抽水蓄能電站地下洞室開挖爆破振動監(jiān)測研究

李克友 許慧璽

【摘 要】抽水蓄能電站一般設(shè)計(jì)有大量地下洞室。用爆破方式進(jìn)行地下洞室開挖是當(dāng)前工程建設(shè)最主要的方式。爆破對周圍建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生振動是影響爆破安全的重要因素。為有效控制爆破振動對爆破周邊建（構(gòu)）筑物的破壞，保證施工安全和質(zhì)量，對爆破開挖引起的振動進(jìn)行監(jiān)測控制十分必要。文章結(jié)合某抽水蓄能電站地下廠房開挖情況，分析地震波的傳播規(guī)律，并指導(dǎo)工程爆破參數(shù)設(shè)計(jì)和后續(xù)施工，同時(shí)開展爆破振動規(guī)律持續(xù)性優(yōu)化分析，取得了較好的應(yīng)用效果。

【關(guān)鍵詞】抽水蓄能電站;地下洞室;爆破開挖;振動監(jiān)測

【中圖分類號】TV52 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0062-04

0 引言

爆破開挖工程在水電站建設(shè)階段被廣泛應(yīng)用。爆破振動是影響爆破安全的重要因素。近年來，因爆破振動引起建（構(gòu)）筑物破損、邊坡垮塌等現(xiàn)象十分常見，嚴(yán)重影響工程建設(shè)的進(jìn)度、質(zhì)量和安全，使得工程建設(shè)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益大打折扣。與常規(guī)水電站相比，抽水蓄能電站有大量的洞室群。例如：地下廠房、主變洞、引水洞、尾水洞、調(diào)壓井、進(jìn)廠交通洞、施工支洞、上下水庫連接道路隧洞等。由于工作面較多，爆破開挖與噴射混凝土、錨桿注漿、基礎(chǔ)灌漿、大體積混凝土澆筑等工序往往需要交叉進(jìn)行。若在爆破開挖過程中不進(jìn)行有效控制，就會嚴(yán)重影響錨桿的錨固質(zhì)量、噴射混凝土與巖石的黏結(jié)強(qiáng)度、導(dǎo)致新澆混凝土開裂等，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。地震波的能量一般隨傳播距離呈指數(shù)衰減。但受到巖石類型、巖石風(fēng)化程度、場地類型、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，衰減規(guī)律又各不相同。因此，對具體的工程場地需要進(jìn)行地震波傳播規(guī)律研究。為保證施工安全、施工質(zhì)量，需對爆破開挖引起的振動進(jìn)行監(jiān)測，分析場內(nèi)地震波的傳播規(guī)律，并以此指導(dǎo)后續(xù)工程爆破參數(shù)設(shè)計(jì)和施工[1-2]。

本研究以某抽水蓄能電站地下廠房爆破開挖為研究對象，開展爆破地震監(jiān)測。了解開挖爆破對周圍巖體的影響程度，研究場內(nèi)地震波傳播規(guī)律。并依據(jù)監(jiān)測成果，不斷優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，調(diào)整爆破參數(shù)[3-4]。

1 方法原理

采用質(zhì)點(diǎn)振動實(shí)時(shí)監(jiān)測法。爆破地震效應(yīng)是爆炸時(shí)起爆區(qū)一定范圍內(nèi)，地表及建筑物振動現(xiàn)象的一種反映。振動能量超過一定限度時(shí)，會對地表及建筑物產(chǎn)生一定的破壞作用。工程爆破在取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也會產(chǎn)生一系列的危害。爆破安全至關(guān)重要，爆破的整個(gè)過程必須嚴(yán)格執(zhí)行國家《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定。除布置合理的監(jiān)測儀外，還應(yīng)對爆破的危害效應(yīng)如沖擊波、地震波、飛石等加以控制與防護(hù)，應(yīng)對沖擊波、地震波等不良影響的參數(shù)進(jìn)行測定，準(zhǔn)確分析與研究這些參數(shù)的變化與分布規(guī)律，進(jìn)而確定相應(yīng)的控制方法和措施。

爆破地震波在不同的介質(zhì)中傳播，既受介質(zhì)性質(zhì)的影響，又受地質(zhì)構(gòu)造、爆破藥量和起爆方式等諸多因素的影響，因此地震波的波形結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，差異很大，甚至在同一地區(qū)重復(fù)爆破測得的波形和振動幅值也不盡相同，由此通過對不同距離的地震強(qiáng)度的測量，建立描述地震強(qiáng)度隨炸藥量、藥包埋深和爆區(qū)介質(zhì)特征隨距離因素的變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，了解地震波的傳播與衰減規(guī)律，同時(shí)對地震波傳播范圍內(nèi)各種建（構(gòu)）筑物等進(jìn)行爆破振動強(qiáng)度、頻率和持續(xù)時(shí)間的監(jiān)測，得出建（構(gòu)）筑物等受破壞時(shí)相應(yīng)的振動強(qiáng)度等參數(shù)。我國的《爆破安全規(guī)程》是以質(zhì)點(diǎn)振動速度為判據(jù)，制定出不同建（構(gòu)）筑物的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)給出計(jì)算爆破振動衰減規(guī)律時(shí)，不同地質(zhì)、地形條件下的數(shù)學(xué)表達(dá)式中的K和α的數(shù)值，用以預(yù)報(bào)爆炸源在一定藥量不同距離條件下，建（構(gòu)）筑物所遭受破壞與不被破壞的狀態(tài)。

爆破開挖引起的地震波在介質(zhì)中傳播，受場地巖石性質(zhì)、斷層破碎帶分布、爆破藥量、起爆方式等因素影響，不同場地、部位，差異較大。通過對地震波進(jìn)行監(jiān)測，了解場地地震波衰減規(guī)律。

爆破質(zhì)點(diǎn)振動速度主要與爆破單響藥量、爆破方式和爆源距有關(guān)。在理想介質(zhì)中，其傳播規(guī)律符合薩道夫斯基公式，該公式如下。

公式（2）中：V為質(zhì)點(diǎn)振動速度，單位為cm/s;Q為最大單響藥量，單位kg;R為藥量分布幾何中心至監(jiān)測點(diǎn)距離，單位為m;H為監(jiān)測點(diǎn)與爆源的高差，單位為m;K、a為與場地地質(zhì)條件、巖體特性、爆破條件，以及爆破區(qū)與觀測點(diǎn)相對位置等有關(guān)的常數(shù);β為高差影響指數(shù)[5]。

2 工程概況

某抽水蓄能電站樞紐工程主要由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)等部分組成。輸水系統(tǒng)建筑物包括上下庫進(jìn)/出水口、引水洞、上游調(diào)壓井、鋼岔管、高壓引水支洞、尾水洞等;輸水系統(tǒng)總長度為3 616.1 m（①機(jī)），輸水系統(tǒng)長度與發(fā)電額定水頭比7.09。

引水主洞采用一洞兩機(jī)布置方式，主洞洞徑為6.0 m，鋼岔管;尾水系統(tǒng)采用一洞一機(jī)的布置方式，洞徑為4.4 m。

廠房系統(tǒng)由地下廠房系統(tǒng)建筑物和地面廠房系統(tǒng)建筑物兩個(gè)部分組成。下廠房系統(tǒng)建筑物主要包括主副廠房洞、主變洞、母線洞、排風(fēng)平洞、排風(fēng)豎井、500 kV電纜出線平洞、500 kV電纜出線豎井、進(jìn)廠交通洞、主變運(yùn)輸洞、通風(fēng)兼安全洞、電纜交通洞、排水廊道、自流排水洞等洞室;地面廠房系統(tǒng)建筑物主要由GIS開關(guān)站、出線平臺、繼保樓等地面建筑物組成;中控樓放置業(yè)主營地內(nèi)。主廠房長156.50 m，寬23.50 m（巖壁吊車梁以上寬25.00 m），高55.00 m，包括安裝場段、主機(jī)段和副廠房段;主變洞長154.92 m，寬20 m，高21.3 m。

工程區(qū)出露的基巖地層主要為下元古界片麻巖和中條期片麻狀花崗巖，塊狀結(jié)構(gòu)，巖體完整、強(qiáng)度高，圍巖類型主要為I-II類，隧洞進(jìn)出口附近和構(gòu)造帶部位圍巖為III-IV或V類。區(qū)內(nèi)局部分布有燕山晚期侵入巖花崗巖，第四系松散巖類主要分布在河床及次一級沖溝內(nèi)。

工程區(qū)總體地質(zhì)條件優(yōu)越，有利于工程建設(shè)。地下廠房系統(tǒng)埋深較大，開挖出露的巖體完整堅(jiān)硬，未見大的裂隙破碎帶、斷層、滲水等不良地質(zhì)情況。

通過對主副廠房開挖爆破進(jìn)行監(jiān)測，達(dá)到以下目的。

（1）監(jiān)測主副廠房開挖爆破對圍巖及附屬設(shè)施產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動速度，并根據(jù)監(jiān)測成果，得到主副廠房開挖爆破振動衰減規(guī)律，以作為爆破振動振速預(yù)報(bào)和安全校核的依據(jù)。

（2）通過爆破試驗(yàn)監(jiān)測，調(diào)整爆破有關(guān)參數(shù)，不斷優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，改進(jìn)施工方法和安全措施，以滿足防護(hù)目標(biāo)的安全要求。

3 控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）監(jiān)測工作應(yīng)貫穿施工開挖全過程，以爆破振動監(jiān)測的反饋分析為主，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)和施工工藝并對爆破進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)量應(yīng)滿足工程規(guī)定的要求。

（2）監(jiān)測工作的重點(diǎn)是控制最大段單響藥量、確定合理的微差延期和裝藥結(jié)構(gòu)等一系列問題。

（3）分析監(jiān)測成果時(shí)，以質(zhì)點(diǎn)振動速度為主，位移和加速度為輔。對試驗(yàn)獲得的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步驗(yàn)證或修訂，隨著爆破開挖施工的開展，對爆破振動衰減規(guī)律計(jì)算公式進(jìn)行修正。

（4）爆破振動引起的建（構(gòu)）筑物或巖土體的破壞受到許多復(fù)雜因素的影響，例如破壞過程的復(fù)雜性和巖土介質(zhì)的多變性等，因此關(guān)于爆破振動的允許標(biāo)準(zhǔn)，目前還沒有統(tǒng)一規(guī)定，一般是根據(jù)目前的研究成果與具體工程的實(shí)際情況綜合確定。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對爆破點(diǎn)附近的建（構(gòu)）筑物進(jìn)行爆破振動控制。爆破振動速度允許值見表1。

4 監(jiān)測試驗(yàn)

按照近密遠(yuǎn)疏的原則，在廠房已開挖部分的上下游邊墻分別布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，分別對最大單響為56 kg、50 kg、30 kg的爆破開展監(jiān)測工作。

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行垂向、水平切向、水平徑向三矢量振動速度、振動頻率和振動持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。選取垂向、水平切向、水平徑向中速度最大者為該測點(diǎn)的振動速度。其中：監(jiān)測點(diǎn)距離爆破中點(diǎn)的范圍為17.2～71.1 m;最大速度范圍為2.872 4～13.32 cm/s;振動主頻率為91.5～396.7 Hz，主頻大部分為100～150 Hz;振動時(shí)間為0.129 1～0.407 9 s。監(jiān)測的15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中有4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)超過允許值，占26.7%。爆破振動監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。

5 回歸分析

為了解地震波在介質(zhì)中的轉(zhuǎn)播規(guī)律，確?；貧w方程式的準(zhǔn)確性，根據(jù)測區(qū)的地形情況，爆破點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)高差不大，數(shù)據(jù)回歸不考慮高差效應(yīng)。對監(jiān)測到的質(zhì)點(diǎn)振動速度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出以下衰減規(guī)律。質(zhì)點(diǎn)振動速度監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析如圖1所示。

即K=91.85，α=1.238。

數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)為0.945，相關(guān)度較高。

6 爆破監(jiān)測

根據(jù)前期的監(jiān)測成果，并進(jìn)行振動數(shù)據(jù)回歸分析。指數(shù)α=1.238，該值較大，反映巖石堅(jiān)硬，與場地為完整性好的花崗巖相符。本測區(qū)爆破振動主頻大部分分布在100～150 Hz。高頻率所占比例較大。說明在場地巖石完整，頻率衰減較慢。

前期最大單響太大，其中4點(diǎn)超過控制標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到26.7%的數(shù)據(jù)點(diǎn)超標(biāo)。根據(jù)公式換算，后期應(yīng)減小最大單響藥量。后期采用最大單響為32 kg、16 kg、20 kg，共采集到39個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，最大單響為32 kg時(shí)有3個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)（允許速度均為10 cm/s），占總數(shù)據(jù)點(diǎn)的7.7%，并且這些監(jiān)測點(diǎn)的距離都小于21.2 m。其余測點(diǎn)均滿足設(shè)計(jì)要求。說明利用前期的回歸公式進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)后建（構(gòu)）物的爆破振動得到了有效的控制。爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表見表3。

7 回歸優(yōu)化

經(jīng)過后期監(jiān)測成果，積累大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)進(jìn)行回歸分析。對監(jiān)測到的質(zhì)點(diǎn)振動速度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析優(yōu)化，得出以下衰減規(guī)律。質(zhì)點(diǎn)振動速度數(shù)據(jù)回歸分析優(yōu)化如圖2所示。

即K=133.76，α=1.238 7。

數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)為0.877，相關(guān)度較高。

8 成果分析

通過現(xiàn)場爆破振動的測試和數(shù)據(jù)分析，可得出如下結(jié)論。

（1）對監(jiān)測試驗(yàn)所得質(zhì)點(diǎn)振動速度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出以下衰減規(guī)律。

采用薩道夫斯基公式回歸，客觀地反映了質(zhì)點(diǎn)峰值速度隨單響最大藥量和爆破中心距的變化而變化。指數(shù)α=1.238，該值較大，反映巖石堅(jiān)硬，與場地為完整性好的花崗巖相符。本測區(qū)爆破振動主頻大部分分布在100～150 Hz。高頻率所占比例較大。說明場地內(nèi)巖石完整，頻率衰減較慢。

（2）利用回歸分析成果對爆破設(shè)計(jì)開展設(shè)計(jì)優(yōu)化，從試驗(yàn)階段的最大單響藥量為56 kg、50 kg、30 kg調(diào)整至32 kg、16 kg、20 kg，爆破超標(biāo)率從26.6%降低至7.7%。爆破振動控制效果得到顯著提升。

（3）經(jīng)過后期爆破振動監(jiān)測，積累大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)開展回歸分析，得出以下衰減規(guī)律。

即K=133.76，α=1.238 7。

數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)為0.877，相關(guān)度較高。

（4）監(jiān)測數(shù)據(jù)呈喇叭狀分布。監(jiān)測點(diǎn)距離爆破點(diǎn)越遠(yuǎn)，振動速度值越靠近擬合曲線。監(jiān)測點(diǎn)距離爆破點(diǎn)越近，振動速度值越遠(yuǎn)離擬合曲線，離差越大。說明地震波在近場點(diǎn)波動更復(fù)雜，受干擾因素多。

（5）測試點(diǎn)附近有部分測點(diǎn)超標(biāo)，但距離都太近（約20 m）。30 m以外的振動速度均未超過相關(guān)技術(shù)控制要求。經(jīng)過宏觀調(diào)查，爆破未對構(gòu)（筑）物產(chǎn)生破壞作用，說明利用爆破振動監(jiān)測試驗(yàn)進(jìn)行回歸分析，進(jìn)而調(diào)整爆破設(shè)計(jì)，同時(shí)隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)累計(jì)持續(xù)開展回歸分析優(yōu)化的爆破振動控制方式有效。

9 結(jié)語

本研究結(jié)合某抽水蓄能電站地下廠房開挖對爆破開挖形成的巖面進(jìn)行爆破振動監(jiān)測，總結(jié)了爆破地震波的傳播規(guī)律并持續(xù)優(yōu)化，指導(dǎo)工程爆破參數(shù)設(shè)計(jì)和后續(xù)施工，取得了較好的應(yīng)用效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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