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(長(zhǎng)江科學(xué)院 巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

雅礱江錦屏一級(jí)水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高305 m，承受荷載大，壩體應(yīng)力高，因而對(duì)壩基抗力體要求較高[1]。它是較云南小灣水電站施工條件更為復(fù)雜的混凝土雙曲拱壩工程，工程地質(zhì)條件差，施工難度大，施工環(huán)境復(fù)雜[2-3]?；A(chǔ)處理分1 885 m，1 829 m，1 785 m，1 730 m，1 670 m高程5層布置，錦屏一級(jí)水電站左岸抗力體標(biāo)段范圍內(nèi)出露的基巖為中上三疊統(tǒng)雜谷腦組第二段(T2-3z2)大理巖和第三段(T2-3z3)變質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)板巖，另外還可見少量后期侵入的煌斑巖脈(X)。1 735 m高程以上壩基及抗力巖體質(zhì)量較差，主要發(fā)育斷層f5，f8，煌斑巖脈(X)及在1 680 m高程以上發(fā)育深部裂隙(IV2類巖體)等軟弱巖帶(結(jié)構(gòu)面)，其工程地質(zhì)性狀差，水平埋深大。

爆破開挖是建設(shè)地下工程的第一道工序，它的成敗與好壞直接影響到圍巖及后續(xù)工序的施工進(jìn)行[4]。中國(guó)水電十四局從施工的角度給出了錦屏一級(jí)左岸抗力體的施工措施，對(duì)于IV類、V類圍巖，主要遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的指導(dǎo)思想[5]，長(zhǎng)江水利委員會(huì)監(jiān)理中心從施工安全及監(jiān)理的角度給出了錦屏一級(jí)左岸抗力體施工監(jiān)理的主要方法和控制措施[6]。類似工程中，有小灣水電站抗力體的開挖，中國(guó)水電十四局與長(zhǎng)江科學(xué)院合作，進(jìn)行小灣水電站抗力體爆破試驗(yàn)，給出了適用于小灣水電站抗力體的振動(dòng)衰減規(guī)律[7-8]。成都理工大學(xué)采用水電圍巖分類的方法對(duì)抗力體洞室進(jìn)行圍巖分類，并給出了采用多點(diǎn)位移計(jì)及錨桿應(yīng)力計(jì)等靜態(tài)觀測(cè)資料的圖表[9]，但是錦屏一級(jí)左岸抗力體的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的文獻(xiàn)并未見到。長(zhǎng)江科學(xué)院在錦屏一級(jí)水電站通過近1 a內(nèi)40余次的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，積累了大量的實(shí)測(cè)振動(dòng)資料。在此基礎(chǔ)上，本文給出了左岸抗力體各種洞室沿其振動(dòng)最大方向的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律，并提出了監(jiān)測(cè)中的振動(dòng)控制重點(diǎn)部位，以及降低振動(dòng)效應(yīng)的相關(guān)措施，對(duì)確保施工期安全及類似工程具有參考意義。

2 爆破情況綜述

抗力體爆破監(jiān)測(cè)的部位有排水洞、灌漿洞、抗剪洞、置換洞。可以分為平洞開挖、斜井開挖。

水工平洞開挖，一般采用全斷面開挖法和臺(tái)階開挖法。斷面尺寸較小，高度不超過6 m的平洞，宜采用全斷面開挖法。在左岸基礎(chǔ)處理工程中，斷面尺寸較小的大壩壩基排水洞，帷幕灌漿洞，固結(jié)灌漿洞，大壩壩基排水洞和帷幕灌漿洞的連通段，抗力體排水平洞，一般均采用全斷面開挖。在大壩壩基排水洞的開挖過程中，為加快進(jìn)度，也曾采用過開挖下部2個(gè)進(jìn)尺后，一次爆掉頂部的光爆層。

平洞開挖中，對(duì)于斷面尺寸較大的抗剪洞、f5斷層平洞、煌斑巖脈平洞，采用臺(tái)階開挖法。頂拱部分采用與全斷面開挖法類似的孔網(wǎng)參數(shù)，而下部一般采用水平抬動(dòng)的方式進(jìn)行開挖。

對(duì)于斜井開挖，水工豎井、斜井常規(guī)開挖有自上而下全斷面法和導(dǎo)井法，施工安全是方案選擇的重點(diǎn)和難點(diǎn)，目前的施工開挖中常用的機(jī)械設(shè)備是手風(fēng)鉆，本工程斜井開挖采用的是導(dǎo)井法，使用反井鉆開挖主要優(yōu)點(diǎn)是井壁光滑均勻，圍巖穩(wěn)定性基本不受影響，節(jié)省人力，施工安全，鉆孔速度快。其原理是鉆機(jī)自上而下鉆先導(dǎo)孔，導(dǎo)孔貫通后自下而上利用轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的擠壓滾削力將巖石破碎成孔，并能擴(kuò)孔成型，直徑1.4 m，然后采用鉆爆法自上而下擴(kuò)孔至全斷面，從直徑1.4 m的導(dǎo)井溜渣到井底出渣。施工流程為: 施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→鉆孔→爆破→安全處理→扒渣→下一循環(huán)。

3 爆破振動(dòng)測(cè)試及成果分析

各次爆破實(shí)測(cè)峰值振速每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試3個(gè)方向。每次一般在掌子面后沖向沿著洞軸線在洞的側(cè)壁布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。 “洞軸向”即洞軸線方向，“豎直向”即垂直于底板方向，“垂直洞壁向”即垂直于洞壁方向。

3.1 平洞開挖中斷面尺寸對(duì)振動(dòng)的影響

對(duì)于平洞開挖，在距離爆區(qū)相同的情況下的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度 ，斷面尺寸較小的大壩壩基排水洞(寬×高=2.7 m×3.0 m)，一般比斷面尺寸較大的帷幕灌漿洞(寬×高=5.1 m×5.6 m)和f5斷層平洞(寬×高=9 m×10 m)的要大。這與斷面尺寸較小的平洞的巖石夾制作用較大、單耗較大有很大的關(guān)系。

如表1所示，將主要平洞掏槽孔振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比。

從表1可見，各個(gè)平洞的測(cè)點(diǎn)距離掌子面距離相等，振動(dòng)速度相當(dāng)，但是排水洞的最大單響明顯要小于另外2個(gè)平洞。 因此斷面尺寸、掏槽孔最大單響均會(huì)影響振動(dòng)速度的大小。

表1 主要平洞掏槽孔振動(dòng)對(duì)比

對(duì)于大壩壩基排水洞，在距離爆區(qū)距離相同的情況下的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度，最后2次測(cè)試的最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度明顯小于前面若干次的測(cè)試。以上各次測(cè)試的最大單響藥量基本一致，主要的區(qū)別在于，后2次的掏槽孔的排距為1.5 m，前期的掏槽孔的排距為1.1 m左右。后2次掏槽孔與洞軸向的夾角要大于前期的夾角，另一原因是減少了每排炮的進(jìn)尺?？梢娫谒幜肯喈?dāng)?shù)那闆r下，合理布置爆破孔網(wǎng)參數(shù)，可以顯著減小爆破振動(dòng)效應(yīng)。

3.2 平洞開挖2個(gè)掌子面同時(shí)起爆對(duì)振動(dòng)的影響

實(shí)際施工過程中，施工單位為了趕進(jìn)度，會(huì)將同一個(gè)洞室的2個(gè)掌子面同時(shí)起爆，當(dāng)2個(gè)掌子面過近時(shí)，易導(dǎo)致振動(dòng)過大。對(duì)于此類問題，在大壩壩基排水洞進(jìn)行了3次相關(guān)的測(cè)試。2個(gè)掌子面的間距分別是3，14，44 m，測(cè)點(diǎn)布置在相鄰的帷幕灌漿洞洞壁。在距離爆區(qū)距離相同的情況下的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度，前面2次均超過了10 cm/s的控制標(biāo)準(zhǔn)，而后一次在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),如表2 所示。

表2 同一平洞兩掌子面同時(shí)起爆振動(dòng)對(duì)比

第2次監(jiān)測(cè)中，爆后可見測(cè)點(diǎn)所在的帷幕洞的頂拱存在少量掉塊，未發(fā)現(xiàn)冒頂、宏觀破壞現(xiàn)象，這個(gè)主要是由于巖性較差，在爆破振動(dòng)影響下，發(fā)生脫落。這個(gè)只是局部問題，因?yàn)榘肟茁?、平整度等指?biāo)均滿足要求。從表2中可以看出，當(dāng)兩掌子面相距過近時(shí)，不宜同時(shí)起爆，建議當(dāng)兩掌子面間距小于30 m時(shí)，應(yīng)避免同時(shí)起爆。若一定要同時(shí)起爆，為確保安全，減小振動(dòng)速度，建議其中一個(gè)掌子面掏槽孔開始爆破后，間隔110 ms(也就是連接一個(gè)Ms5段非電雷管)再起爆另一個(gè)掌子面[10]。

3.3 f 5斷層平洞及煌斑巖脈平洞的監(jiān)測(cè)情況

對(duì)于f5斷層平洞，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。高程1 730層進(jìn)行了3次測(cè)試，最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度發(fā)生在第1次的垂直洞壁向，距離掌子面15 m，其值為4.7 cm/s； 高程1 670層f5斷層平洞進(jìn)行了2次測(cè)試，最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度發(fā)生在前一次的垂直洞壁向，距離掌子面15 m，其值為8.1 cm/s，2排雷管段位為Ms1的掏槽孔的排距約為4 m，孔深約為3.5 m，拋擲效果比較好。而后一次監(jiān)測(cè)，爆破的掏槽孔部位與已開挖的帷幕灌漿洞重合，無掏槽孔，因而最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度更小，垂直洞壁向3.5 cm/s，均在控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

表3 f5斷層平洞振動(dòng)對(duì)比

后一次監(jiān)測(cè)的光爆面平整度欠佳，光爆孔間距基本一致，施工中發(fā)現(xiàn)本次周邊孔采用孔底集中裝藥方式，未采用光面爆破不耦合方式裝藥，對(duì)于洞室穩(wěn)定及控制超挖不利，半孔率較低。一般為保證良好的平整度和較高的半孔率，對(duì)于頂拱孔應(yīng)采用導(dǎo)爆索進(jìn)孔，每3至4孔的導(dǎo)爆索并聯(lián)，然后連接雷管，優(yōu)先采用這種方式，或者采用雙雷管，一根雷管插入藥卷捅到孔底，另一根插入藥卷捅到距孔底1 m左右的位置，避免孔底藥量過于集中，而中部無藥卷的情況。另一方面，對(duì)于光爆孔進(jìn)行了堵塞，而其他孔一般未進(jìn)行堵塞。實(shí)際上，良好的堵塞能阻止爆轟氣體產(chǎn)物過早地從孔口沖出，提高爆炸能量的利用率。在施工現(xiàn)場(chǎng)，可以就地取材，將藥卷的包裝箱紙適當(dāng)弄濕，用炮棍輕輕塞入20 cm左右為宜。

對(duì)于煌斑巖脈平洞，開挖下層中槽部位采用水平抬動(dòng)孔，最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為5.9 cm/s，一般來講，下層開挖采用水平抬動(dòng)孔的振動(dòng)要小于豎直梯段爆破孔。對(duì)于f5斷層平洞，煌斑巖脈平洞、均采用臺(tái)階法從上至下進(jìn)行開挖。

3.4 斜井開挖特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)結(jié)果

高程1 785層的斜井?dāng)嗝娉叽缬?2 m×5 m(長(zhǎng)×寬)和12 m×7 m(長(zhǎng)×寬)，由于斜井出渣不能采用大型機(jī)械，只能人工扒渣，所以和其他部位相比，有其特殊性，需要嚴(yán)格控制鉆孔間距，確保爆破石渣粒徑能通過導(dǎo)井，爆渣尺寸大小方便人工清理，防止導(dǎo)井溜渣堵塞。在打鉆、爆破、出渣各個(gè)環(huán)節(jié)中，必須要通知好下一層的施工人員，防止出現(xiàn)意外事件。由于斷面尺寸較大，先中部開挖(尺寸一般為5.4 m×5.0 m)，如圖1(a)；然后再兩側(cè)開挖，如圖1(b)(單側(cè)尺寸一般為3.3 m×5.0 m)。中部開挖，由于有導(dǎo)洞，不需要掏槽，因此有2個(gè)臨空面，類似臺(tái)階爆破。兩側(cè)開挖滯后中部開挖一個(gè)臺(tái)階，兩側(cè)開挖可以一次完成，也可以單側(cè)開挖，根據(jù)實(shí)際的鉆工人數(shù)，手風(fēng)鉆數(shù)量等因素靈活確定。對(duì)于巖性較差，容易卡鉆的煌斑巖脈，兩側(cè)開挖采用水平抬動(dòng)孔開挖較沿井軸線方向的斜孔有利，因?yàn)樗教?dòng)孔卡鉆后容易拔出，而斜孔則卡鉆后不容易拔出，影響施工速度。

(a) 中部起爆

(b) 單側(cè)起爆

煌斑巖脈斜井測(cè)試中，測(cè)點(diǎn)一般布置在與斜井相鄰的固結(jié)灌漿洞，或者是在斜井洞口附近。每次最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均在5.4 cm/s以內(nèi)，隨著斜井開挖面高程的下降，洞口測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度有衰減的趨勢(shì)。招標(biāo)文件中對(duì)于質(zhì)點(diǎn)安全振動(dòng)速度有規(guī)定，如表4所示。

表4 混凝土齡期及允許振動(dòng)速度表

由于斜井開挖時(shí)，鄰近部位也在扎鋼筋網(wǎng)格，進(jìn)行混凝土澆筑，因此，存在著爆破對(duì)新澆筑混凝土影響的問題。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，合理安排好澆筑混凝土和斜井開挖的時(shí)間，就能將爆破的影響控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

事實(shí)上，沿煌斑巖脈平洞軸線排列的EL.1785層X1#斜井、X2#斜井、X3#斜井的開挖和支護(hù)就是在交替進(jìn)展，當(dāng)X1#斜井開挖到一定高程，進(jìn)行井壁噴混支護(hù)時(shí)，就開始開挖X3#斜井，到X1#斜井、X3#斜井開挖到相應(yīng)高程，支護(hù)也完畢后，就開始X2#斜井的開挖，后續(xù)施工采用如此方式交叉循環(huán)下去，將爆破振動(dòng)的影響降低到最低限度。

對(duì)于斜井的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 斜井的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度

對(duì)于第1次的混凝土，其齡期已達(dá)8 d，對(duì)照表4，可見對(duì)該部位的新澆混凝土不會(huì)產(chǎn)生破壞性影響，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值符合安全控制標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于后2次的振速值，也符合要求。但是從由近及遠(yuǎn)的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)看到，振速衰減較慢。因此，對(duì)于齡期小于7d的部位，不容忽視爆破的影響。因此要合理安排施工進(jìn)度，讓相鄰洞相應(yīng)部位的施工時(shí)間盡量錯(cuò)開。

3.5 最大振速時(shí)刻分析

關(guān)于最大振速發(fā)生時(shí)刻，將壩基排水洞和其他洞室分別進(jìn)行分析。

對(duì)于壩基排水洞，將3個(gè)方向的最大振速發(fā)生的時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)，最大振速發(fā)生在掏槽孔(雷管段位為Ms1)爆破時(shí)段的占86.9 %，發(fā)生在周邊孔爆破時(shí)段的占2.2 %，發(fā)生在其他孔爆破時(shí)段的占10.9 %。從這3個(gè)百分率可以知道，控制好掏槽孔的爆破是關(guān)鍵。事實(shí)上，掏槽孔爆破時(shí)，由于臨空面少，約束較大，因而容易出現(xiàn)最大質(zhì)點(diǎn)振速。對(duì)于和壩基排水洞類似較小斷面尺寸的平洞，一定要把握好掏槽孔的控制。另一種方式是改變爆破參數(shù)，增加約6個(gè)孔深在1.5 m左右的掏槽孔，采用Ms1段雷管，原來的掏槽孔的雷管變?yōu)镸s3段，單孔藥量適當(dāng)減少,也就是改原來的掏槽孔為一槽孔，二槽孔方式。其他孔發(fā)生最大振速一般是緊鄰掏槽孔的輔助孔(雷管段位為Ms3)，掏槽孔藥量較大，夾制作用最大，故振速較大。而當(dāng)掏槽孔拋擲不太充分的情況下，緊鄰的輔助孔的臨空面情況較差，會(huì)導(dǎo)致緊鄰的輔助孔爆破時(shí)振速偏大。

對(duì)于其他洞室，發(fā)生最大振速的時(shí)刻隨機(jī)性較大，與壩基排水洞的情形不盡相同。如對(duì)于帷幕灌漿洞，最大振速發(fā)生在掏槽孔爆破時(shí)段的占52.2 %，發(fā)生在周邊孔爆破時(shí)段的占0.0 %，發(fā)生在其他孔爆破時(shí)段的占47.8 %。對(duì)于f5斷層置換洞，最大振速發(fā)生在掏槽孔爆破時(shí)段的占31.8 %，發(fā)生在周邊孔爆破時(shí)段的占50.0 %，發(fā)生在其他孔爆破時(shí)段的占18.2 %。可以看出，隨著洞室斷面尺寸的增大，最大振速發(fā)生在掏槽孔時(shí)段的比例相應(yīng)下降，這與斷面尺寸大的洞室，其掏槽孔與洞軸線的夾角較大，減少了夾制效應(yīng)，也有一定的關(guān)系。對(duì)于煌斑巖脈斜井中部，最大振速多發(fā)生在緊鄰導(dǎo)洞的第1圈孔或第2圈孔；對(duì)于煌斑巖脈斜井兩側(cè)，最大振速發(fā)生在周邊孔的居多，與周邊孔孔數(shù)多，單段藥量較大有關(guān)系。

4 爆破振動(dòng)傳播規(guī)律分析

通過對(duì)所測(cè)振動(dòng)波形進(jìn)行綜合分析可以看出，圍巖壁面某處的爆破振速峰值大小，雖受到圍巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征、爆破條件及邊界條件等諸多因素的影響 ，但振動(dòng)傳播總的規(guī)律主要還是取決于該點(diǎn)至爆源的距離及爆破最大單段藥量的大小。一般說來，測(cè)點(diǎn)與爆源中心的高差相對(duì)于其水平距離差較小，因此，可以采用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行一元回歸計(jì)算：

V=K(Q1/3/R)α。

式中：V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度(cm/s)；Q為單段藥量(kg)；R為測(cè)點(diǎn)至爆源距離(m)；Q1/3/R為比例藥量，記為ρ；K和α為與場(chǎng)地條件、爆破條件有關(guān)的因子。

各個(gè)測(cè)試部位的最大振動(dòng)方向的K和α值見表6。從表中可以看出不同測(cè)試部位的K和α值變化比較大，這與爆破參數(shù)、斷面尺寸、圍巖類別等有關(guān)，也說明了爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)的重要性。

表6 測(cè)試部位的K和α值

5 結(jié) 語

(1) 對(duì)于拱壩的抗力體開挖，由于巖性一般較差，因此不僅要嚴(yán)格控制爆破開挖規(guī)模，而且對(duì)爆破近區(qū)圍巖還要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果，并據(jù)此采取有效的加固及防護(hù)措施，確保施工安全與巖體穩(wěn)定。

(2) 根據(jù)實(shí)測(cè)振速成果，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法得到爆破振動(dòng)對(duì)于多種類型洞室的經(jīng)驗(yàn)公式，可用于相應(yīng)部位的振動(dòng)控制和預(yù)報(bào)，也可供類似水電爆破工程參考。

(3) 采用目前的爆破參數(shù)及起爆網(wǎng)絡(luò)，并且施工進(jìn)度能保證爆破部位和相鄰洞混凝土澆筑時(shí)間上合理錯(cuò)開的情況下，則爆破對(duì)相鄰洞新澆混凝土的損傷可在控制范圍以內(nèi)。

(4) 最大雷管段位盡量控制在Ms11段以內(nèi)，較小段位采用奇數(shù)段位，而較大段位可以采用連續(xù)段位。這樣可以保證周邊孔的齊爆性，從而提高輪廓面的平整度以及半孔率等指標(biāo)。

(5) 壩基排水洞的振動(dòng)控制是重點(diǎn)，最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度大部分發(fā)生在掏槽孔爆破時(shí)段。因此要特別控制好掏槽孔的施工各個(gè)工序，盡量降低最大質(zhì)點(diǎn)振速，同時(shí)避免相距較近的兩掌子面同時(shí)起爆。

(6) 測(cè)試中，還存在一些不足之處，如爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未與靜態(tài)觀測(cè)資料進(jìn)行聯(lián)合分析，今后若做到動(dòng)靜結(jié)合，將會(huì)更有實(shí)際意義。

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