夏 祥,李海波,張大巖,王新遠(yuǎn),李俊如

（1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430071;

2.中國(guó)電力投資集團(tuán)公司,北京 100032;

3.中廣核工程有限公司,廣東 深圳 518031）

1 引 言

水電、核電等工程在進(jìn)行基巖爆破開挖時(shí),炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波將造成下臥巖體不同程度的損傷,影響下臥巖體力學(xué)性能,危及工程安全。為此,必須嚴(yán)格控制爆破施工,確保爆破荷載作用下下臥巖體損傷在允許的范圍內(nèi)。目前,關(guān)于爆破荷載作用下巖體損傷控制方面的研究主要集中在爆炸振動(dòng)在巖體中的傳播規(guī)律及巖體損傷特征的分析方面。

基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值分析,有了描述描述振動(dòng)速度衰減規(guī)律的薩道夫斯基公式、蘭格弗爾斯公式[1],WU Cheng-qing等[2]、G.W.Ma等[3]和S.G.Chen等[4]進(jìn)一步分析了爆源近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律以及節(jié)理對(duì)爆破振動(dòng)的影響。在爆炸荷載作用下巖體損傷特征的研究方面,夏祥等[5]、李俊如等[6]和朱傳云等[7]根據(jù)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 47-94《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》,通過分析巖體爆后與爆前聲波波速的變化率分析了爆破荷載作用下巖體損傷區(qū)特征。D.E.Grady等[8]、L.M.Taylor等[9]、J.S.Kuszmaul[10]和LIU Li-qing等[11]基于提出的爆炸動(dòng)荷載作用下巖體損傷模型,研究了巖體損傷區(qū)的形成和發(fā)展規(guī)律。另外,張繼春[12]和蔡德所等[13]對(duì)三峽工程的弱風(fēng)化花崗巖底板進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn),通過爆破前后的巖體聲波對(duì)比,認(rèn)為巖體爆破松裂半徑為1.4～2.0 m,松裂深度為0.2～0.7 m,由此確定臨界質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為13.8～16.6 cm/s;黃照平等[14]對(duì)白水峪水電站壩區(qū)爆破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,認(rèn)為將水電站現(xiàn)場(chǎng)殘留巖體的臨界質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度控制在3.5 cm/s以下即可保證殘留巖體的穩(wěn)定性。

在核電工程基巖爆破安全控制方法和標(biāo)準(zhǔn)方面,文獻(xiàn)[1]中對(duì)巖體損傷深度和爆破振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析,初步提出了通過控制距爆源一定距離處的巖體質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度控制巖體損傷深度的方法和標(biāo)準(zhǔn),在廣東嶺澳核電站基礎(chǔ)開挖爆破控制中取得了很好效果,該控制方法如圖1所示。根據(jù)該方法,當(dāng)距爆源30 m處的巖體質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度不超過安全閾值5.0 cm/s時(shí),可保證爆破開挖時(shí)巖體損傷深度小于規(guī)定值2 m,滿足下臥基巖保護(hù)的要求[6]。

圖1 基礎(chǔ)爆破開挖影響范圍控制示意圖Fig.1 Damage control method in bedrock blasting excavation

雖然文獻(xiàn)[1]中初步提出了巖體爆炸損傷的控制方法和標(biāo)準(zhǔn),但是當(dāng)巖性條件以及爆破開挖方式發(fā)生改變時(shí),上述控制標(biāo)準(zhǔn)不能適應(yīng)工程的要求。為此,本文中以遼寧紅沿河核電站基礎(chǔ)爆破開挖工程為例,以爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)和爆前爆后巖體聲波實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),研究核島內(nèi)不同區(qū)域巖體損傷范圍和振動(dòng)速度關(guān)系,確定在不同巖體特征以及允許損傷深度的情況下質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)。

2 紅沿河核電站工程簡(jiǎn)介

遼寧紅沿河核電站基礎(chǔ)爆破開挖現(xiàn)場(chǎng)巖體主要為中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖。根據(jù)基礎(chǔ)開挖施工方案,核島基礎(chǔ)巖體采用分層爆破方式進(jìn)行,各層底標(biāo)高見圖2?？梢?在進(jìn)行第2層開挖時(shí),為保護(hù)下臥基巖的完整性,允許的最大損傷深度不能超過第3層（保護(hù)層）的厚度,即1.15 m。進(jìn)行保護(hù)層開挖時(shí),為減小爆炸對(duì)建基面巖體的沖擊,爆孔底部0.25 m的高度用柔性填塞物裝填,因此第3層爆破時(shí)允許的巖體最大損傷深度不超過0.25 m。為此,必須根據(jù)爆破施工方案制定巖體分層爆破控制標(biāo)準(zhǔn)。

另外,紅沿河核電站核島區(qū)1和核島區(qū)2的巖體力學(xué)指標(biāo)見表1。表中,ρ為密度,Ed為靜彈性模量,Gd為靜剪切模量,μ為泊松比,σc為抗壓強(qiáng)度,σst為抗拉強(qiáng)度,φ為摩擦角,C為粘聚力,cl為縱波波速,ct為橫波波速,ξ為阻尼比。可見基坑內(nèi)各區(qū)域巖體力學(xué)性能相差較大。因此,對(duì)于不同區(qū)域,巖體爆炸安全控制標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)分別取值。由文獻(xiàn)[1],控制標(biāo)準(zhǔn)確定為距爆源30 m處的巖體振動(dòng)速度。

表1 紅沿河核電站巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical properties of rock mass for Hongyanhe nuclear power plant

結(jié)合紅沿河核電站的實(shí)際情況,基巖爆破時(shí)進(jìn)行核島內(nèi)不同區(qū)域的巖體聲波實(shí)驗(yàn),同時(shí)監(jiān)測(cè)30 m處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,根據(jù)聲波實(shí)驗(yàn)得到的巖體損傷范圍與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之間的關(guān)系,分析制定各層各區(qū)域的巖體爆炸振動(dòng)控制參數(shù)。

3 聲波實(shí)驗(yàn)

根據(jù)SL 47-94,采用巖體聲波波速在爆破前后的變化率判定爆破荷載作用下巖體的破壞程度

式中:c0為巖體爆前聲波波速;c為巖體爆后聲波波速。同時(shí),規(guī)范規(guī)定,當(dāng)η＞10%時(shí),可以判定巖體力學(xué)性能受爆破影響大。

圖3 聲波實(shí)驗(yàn)布置示意圖Fig.3 Arrangement of sonic wave testing holes

圖4 聲波孔測(cè)試結(jié)果Fig.4 Sonic wave speed of rock mass with depth

根據(jù)上述思路,在核島區(qū)1、2各開挖層分別進(jìn)行爆破前后的巖體波速實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)布置如圖3所示。爆區(qū)內(nèi)選擇若干爆孔超深約2 m,兼作聲波測(cè)試孔。爆前量測(cè)聲波測(cè)試孔各測(cè)點(diǎn)波速,然后將孔底超深部分填塞至爆孔設(shè)計(jì)深度,與其他爆孔同時(shí)起爆。爆后清理孔底充填物,對(duì)測(cè)試孔超深部分進(jìn)行爆后聲波測(cè)試,統(tǒng)計(jì)爆前爆后巖體波速變化率,從而確定巖體的損傷特征。

圖4為典型的聲波波速變化曲線,圖中,η=10%時(shí)的孔深即為該測(cè)試孔處的巖體損傷深度。

4 巖體爆炸振動(dòng)監(jiān)測(cè)

爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)站布置如圖5所示。每次爆破前,在距爆源不同距離處布設(shè)若干測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度,分析場(chǎng)區(qū)爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。圖6為距爆源30 m處的巖體振動(dòng)速度曲線。

圖5 測(cè)點(diǎn)及測(cè)站布置Fig.5 Monitoring system of blast vibration

圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度Fig.6 Velocity histories of rock mass by blasting

5 巖體爆炸振動(dòng)控制參數(shù)

表2～3分別為核島區(qū)1、2各次爆炸實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的裝藥量、距爆源30 m處的巖體損傷深度d和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度v的結(jié)果。表中,Q為總裝藥量,q為段裝藥量。由表可見,當(dāng)總裝藥量和最大段裝藥量增大時(shí),巖體振動(dòng)速度和損傷深度也增大,但是他們之間的函數(shù)關(guān)系并不明顯。例如,當(dāng)總裝藥量或段裝藥量相同時(shí),巖體振動(dòng)速度和損傷深度也存在一定差異。這是由爆破技術(shù)、裝藥方式等因素的不同形成的。相反地,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和損傷深度之間卻有比較明顯的單調(diào)函數(shù)關(guān)系,見圖7。因此通過監(jiān)測(cè)距爆源一定距離處的巖體振動(dòng)速度控制爆炸損傷深度的方法是可行的。

表2 核島區(qū)1巖體的爆炸損傷、振動(dòng)速度結(jié)果Table 2 Results of damage zone depth and vibration velocity in nuclear island 1

表3 核島區(qū)2巖體的爆炸損傷、振動(dòng)速度結(jié)果Table 3 Results of damage zone depth and vibration velocity in nuclear island 2

圖7 核島區(qū)巖體振動(dòng)速度與損傷深度的關(guān)系Fig.7 Relationship between vibration velocity and damage zone depth in nuclear islands

核島區(qū)1、2巖體振動(dòng)速度與損傷深度之間的關(guān)系可以分別用經(jīng)驗(yàn)公式擬合

式中:v1、v2分別為核島區(qū)1、2距爆源30 m處巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;d為巖體的損傷深度,m。核島區(qū)允許的損傷深度為1.15 m和核島區(qū)底層保護(hù)層允許的損傷深度為0.25 m時(shí),核電站基巖爆破控制參數(shù)見表4。

表4 紅沿河核電站基巖爆破控制參數(shù)Table 4 Control parameters of blast vibration at Hongyanhe nuclear power plant

圖8 核島區(qū)基礎(chǔ)爆破開挖成形圖Fig.8 The bedrock of nuclear island after blasting excavation

基于上述的控制方法和標(biāo)準(zhǔn),對(duì)核島基礎(chǔ)爆破開挖進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)。通過振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)結(jié)果控制爆破藥量,優(yōu)化爆破網(wǎng)絡(luò),核島基巖力學(xué)性能保持良好,成形完美,見圖8。該控制方法和標(biāo)準(zhǔn)可以有效控制開挖爆破對(duì)基巖的損傷影響,確保保留基巖的安全。

6 結(jié) 論

以遼寧紅沿河核電站一期工程核島基礎(chǔ)爆破為依托,根據(jù)核島區(qū)巖體特性和爆破開挖分層情況,進(jìn)行了聲波實(shí)驗(yàn)和巖體爆炸振動(dòng)監(jiān)測(cè),分析了巖體振動(dòng)速度和損傷區(qū)特征,提出了適合工程特殊情況的巖體爆破振動(dòng)控制方法和標(biāo)準(zhǔn)。

（1）爆炸荷載作用下的巖體振動(dòng)速度和損傷區(qū)大小均隨裝藥量增大而增大,但對(duì)應(yīng)關(guān)系并不明顯;相反地,巖體振動(dòng)速度與損傷深度存在單調(diào)的函數(shù)關(guān)系。因此,通過監(jiān)測(cè)巖體振動(dòng)速度來控制爆炸損傷深度的方法是合適的。

（2）在核電站等工程中進(jìn)行基礎(chǔ)爆破時(shí),考慮到巖性以及爆破開挖方式的差異,爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)分層、分區(qū)分別取值。紅沿河核電站的工程應(yīng)用表明,該控制方法和標(biāo)準(zhǔn)可以有效控制開挖爆破對(duì)基巖的影響,確保保留基巖的安全。

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