胡云鶴，劉亞蓮，王程鵬

（豐滿大壩重建工程建設(shè)局，吉林省吉林市132000）

泄洪兼導(dǎo)流洞開挖控制爆破振動監(jiān)測分析

胡云鶴，劉亞蓮，王程鵬

（豐滿大壩重建工程建設(shè)局，吉林省吉林市132000）

通過對豐滿重建工程泄洪兼導(dǎo)流洞開挖過程中布置和埋設(shè)振動測點，對施工爆破監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行回歸分析，建立了開挖爆破振動傳播的數(shù)學(xué)模型，確定了爆破地震波衰減和傳播的規(guī)律，提出了滿足設(shè)計開挖振動強度下的藥量控制措施和建議，從而確保了開挖過程中爆破作業(yè)以及地面建筑物的安全。

洞室開挖；衰減規(guī)律；爆破振動；監(jiān)測分析；豐滿重新工程

水電工程建設(shè)過程中大多涉及到洞室開挖，施工過程中，為確保施工安全和施工質(zhì)量以及地面建（構(gòu)）筑物的安全，盡量減小對周圍環(huán)境的影響程度，必須對洞室開挖爆破所引起的爆破振動進(jìn)行信息化施工監(jiān)測，以此指導(dǎo)后續(xù)洞室開挖爆破參數(shù)的調(diào)整和施工。下面以豐滿重建工程泄洪兼導(dǎo)流洞開挖施工為對象，對開挖過程中施工爆破地震波的振動監(jiān)測及爆破藥量控制進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 概況

豐滿重建工程左岸泄洪兼導(dǎo)流洞長848.96 m，出口采用挑流消能方式，泄洪兼導(dǎo)流洞工程設(shè)計開挖斷面約為12 m×12 m，內(nèi)徑為10.5 m。進(jìn)口段為城門洞型斷面，閘門井采用豎井式。有壓洞身段長769.96 m，為洞徑10.50 m的圓形斷面。泄洪兼導(dǎo)流洞一般埋深20～140 m。圍巖為堅硬的變質(zhì)礫巖和花崗巖，多呈微風(fēng)化狀態(tài)，隧洞沿線主要穿過 F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)16，F(xiàn)22，F(xiàn)24，F(xiàn)25，F(xiàn)26和 F85-1，F(xiàn)85-2等斷層。

泄洪兼導(dǎo)流洞工程開挖工程量和施工強度較大，與原三期引水隧洞的最近距離為40～50 m，其進(jìn)口閘門與三期引水隧洞的閘門最近距離約70 m。頻繁的爆破振動很容易對原有隧洞和閘門造成損傷破壞，因此須借助爆破振動測試手段和控制爆破技術(shù)，分析研究最佳的爆破工藝及減振措施，做到既能滿足施工強度要求，又能確保已有建筑物的安全。

2 爆破振動監(jiān)測

2.1 監(jiān)測儀器

爆破振動測試使用成都中科測控TC4850爆破振動監(jiān)測儀及其配套速度傳感器，該系統(tǒng)采用自觸發(fā)式、分體式結(jié)構(gòu)，測振儀經(jīng)法定機構(gòu)的校準(zhǔn)并處于校準(zhǔn)有效期內(nèi)。

2.2 爆破振動測試方法

此工程爆破防護(hù)對象主要為三期引水發(fā)電洞及其金屬結(jié)構(gòu)、豐滿三期發(fā)電廠房、原擋水壩、廠房，爆破振動監(jiān)測同時測試切向、徑向、垂直向3個分量的質(zhì)點振動速度。在分析3個分量的同時，也分析3個分量的矢量和，以3個分量的矢量和作為測試點的合速度VTmax，VVmax，VLmax分別為切向、垂直向和徑向最大質(zhì)點振動速度[1]：

將采集儀所采集的數(shù)據(jù)傳入計算機，使用專用軟件進(jìn)行處理與分析。判讀各測試點數(shù)據(jù)，首先判斷各不同類型爆破地震波（掏槽、主爆、光爆）是否可以區(qū)分，如可區(qū)分，則讀取各監(jiān)測點的3個方向質(zhì)點振動速度；如無法區(qū)分，則說明爆破地震波疊加明顯，監(jiān)測點合成振動速度可能存在振動加強或振動減弱。根據(jù)實測質(zhì)點振動速度擬合K和α值，結(jié)合允許爆破質(zhì)點振動速度，確定各不同類型爆破地震波的最大單響藥量。

2.3 測點布置和埋設(shè)

泄洪兼導(dǎo)流洞洞身開挖分2層，上層開挖采用微差毫秒延時爆破開挖方式，爆破開挖巖體高度為7.00～9.96 m；下層開挖時有2個自由面，且爆破藥量遠(yuǎn)小于上層開挖，爆破開挖引起的振動遠(yuǎn)小于上層開挖。因此，泄洪兼導(dǎo)流洞洞身段和三期引水隧洞閘門的爆破振動監(jiān)測在泄洪兼導(dǎo)流洞上層開挖時進(jìn)行。

1）三期引水隧洞閘門監(jiān)測點布置

進(jìn)口段開挖時，在三期引水隧洞閘門附近布置2個振動監(jiān)測點。每個監(jiān)測點安裝1套三分量質(zhì)點振動速度傳感器，分別測試水平徑向X、水平切向Y和鉛直向Z3個方向的質(zhì)點振動速度。

2）泄洪兼導(dǎo)流洞洞身測點布置

在泄洪兼導(dǎo)流洞上層爆破開挖時，沿洞軸線方向在洞壁上布置5個質(zhì)點振動速度測試點，用于測試質(zhì)點振動情況。出口段測點編號分別為S1～S5，進(jìn)口段測點編號分別為S6～S10。試驗點布置采用近密遠(yuǎn)疏原則，每個測點各安裝1套三分量傳感器。

3）傳感器埋設(shè)要求

每個爆破振動測試點布置1套三分量傳感器，水平徑向指向爆心，水平切向垂直于爆心與測點連線，鉛直向垂直地面方向，水平徑向、水平切向和鉛直向分別與空間坐標(biāo)軸X，Y，Z對應(yīng)。

傳感器與測點表面緊密連接，用熟石膏將傳感器粘結(jié)在地表或側(cè)壁，熟石膏固化后粘結(jié)在建筑物或基巖表面，以便形成整體振動，確保測試結(jié)果正確。在傳感器安裝時，清除地表松散物體，測量地表平整度。

2.4 監(jiān)測結(jié)果

1）進(jìn)口段

泄洪兼導(dǎo)流洞進(jìn)口段巖性為變質(zhì)礫巖。泄洪兼導(dǎo)流洞上層洞身開挖采用微差毫秒延時爆破，各爆破孔按照作用方式分為掏槽孔、主爆孔、緩沖孔和光爆孔。進(jìn)口段爆破開挖時，開展泄洪兼導(dǎo)流洞洞身質(zhì)點振動測試，共6炮，每炮5個測點，測試巖體為微風(fēng)化～新鮮。歷次測試爆心距范圍為29～130 m，振動頻率、速度數(shù)值匯總見表1，2。

表1 進(jìn)口段爆破地震波主頻匯總表

2）出口段

泄洪兼導(dǎo)流洞出口段巖性為花崗巖。出口段爆破開挖時，開展泄洪兼導(dǎo)流洞洞身質(zhì)點振動測試，共4炮，每炮5個測點，測試巖體為微風(fēng)化～新鮮。歷次測試爆心距范圍為29.0～89.4 m，振動頻率、速度數(shù)值匯總見表3，4。

表2 進(jìn)口段振動速度統(tǒng)計表

表3 出口段爆破地震波主頻匯總表

表4 出口段振動速度統(tǒng)計表

3）三期閘門

三期引水隧洞閘門附近布置2個振動監(jiān)測點，監(jiān)測點編號分別為JC1和JC2，每個監(jiān)測點安裝1套三分量質(zhì)點振動速度傳感器，在主洞上段、下段、井前有壓段和豎井開挖時均進(jìn)行了監(jiān)測，爆心距為82.9～216 m，振動速度及頻率見表5，6。

表5 JC1和JC2監(jiān)測點振動速度統(tǒng)計表

表6 JC1和JC2監(jiān)測點地震波主頻統(tǒng)計表

3 爆破地震波衰減和傳播規(guī)律分析

3.1 衰減公式

工程界普遍采用薩道夫斯基公式描述爆破地震波的衰減和傳播規(guī)律[2，3]。根據(jù)GB6722-2003《爆破安全規(guī)程》，爆破振動的安全允許距離按下式計算

式中：R——爆破振動安全距離，m；v——保護(hù)對象所在地質(zhì)點振動安全允許速度，cm/s；Q——齊發(fā)爆破取總炸藥量，延時爆破取最大一段藥量，kg；K，a——與爆破點至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件、爆破條件等有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)。

如觀測位置位于高邊坡，爆破點與監(jiān)測點之間存在高差，則需在（2）式加入高程差修正項。由于導(dǎo)流洞與三期閘門高差基本不變，因此本高差分析爆破地震波的衰減和傳播規(guī)律時不考慮高差修正項。K，a需要通過現(xiàn)場試驗確定，（2）式經(jīng)過變換即成為薩道夫斯基公式

式（3）提供了爆破地震波強度的預(yù)報方式，也表征了爆破地震波的衰減規(guī)律。式（2）和（3）中的質(zhì)點振動速度是采用切向、徑向、垂直向3個分量的矢量和，還是采用3個分量之一，目前在工程界尚未統(tǒng)一明確。

微差毫秒延時爆破時，在爆心距較大的情況下，爆破地震波相鄰段爆破產(chǎn)生的地震波通常會疊加，峰值振動速度是多段藥量綜合爆破作用所致。監(jiān)測結(jié)果表明，爆心距為42.7 m的爆破地震波各段別藥量產(chǎn)生的爆破地震波清晰可辨，疊加作用?。浑S著爆心距的增大，各段分別產(chǎn)生的爆破地震波疊加作用愈加明顯，爆破地震波峰值振動速度的時刻也向早期方向移動，在三期閘門監(jiān)測位置，爆破地震波的峰值振動速度已不顯著。

使用（3）式擬合 K，a需要振動速度、爆心距和藥量和參數(shù)。根據(jù)DL/T5333-2005《水電水利工程爆破安全監(jiān)測規(guī)程》，（3）式中Q在延時爆破時為峰值振動速度時刻的單段藥量，與GB6722-2003取最大一段藥量有所差別。在式（3）中，Q取單段最大藥量，預(yù)報值可能偏小；取總藥量預(yù)報的振動效應(yīng)明顯偏大。關(guān)于Q的取值，考慮到此爆破工程多種因素的復(fù)雜性及爆破振動實際數(shù)據(jù)的離散性，在爆心距較大的情況下，認(rèn)為DL/T5333-2005規(guī)定的峰值振動速度時刻的單段藥量、GB6722-2003規(guī)定的取最大一段藥量，均忽視相鄰段藥包爆破的疊加作用，不符合該工程實際，顯然存在欠缺，并有安全風(fēng)險。

該工程采用毫秒延時爆破，使用（3）式擬合K，a時振動速度和藥量按如下選取。

1）藥量Q取值

在振動信號疊加的情況下，對幅值而言，最不利的情況為疊加段的幅值同相疊加，這涉及藥量如何取值的問題。有關(guān)研究表明，毫秒延時爆破地震效應(yīng)正向疊加合成的概率爆破段數(shù)越多，峰值全面疊加的概率越小，全面正向疊加的概率可以用Pn=0.5n-1來估計，其中n為段數(shù)。

對于各段別爆破地震波清晰可辨、疊加作用小的，可不考慮地震波的疊加，藥量Q可以選取各爆破方式的最大一段藥量。

對于該藥量產(chǎn)生的疊加作用明顯的爆破地震波，藥量Q需要采用等效藥量。根據(jù)該工程爆破網(wǎng)絡(luò)選用8個段別藥包爆破，11段爆破地震波全面正向疊加的概率小于1%。ms1，ms3，ms5，ms7段別為掏槽爆破，4個段別藥包爆破地震波全面正向疊加的概率大致為12%，總時差為150 ms。根據(jù)本工程爆破地震波的特點，爆心距在100 m以上，質(zhì)點峰值振動均由掏槽爆破引起，因此選取ms1，ms3，ms5，ms7段別藥量的總和作為等效藥量。根據(jù)該工程實際，爆心距大于100 m時，爆破地震波一般疊加作用明顯，需要考慮等效藥量。

2）振動速度v取值

不考慮疊加作用的爆破地震波，振動速度選取各爆破方式的峰值振動速度?？紤]疊加作用的爆破地震波，振動速度選取爆破地震波峰值振動速度。根據(jù)工程實際，爆心距大于100 m時，爆破地震波一般疊加作用明顯，振動速度也由早段別藥量爆破引起。

3.2 衰減傳播公式及藥量控制

根據(jù)質(zhì)點振動速度、爆心距和藥量，應(yīng)用薩道夫斯基公式擬合分析泄洪兼導(dǎo)流洞進(jìn)口段爆破地震波的衰減和傳播規(guī)律。泄洪兼導(dǎo)流洞爆破防護(hù)對象主要為三期引水發(fā)電洞及其金屬結(jié)構(gòu)，設(shè)計提出允許安全振動速度為2.5 cm/s[4]。從工程安全角度考慮，以合速度作為安全振動速度控制更符合工程實際，因此該工程以合速度作為爆破控制藥量。

三期引水發(fā)電洞閘門與泄洪兼導(dǎo)流洞進(jìn)口段相近，最小水平距離約75 m，兩者高差約35 m，最小直線距離約為85 m。此工程進(jìn)口段的掏槽、主爆、緩沖（崩落）和光爆的地震波公式的應(yīng)用條件為爆心距小于100 m，藥量為各爆破方式的最大單段藥量；爆心距不小于100 m的地震波公式有2個，分別為洞身段和閘門監(jiān)測回歸分析取得，藥量為ms1～ms7藥量的總和。以85 m和100 m為爆心距，應(yīng)用上述地震波公式計算藥量，結(jié)果見表7。

表7 不同爆心距最大控制藥量一覽表

泄洪兼導(dǎo)流洞典型開挖爆破分段裝藥量及爆孔數(shù)見表8。

表8 導(dǎo)流洞典型開挖爆破分段裝藥量及爆孔數(shù)表

以表8為爆破參數(shù)爆破的爆破效果來看，硐室輪廓成形比較規(guī)則，巖面平整，超欠挖量在允許的范圍內(nèi)，每次循環(huán)進(jìn)尺約合理，渣石塊度較小，周邊炮孔的裝藥部位沒有明顯的爆破裂隙，圍巖沒有被破壞，巖面上的半孔率在75%以上，炮孔利用率較高，爆破效果較好。三期引水閘門在整個爆破過程中未出現(xiàn)運行故障，三期引水隧洞閘門結(jié)構(gòu)混凝土未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫及其它損傷。

泄洪兼導(dǎo)流洞典型開挖爆破在確保安全的前提下，同時需要考慮硐室的超欠挖、塊度、進(jìn)尺和圍巖的爆破損傷等。現(xiàn)場施工藥量小于最大安全藥量，爆破效果較好，因此在控制爆破藥量的前提下，優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)是提高開挖效率的有效措施。同時也說明，雖然以洞身段地震波衰減公式計算取得的最大安全藥量偏于保守，但以其計算的控制藥量不至于影響工程效率和降低爆破開挖效果，相對于閘門監(jiān)測地震波回歸公式更有工程意義。對于防護(hù)距離小于100 m時，需要控制各段別的最大藥量，防護(hù)距離大于100 m的情況下，控制爆破藥量重點放在前4段即可。

4 結(jié)語

1）泄洪兼導(dǎo)流洞振動測試結(jié)果表明，同一爆破型式，隨著爆心距的增大質(zhì)點振動速度和主頻呈降低趨勢，水平徑向、水平切向和鉛直向的爆破地震波的主頻相近。

2）進(jìn)口段各爆破型式中，光爆孔爆破產(chǎn)生的質(zhì)點峰值振動速度相對最小，掏槽孔最大；總體上，鉛直向Z質(zhì)點峰值振動速度相對最小。出口段各爆破型式中，光爆孔爆破產(chǎn)生的質(zhì)點峰值振動速度相對最小，掏槽孔最大。

3）三期引水隧洞閘門的40次爆破監(jiān)測結(jié)果表明，主洞上段爆破產(chǎn)生的振動幅度相對最大。歷次爆破中，各分量最大振動速度為0.48 cm/s，3個方向的矢量和振動速度范圍為0.084～0.638 cm/s，均小于安全振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)2.5 cm/s。

［1］孟吉復(fù)，惠鴻斌.爆破測試技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

［2］GB13349-92，大爆破安全規(guī)程［S］.

［3］中華人民共和國水利部.SL-94，水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：水利電力出版社，1994.

［4］中水東北勘測設(shè)計研究有限公司.豐滿重建工程大壩壩基開挖技術(shù)要求［R］.2014.

TV542；TV651

A

1002—0624（2017）10—0066—05

2016-12-13