曾永慶+王長柏+趙海龍

摘要：針對臺山核電廠一期工程取水明渠工程段陸上爆破挖巖對取水閘門的影響，根據(jù)實際開挖中的爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了取水閘門爆破振動特性，指出就所測數(shù)據(jù)而言，在垂直方向爆破振動速度峰值一般具有大于水平徑向、水平切向的特點。回歸分析了取水閘門地面質(zhì)點振動速度在水平徑向、水平切向和垂直方向的傳播衰減規(guī)律，提出了為保證建筑物安全而控制不同爆心距下的單段最大段藥量，對取水閘門上的實測爆破振動信號進行頻譜分析，可知爆破地震波的主振頻率主要集中在10～50 Hz，高于取水閘門自振頻率5.26 Hz，一般不會產(chǎn)生較大的共振效應(yīng)。研究對于以后爆破設(shè)計、施工有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：爆破工程；取水明渠；爆破控制；衰減規(guī)律；振動監(jiān)測

中圖分類號：TD2351 文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2016）01-0000-00

Abstract：The blasting for rock excavation on land to open channel project has a great influence on lock gate in Taishan Nuclear Power Station， therefore， based on blasting vibration monitoring data， the Characteristic of Blasting Vibration has been studied， as for those monitoring data， the results of blast vibration velocity to vertical direction are generally larger than horizontal radial and horizontal tangential direction. At the same time， the attenuation laws of different directional vibration velocity induced by rock blasting are obtained through regression analysis of practical test data. To ensure the safety of buildings， it is of great significance to control maximum charging weight in advance for different distance from monitoring point to center of blasting. Through vibration frequency spectrum analysis of blasting seismic wave， their main vibration frequency is obtained， which mostly vary from 10 Hz to 50 Hz and are much higher than natural frequency of lock gate； so resonance effect will not happen generally， The results from the analysis can be for reference to blasting design and blasting construction.

Key words：blasting engineering； open channel； blasting control； attenuation law； vibration monitoring

前隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，能源保障問題顯得日益重要，核能和水能作為一種清潔、高效能源具有巨大的開發(fā)利用價值。核電站及水壩建設(shè)過程中，就當前技術(shù)條件而言，爆破方法作為一種可采用而又相對經(jīng)濟的方法，在各種巖體開挖方法中仍占有重要作用，這必然牽涉到爆破振動監(jiān)測與災(zāi)害主動控制問題。

近年來，國內(nèi)外學者針對工程建設(shè)過程中爆破地震波的傳播規(guī)律及爆破地震危害控制的問題，進行了現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗以及數(shù)值計算等多種方面的研究。文獻[1]通過現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測，分析了爆破開挖時邊坡的振動速度衰減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)爆區(qū)上方馬道內(nèi)側(cè)質(zhì)點振動速度隨高程增加存在放大效應(yīng)，通過結(jié)合三維離散元數(shù)值軟件（3DEC）進行數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行比較，確定了邊坡整體穩(wěn)定性。文獻[2]通過測試爆區(qū)后方測爆連線與層理走向不同夾角方向的一系列測點的振動速度值，求出了與層理走向不同夾角方向的爆破振動衰減規(guī)律。文獻[3-5]對核電廠場地的爆破振動衰減規(guī)律及巖石損傷區(qū)域進行了試驗測試和數(shù)值模擬，針對不同巖質(zhì)、地質(zhì)情況，提出了不同的爆破控制標準，然后按照這一標準對同一場地的開挖爆破進行控制。文獻[6]針對臺山核電海底泥水盾構(gòu)隧洞存在大量基巖及風化孤石地層，提出了采用深孔爆破技術(shù)預處理高強度巖土，結(jié)合盾構(gòu)施工法成功實現(xiàn)了國內(nèi)最長的海底泥水盾構(gòu)隧道。但針對取水明渠爆破振動監(jiān)測的研究涉及較少，本文以臺山核電站取水明渠陸上爆破挖巖對取水隧洞1～2號豎井新澆混凝土壩體閘門影響的實際監(jiān)測為例，通過對爆破振動速度、爆破振動頻率和爆破振動安全判據(jù)綜合分析，回歸分析振動速度和爆破藥量及地震波傳播距離的關(guān)系，并運用FFT快速傅氏變換法對爆破振動信號的頻譜特性進行分析。

1工程概況及地層巖性

11工程概況

廣東臺山核電站位于江門市管轄的臺山市赤溪鎮(zhèn)腰古村，距臺山約445 km。地理位置為東經(jīng)112°59′，北緯21°54′。廠址東面為黃茅海，其余三面環(huán)山，東南約5 km處為大襟島。工程建設(shè)規(guī)模初步確定為6×1750 MW（EPR），分三期建設(shè)，一期規(guī)劃兩臺EPR堆型核電機組。

根據(jù)設(shè)計要求，臺山核電站一期工程取水明渠工程0+000～0+200 m 里程段渠內(nèi)挖泥分項需進行陸上爆破挖巖及水下炸礁施工（見圖1）。爆炸挖巖共約257 36135 m3，其中陸上爆破挖巖約53 95425 m3，水下炸礁約203 4071 m3。由于爆破開挖過程中產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波可能造成取水隧洞1～2號豎井新澆混凝土壩體閘門不同程度的損傷，影響工程安全，因此必須對巖體爆破開挖進行必要的控制。監(jiān)測的主要目的是，驗證爆破方案的可行性及爆破設(shè)計參數(shù)的合理性，和爆破對周圍建筑物振動影響范圍和程度，并利用監(jiān)測結(jié)果正確指導施工。

12地層巖性

取水明渠爆破挖巖的處理對象主要是基巖，包括全風化、強風化砂巖，全風化、強風化泥巖及中等風化粉砂巖等。巖層節(jié)理裂隙較發(fā)育、巖芯較破碎，主要礦物成份為石英、長石。巖面覆蓋物有碎石、鵝卵石及淤泥等。基巖以砂巖和泥巖為主。

2爆破振動監(jiān)測及分析

21監(jiān)測量的選擇

由于介質(zhì)質(zhì)點振動時可以作為一種簡諧運動，則質(zhì)點的諧振速度可表示如下[7]：

v=2πAf （1）

當結(jié)構(gòu)物受到擾動開始振動時， 彈性力學理論有：

σ=Eε （2）

又根據(jù)波動理論有：

ε=vc （3）

可知：σm=Evmc （4）

式（1～4，）：σm為建筑物在爆破振動作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力；vm為質(zhì)點峰值振速；E為建筑物的彈性模量；c為爆破振動波在建筑物中的傳播速度；f為質(zhì)點振動頻率。

由此可知，建筑物體上產(chǎn)生的最大應(yīng)力σm與爆破振動質(zhì)點峰值速度vm成正比。

爆破振動測試的內(nèi)容包括：質(zhì)點振動速度測試、振動位移測試、振動加速度測試、振動反應(yīng)譜測試。在評估結(jié)構(gòu)物承受振動破壞等級的標準中，許多爆破專家認為采用爆破峰值振動速度描述具有較好的代表性和便易性，工程上應(yīng)用最普遍的也仍然是振動速度監(jiān)測。由于爆破振動危害不僅與振動強度有關(guān)，還與振動持續(xù)時間、振動頻率有關(guān)，隨著對爆破振動危害機理的深入研究，人們?nèi)税l(fā)現(xiàn)采用振動速度單一強度標準作為爆破振動安全判據(jù)在理論和工程實際中都存在一定程度上的不足。依據(jù)文獻[8]56，為了更好地運用監(jiān)測結(jié)果指導工程實際的實施，在本次工程監(jiān)測中選用爆破振動速度和振動頻率作為監(jiān)測的物理量，每次均測試質(zhì)點豎向、切向、徑向3個分量振速并進行頻譜特征分析，以峰值振動速度和主振頻率作為監(jiān)測判據(jù)。22監(jiān)側(cè)儀器和測點布置

由于TC-4850爆破測振儀系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高、自動化程度高、應(yīng)用范圍廣等眾多優(yōu)點，可較好地適應(yīng)臺山取水閘門附近陸上爆破挖巖現(xiàn)場的工程量大、地質(zhì)復雜、監(jiān)測時周期長等現(xiàn)實特性，故采用TC-4850爆破測振儀系統(tǒng)，配合三矢量傳感器、vib-sys動與動數(shù)值振動信號采集與分析系統(tǒng)，實現(xiàn)振動信號采集、分析等多種功能的目的（見圖2）。

圖2爆炸振動監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測測點布置在爆區(qū)上方壩體閘門近側(cè)（見圖3）。在每個測點布置可監(jiān)測水平徑向、水平切向和垂直方向的三矢量傳感器監(jiān)測

23爆破振動衰減規(guī)律的回歸分析

爆破監(jiān)測代表性振動速度波形及相應(yīng)頻譜分析如圖4～圖5所示，爆破振動安全允許標準如表1所示，表2為爆破振動部分監(jiān)測數(shù)據(jù)。t/s

圖4代表性監(jiān)測速度曲線

t/s

對于取水隧洞1～2號豎井新澆混凝土壩體閘門（齡期超過28d），基于表1中新澆大體積混凝土控制標準并結(jié)合國內(nèi)外已有的研究成果和實際應(yīng)用情況，并通過對實際監(jiān)控各部位爆破振動特性的分析，取壩體閘門混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)點振速控制標準[9]為[v]=50 cm/s。

由于建筑物的爆破振動速度是爆破本身、場地條件、場地特性等的綜合反映，不僅與振動強度、頻率、持續(xù)時間有關(guān)，也與傳播介質(zhì)、場地特性、建筑物的動態(tài)響應(yīng)特性、爆破累計損傷程度有關(guān)，影響爆破振動速度的因素極為復雜，要完全考慮這些變量來確定函數(shù)形式非常困難。爆破振動監(jiān)測資料表明，影響爆破振動強度的主要因素為最大段藥量Q、爆心距R。

在工程應(yīng)用中，前蘇聯(lián)的M.A薩道夫斯基經(jīng)驗公式[8]58為

v=K（Q1/3R）α=Kρα（5）

式中：v為保護對象所在點的振動最大速度；Q為裝藥量，瞬時爆破時為總裝藥量，延期爆破時為最大一段裝藥量；R為爆心距；ρ=3QR為比例藥量；K、α為與爆破點至計算保護對象間的地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

現(xiàn)選取共1組爆區(qū)內(nèi)取水明渠閘門的臺階爆破和控制爆破數(shù)據(jù)，運用origin 80工程繪圖軟件對實測數(shù)據(jù)采用公式冪函數(shù)形式按式（5） 進行數(shù)據(jù)擬合分析，得到參數(shù)K、α。

水平徑向、水平切向、垂直方向爆破振動速度vx、vy、vz回歸分析結(jié)果如圖6～8所示。

此次爆破的地面質(zhì)點的水平徑向、水平切向、垂直方向的爆破振動速度傳播衰減規(guī)律回歸分析結(jié)果分別如下：

vx=773（Q1/3R）131 （6）

vy=632（Q1/3R）140 （7）

vz=2418（Q1/3R）156 （8）

由式（6）～式（8）可知K值范圍為632～2418，α值范圍為131～156，屬于中、堅硬巖石范圍，這與先前勘測地層巖性相一致。

在薩道夫斯基經(jīng)驗公式中，α表示質(zhì)點振動速度的衰減速度，α值越大，表示質(zhì)點振動速度隨爆心距的增大而衰減的越快。

通過對三向回歸公式的K、α值的對比分析，垂直方向的K、α值最大，分別為 2418、156；而水平徑向K、α值為773、131；水平切向K、α值為632、140，由于水平徑向的K大于水平切向的K，水平徑向的α小于水平切向的α，導致無論爆破近區(qū)還是遠區(qū)，水平徑向振動速度一般大于水平切向爆破振動速度。

對比分析后發(fā)現(xiàn)水平徑向和切向的α均有一定程度的小于垂直方向的α，這說明雖然垂直方向在近區(qū)數(shù)值較大，但其爆破振動速度的衰減較快；水平徑向的衰減速度最慢，水平切向爆破振動速度的衰減居中，說明雖然質(zhì)點近區(qū)垂直方向的爆破振動速度最大，但隨著距離的增加，其垂直爆破振動速度的值將小于水平徑向爆破振動的數(shù)值，因此在評價爆破振動產(chǎn)生的破壞時，不應(yīng)單一選取爆破振動速度的垂直分量作為評判標準。

式（6）～式（8）的相關(guān)系數(shù)R2分別為076、092、084，表明用于回歸分析的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的爆破振動速度具有一定的相關(guān)性，以將據(jù)此建立的預測公式用于爆破振動速度的預測，但其仍具有較大的離散型，實際過程中應(yīng)以預測值為參考，適當增加安全系數(shù)，以確保周圍環(huán)境的絕對安全。

24爆破振動頻譜分析

當爆破地震波的頻率等于或接近建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)的自振頻率時，將發(fā)生共振，容易導致建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)的破壞；因此爆破振動頻率偏離爆區(qū)周圍建（構(gòu)）筑物的自振頻率越遠，周圍建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)的振動動力響應(yīng)就越小；而爆破振動的持續(xù)時間與建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)是否安全也有較大的關(guān)系，但由于爆破地震波的持續(xù)時間一般都很短，因此其影響一般較小。不同類型結(jié)構(gòu)的自振周期不同，其動力響應(yīng)特性不同[10]。

巖石爆破開挖產(chǎn)生的地震波是由不同頻率，不同能量的波形疊加形成的，通過vib-sys數(shù)值振動信號采集分析系統(tǒng)中的頻譜分析模塊，對監(jiān)測信號波形進行頻譜特性分析，可得主振頻率主要集中在10～50 Hz之間，而監(jiān)測壩體閘門的自振頻率約為526 Hz[11]，可見此次巖土爆破開挖引起的主振頻率遠大于壩體閘門的自振頻率，有利于降低共振效應(yīng)，減少質(zhì)點振動速度，保證了取水閘門的安全。

25安全最大段藥量預測

從表2中可以看到，14組監(jiān)測數(shù)據(jù)中，對于質(zhì)點振動速度而言，垂直方向的一般大于水平徑向和水平切向，而水平徑向和切向數(shù)據(jù)較為接近，未出現(xiàn)明顯規(guī)律。由此看來，垂直方向的振動速度是引起破壞的主要因素，在工程實踐中需要重點進行考慮和控制。

質(zhì)點振動速度存在超過質(zhì)點振速控制標準 [v]=50 cm/s的情況， 故應(yīng)根據(jù)回歸式（6）～式（8），取質(zhì)點振速控制標準值v=50 cm/s對不同爆心距處單段最大段藥量進行預測控制（見表3）。

從表3中可以看出，所需控制的最大段藥量一般由垂直方向的最大段藥量控制。設(shè)爆破中心點與閘門監(jiān)測測點的距離為100 m， 則控制最大段藥量Q可取4433 kg，即當單段最大藥量不大于4433 kg時，方能同時滿足閘室混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)點振速控制標準的安全允許振速要求。為了確保安全，應(yīng)嚴格控制最大段藥量和一次起爆總藥量，根據(jù)以上計算結(jié)果，隨后的爆破過程中，嚴格滿足表 3中安全數(shù)值，起到了較好的控制效果。

3結(jié)論

對臺山核電站取水明渠陸上挖巖爆破振動的41組監(jiān)測數(shù)據(jù)進行M.A薩道夫斯基經(jīng)驗公式回歸分析，分別計算出其水平徑向、水平切向和垂直方向的場地系數(shù)K和衰減指數(shù)α，得到了三維方向爆破振動速度傳播衰減規(guī)律。

對于所測同一次爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)，就質(zhì)點振動速度而言，垂直方向的一般大于水平徑向和水平切向，但由于垂直方向衰減系數(shù)α值最大，故垂直方向爆破振動速度的衰減較快，隨著距離的增加，其垂直爆破振動速度的值將小于水平徑向和水平切向爆破振動的數(shù)值，因此在評價爆破振動產(chǎn)生的破壞時，不應(yīng)單一選取爆破振動速度的垂直分量作為評判標準，而應(yīng)選擇所處測點位置振動速度分量中的最大值。

運用vib-sys數(shù)值振動信號采集與分析系統(tǒng)，基于FFT快速傅立葉變換原理，對爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行頻譜特性分析，得到了爆破地震波的主振頻率值集中在10～50 Hz，并與閘門結(jié)構(gòu)自振頻率526 Hz進行對比分析可知，在一定程度上減少了共振效應(yīng)，降低了質(zhì)點振動速度。

針對閘室混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)點振速控制標準取[v]=50 cm/s的要求，通過回歸分析給出了對于不同爆心距的安全最大段藥量，保證了爆破時結(jié)構(gòu)物的安全。

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