離下不同位置的質(zhì)點峰值振動速度的衰減規(guī)律,將6個監(jiān)測點的參數(shù)代入式(1)即可得到7次爆破開挖過程中各監(jiān)測點的質(zhì)點峰值振動速度。不同區(qū)域下地表及隧道內(nèi)部比例藥量與質(zhì)點峰值振動速度的衰減規(guī)律如圖3所示。
圖3 比例藥量與質(zhì)點峰值振動速度的衰減規(guī)律Fig.3 Attenuation law of the proportional charge and the particle peak vibration velocity
當(dāng)監(jiān)測點與爆源距離增大時(監(jiān)測點從I區(qū)測點變?yōu)镮II區(qū)測點),各測點的質(zhì)點峰值振動速度整體呈減小的變化趨勢;當(dāng)比例藥量增加時,地表測點與隧道內(nèi)部測點處的質(zhì)點峰值振動速度均呈增加的變化趨勢。對于距離爆源較近的I區(qū)測點而言(見圖3a),隧洞內(nèi)部測點處的質(zhì)點峰值振動速度整體大于地表測點的監(jiān)測結(jié)果,該結(jié)果主要與爆源近區(qū)受爆破振動波的影響較大有關(guān),此時爆源距對質(zhì)點峰值振動速度影響占主導(dǎo)作用,爆破對隧洞內(nèi)部的破壞效應(yīng)大于其對地表建筑物的影響。
與I區(qū)監(jiān)測結(jié)果不同,II區(qū)地表測點處的質(zhì)點峰值振動速度整體大于隧洞內(nèi)部測點,該結(jié)果可能與隧洞內(nèi)部質(zhì)點受環(huán)向“夾置作用”,自由度少于地表有關(guān),此時爆源距對質(zhì)點峰值振動速度的影響較小,差異不再明顯。相類似,對于距離爆源較遠(yuǎn)的III區(qū)測點而言(見圖3c),地表測點處的質(zhì)點峰值振動速度大于隧洞內(nèi)部測點且其兩者的差距進(jìn)一步增大,此時地表振動呈現(xiàn)“鞭梢效應(yīng)”。因此,由上述兩種情況可知,隧洞爆破過程中對距離爆源較遠(yuǎn)的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測時,僅僅監(jiān)測隧洞內(nèi)部的峰值振動速度不足以保證地表建筑物的穩(wěn)定與安全,需同時建立監(jiān)測地上與地下爆破振動的系統(tǒng)。
采用規(guī)范中推薦的薩道夫斯基公式對圖 3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,可得到不同區(qū)域測點的爆破振動衰減規(guī)律。不同區(qū)域下地表和隧洞內(nèi)部地形系數(shù)及衰減系數(shù)如圖4所示。
圖4 地形系數(shù)及衰減系數(shù)Fig.4 Terrain coefficients and attenuation coefficients
由圖4可知,不同區(qū)域的地形系數(shù)與衰減系數(shù)k,α相差較大,在I區(qū)與II區(qū),地表振動的衰減指數(shù)α略大于隧洞內(nèi)部,且地表振動隨爆源距的增加呈減小趨勢,故呈現(xiàn)出隧洞內(nèi)部的振動速度大于地表振動;然而,隨爆源距增加,隧洞內(nèi)部的振動衰減系數(shù)整體呈增加的變化趨勢,且III區(qū)隧洞內(nèi)部的衰減系數(shù)遠(yuǎn)大于地表,約為地表部分的2倍,故出現(xiàn)地表振動速度大于隧洞內(nèi)部振動速度的現(xiàn)象。
傳統(tǒng)的隧洞開挖監(jiān)測系統(tǒng)是通過單一的監(jiān)測隧洞自身內(nèi)部的振動速度來控制其不超過相應(yīng)安全判據(jù)。然而,由上述試驗結(jié)果可知,在距離爆源較近的的I區(qū)區(qū)域,隧洞內(nèi)部的振動大于地表振動;當(dāng)圍巖滿足自身穩(wěn)定性7 cm/s的要求時,地表建筑物不一定完全滿足安全判據(jù)5 cm/s;對于II區(qū)而言,二者振動速度相差不大,故可以通過監(jiān)測地表振動來同時控制隧洞和地表建筑物的安全;在距離爆源較遠(yuǎn)的III區(qū)區(qū)域,地表振動速度大于隧洞內(nèi)部振動,只需要監(jiān)測地表建構(gòu)筑物使其不超過控制標(biāo)準(zhǔn)5 cm/s即可。由此可見,對于核電取水隧洞的鉆爆開挖安全控制系統(tǒng)的建立,僅僅監(jiān)測隧洞內(nèi)部圍巖穩(wěn)定是不夠的,因而全方位的分區(qū)域建立地上地下監(jiān)測系統(tǒng)就顯得至關(guān)重要。
試驗表明,爆破產(chǎn)生的振動災(zāi)害不僅體現(xiàn)在質(zhì)點峰值振動速度上,其頻譜特性也是決定災(zāi)害程度的重要因素。在此,以地面2#監(jiān)測點和隧洞內(nèi)部5#監(jiān)測點為例,對比分析了單孔裝藥量條件下上述兩點的振動波形(見圖5)。盡管2#測點比例距離大于5#測點,但其峰值振動速度仍大于隧洞內(nèi)部。應(yīng)力波傳至地表,因反射應(yīng)力波作用,測點速度出現(xiàn)疊加,且疊加區(qū)只出現(xiàn)在波尾時刻。
圖5 單孔裝藥量條件下5#和2#監(jiān)測點的振動波形Fig.5 Vibration wave form of monitoring point 5 and point 2 under single hole charge
對于某質(zhì)點速度時程曲線v(t),可通過傅里葉變換將其轉(zhuǎn)換為頻域空間曲線F(ω)
(2)
式中:ω為振動波的圓頻率。
通過變換得到不同位置的頻譜(見圖6)。結(jié)果表明,隧洞內(nèi)部測點的振動頻率普遍高于地表測點,主振頻率范圍為50~100 Hz,在1~2 s內(nèi)普遍處于該水平。而地表點的主振頻率約為50 Hz,主要局限在波尾段,是由入射波和反射波疊加造成,在0~2 s內(nèi),主振頻率要小于隧洞內(nèi)測點振動,因此在評估爆破的破壞作用時,需綜合考慮不同測點的頻譜差異進(jìn)行分析。
圖6 單孔裝藥量條件下5#和2#監(jiān)測點的振動波頻譜Fig.6 Vibration frequency spectrum of monitoring point 5 and point 2 under single-hole charge
1)地下爆破引起的地下振動與地表振動差異較大,且該差異與爆源距具有較大關(guān)系。
2)在距離爆源較近的I區(qū)區(qū)域內(nèi),地下振動速度明顯大于地表振動速度,此時僅監(jiān)測隧洞內(nèi)部振動不一定完全保證地表建筑物的安全,需要同時在地下及地表部分布設(shè)監(jiān)測點。
3)在II區(qū)區(qū)域內(nèi),地下振動速度與地表振動速度振動差異較小,原則上可以通過監(jiān)測地表振動來控制地上及地下巖體穩(wěn)定性,為安全起見,建議地上地下均布設(shè)相應(yīng)監(jiān)測點。
4)在距離爆源較遠(yuǎn)的III區(qū)區(qū)域,地表振動大于地下振動,由于地上部分的控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于隧洞穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn),可以通過監(jiān)測地表振動來同時控制二者安全。