取水隧洞內(nèi)外爆破振動安全分析

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)。

1 工程概況與測點布置

1.1 工程概況

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

1.2 測點布置

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

2 結(jié)果與分析

2.1 爆破振動速度

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)。

2.2 不同區(qū)域爆破衰減規(guī)律

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。

2.3 隧洞爆破不同區(qū)域頻譜特征

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

3 結(jié)論

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。