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(長江科學(xué)院 巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

雅礱江錦屏一級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]。中國水電十四局從施工的角度給出了錦屏一級左岸抗力體的施工措施，對于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”的指導(dǎo)思想[5]，長江水利委員會監(jiān)理中心從施工安全及監(jiān)理的角度給出了錦屏一級左岸抗力體施工監(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，中國水電十四局與長江科學(xué)院合作，進(jìn)行小灣水電站抗力體爆破試驗，給出了適用于小灣水電站抗力體的振動衰減規(guī)律[7-8]。成都理工大學(xué)采用水電圍巖分類的方法對抗力體洞室進(jìn)行圍巖分類，并給出了采用多點(diǎn)位移計及錨桿應(yīng)力計等靜態(tài)觀測資料的圖表[9]，但是錦屏一級左岸抗力體的爆破振動監(jiān)測的文獻(xiàn)并未見到。長江科學(xué)院在錦屏一級水電站通過近1 a內(nèi)40余次的振動監(jiān)測，積累了大量的實測振動資料。在此基礎(chǔ)上，本文給出了左岸抗力體各種洞室沿其振動最大方向的爆破振動傳播規(guī)律，并提出了監(jiān)測中的振動控制重點(diǎn)部位，以及降低振動效應(yīng)的相關(guān)措施，對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)測的部位有排水洞、灌漿洞、抗剪洞、置換洞?？梢苑譃槠蕉撮_挖、斜井開挖。

水工平洞開挖，一般采用全斷面開挖法和臺階開挖法。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個進(jìn)尺后，一次爆掉頂部的光爆層。

平洞開挖中，對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的方式進(jìn)行開挖。

對于斜井開挖，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→測量放樣→鉆孔→爆破→安全處理→扒渣→下一循環(huán)。

3 爆破振動測試及成果分析

各次爆破實測峰值振速每個測點(diǎn)測試3個方向。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個測點(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振動的影響

對于平洞開挖，在距離爆區(qū)相同的情況下的測點(diǎn)振動速度 ，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進(jìn)行對比。

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

表1 主要平洞掏槽孔振動對比

對于大壩壩基排水洞，在距離爆區(qū)距離相同的情況下的測點(diǎn)振動速度，最后2次測試的最大質(zhì)點(diǎn)振動速度明顯小于前面若干次的測試。以上各次測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。可見在藥量相當(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效應(yīng)。

3.2 平洞開挖2個掌子面同時起爆對振動的影響

實際施工過程中，施工單位為了趕進(jìn)度，會將同一個洞室的2個掌子面同時起爆，當(dāng)2個掌子面過近時，易導(dǎo)致振動過大。對于此類問題，在大壩壩基排水洞進(jìn)行了3次相關(guān)的測試。2個掌子面的間距分別是3，14，44 m，測點(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點(diǎn)振動速度，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起爆振動對比

第2次監(jiān)測中，爆后可見測點(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，這個主要是由于巖性較差，在爆破振動影響下，發(fā)生脫落。這個只是局部問題，因為半孔率、平整度等指標(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，不宜同時起爆，建議當(dāng)兩掌子面間距小于30 m時，應(yīng)避免同時起爆。若一定要同時起爆，為確保安全，減小振動速度，建議其中一個掌子面掏槽孔開始爆破后，間隔110 ms(也就是連接一個Ms5段非電雷管)再起爆另一個掌子面[10]。

3.3 f 5斷層平洞及煌斑巖脈平洞的監(jiān)測情況

對于f5斷層平洞，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示。高程1 730層進(jìn)行了3次測試，最大質(zhì)點(diǎn)振動速度發(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次測試，最大質(zhì)點(diǎn)振動速度發(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，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斷層平洞振動對比

后一次監(jiān)測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，對于光爆孔進(jìn)行了堵塞，而其他孔一般未進(jìn)行堵塞。實際上，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，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。

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

3.4 斜井開挖特點(diǎn)及監(jiān)測結(jié)果

高程1 785層的斜井?dāng)嗝娉叽缬?2 m×5 m(長×寬)和12 m×7 m(長×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個臨空面，類似臺階爆破。兩側(cè)開挖滯后中部開挖一個臺階，兩側(cè)開挖可以一次完成，也可以單側(cè)開挖，根據(jù)實際的鉆工人數(shù)，手風(fēng)鉆數(shù)量等因素靈活確定。對于巖性較差，容易卡鉆的煌斑巖脈，兩側(cè)開挖采用水平抬動孔開挖較沿井軸線方向的斜孔有利，因為水平抬動孔卡鉆后容易拔出，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

煌斑巖脈斜井測試中，測點(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，洞口測點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動速度有衰減的趨勢。招標(biāo)文件中對于質(zhì)點(diǎn)安全振動速度有規(guī)定，如表4所示。

表4 混凝土齡期及允許振動速度表

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

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

事實上，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，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，將爆破振動的影響降低到最低限度。

對于斜井的監(jiān)測結(jié)果如表5所示。

表5 斜井的測點(diǎn)振動速度

對于第1次的混凝土，其齡期已達(dá)8 d，對照表4，可見對該部位的新澆混凝土不會產(chǎn)生破壞性影響，質(zhì)點(diǎn)振動峰值符合安全控制標(biāo)準(zhǔn)。對于后2次的振速值，也符合要求。但是從由近及遠(yuǎn)的幾個測點(diǎn)數(shù)據(jù)看到，振速衰減較慢。因此，對于齡期小于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)部位的施工時間盡量錯開。

3.5 最大振速時刻分析

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

對于壩基排水洞，將3個方向的最大振速發(fā)生的時刻進(jìn)行統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)，最大振速發(fā)生在掏槽孔(雷管段位為Ms1)爆破時段的占86.9 %，發(fā)生在周邊孔爆破時段的占2.2 %，發(fā)生在其他孔爆破時段的占10.9 %。從這3個百分率可以知道，控制好掏槽孔的爆破是關(guān)鍵。事實上，掏槽孔爆破時，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，會導(dǎo)致緊鄰的輔助孔爆破時振速偏大。

對于其他洞室，發(fā)生最大振速的時刻隨機(jī)性較大，與壩基排水洞的情形不盡相同。如對于帷幕灌漿洞，最大振速發(fā)生在掏槽孔爆破時段的占52.2 %，發(fā)生在周邊孔爆破時段的占0.0 %，發(fā)生在其他孔爆破時段的占47.8 %。對于f5斷層置換洞，最大振速發(fā)生在掏槽孔爆破時段的占31.8 %，發(fā)生在周邊孔爆破時段的占50.0 %，發(fā)生在其他孔爆破時段的占18.2 %?？梢钥闯?，隨著洞室斷面尺寸的增大，最大振速發(fā)生在掏槽孔時段的比例相應(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 爆破振動傳播規(guī)律分析

通過對所測振動波形進(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，測點(diǎn)與爆源中心的高差相對于其水平距離差較小，因此，可以采用如下經(jīng)驗公式進(jìn)行一元回歸計算：

V=K(Q1/3/R)α。

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

各個測試部位的最大振動方向的K和α值見表6。從表中可以看出不同測試部位的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)，也說明了爆破振動實測的重要性。

表6 測試部位的K和α值

5 結(jié) 語

(1) 對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，而且對爆破近區(qū)圍巖還要加強(qiáng)監(jiān)測，及時反饋監(jiān)測結(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)實測振速成果，運(yùn)用統(tǒng)計分析的方法得到爆破振動對于多種類型洞室的經(jīng)驗公式，可用于相應(yīng)部位的振動控制和預(yù)報，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間上合理錯開的情況下，則爆破對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) 壩基排水洞的振動控制是重點(diǎn)，最大質(zhì)點(diǎn)振動速度大部分發(fā)生在掏槽孔爆破時段。因此要特別控制好掏槽孔的施工各個工序，盡量降低最大質(zhì)點(diǎn)振速，同時避免相距較近的兩掌子面同時起爆。

(6) 測試中，還存在一些不足之處，如爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)未與靜態(tài)觀測資料進(jìn)行聯(lián)合分析，今后若做到動靜結(jié)合，將會更有實際意義。

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