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        泄洪兼導(dǎo)流洞開挖控制爆破振動(dòng)監(jiān)測分析

        2017-10-18 06:06:11胡云鶴劉亞蓮王程鵬
        東北水利水電 2017年10期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)流洞質(zhì)點(diǎn)藥量

        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(dòng)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(duì)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(dòng)測點(diǎn),對(duì)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(dòng)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(jì)開挖振動(dòng)強(qiáng)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(dòng);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(duì)周圍環(huán)境的影響程度,必須對(duì)洞室開挖爆破所引起的爆破振動(dòng)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(duì)象,對(duì)開挖過程中施工爆破地震波的振動(dòng)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(jì)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(jiān)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(qiáng)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(dòng)很容易對(duì)原有隧洞和閘門造成損傷破壞,因此須借助爆破振動(dòng)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(qiáng)度要求,又能確保已有建筑物的安全。

        2 爆破振動(dòng)監(jiān)測

        2.1 監(jiān)測儀器

        爆破振動(dòng)測試使用成都中科測控TC4850爆破振動(dòng)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(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)并處于校準(zhǔn)有效期內(nèi)。

        2.2 爆破振動(dòng)測試方法

        此工程爆破防護(hù)對(duì)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(dòng)監(jiān)測同時(shí)測試切向、徑向、垂直向3個(gè)分量的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。在分析3個(gè)分量的同時(shí),也分析3個(gè)分量的矢量和,以3個(gè)分量的矢量和作為測試點(diǎn)的合速度VTmax,VVmax,VLmax分別為切向、垂直向和徑向最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度[1]:

        將采集儀所采集的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī),使用專用軟件進(jìn)行處理與分析。判讀各測試點(diǎn)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(diǎn)的3個(gè)方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度;如無法區(qū)分,則說明爆破地震波疊加明顯,監(jiān)測點(diǎn)合成振動(dòng)速度可能存在振動(dòng)加強(qiáng)或振動(dòng)減弱。根據(jù)實(shí)測質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度擬合K和α值,結(jié)合允許爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(diǎn)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(shí)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(shí)有2個(gè)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(dòng)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(dòng)監(jiān)測在泄洪兼導(dǎo)流洞上層開挖時(shí)進(jìn)行。

        1)三期引水隧洞閘門監(jiān)測點(diǎn)布置

        進(jìn)口段開挖時(shí),在三期引水隧洞閘門附近布置2個(gè)振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)安裝1套三分量質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(gè)方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

        2)泄洪兼導(dǎo)流洞洞身測點(diǎn)布置

        在泄洪兼導(dǎo)流洞上層爆破開挖時(shí),沿洞軸線方向在洞壁上布置5個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測試點(diǎn),用于測試質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況。出口段測點(diǎn)編號(hào)分別為S1~S5,進(jìn)口段測點(diǎn)編號(hào)分別為S6~S10。試驗(yàn)點(diǎn)布置采用近密遠(yuǎn)疏原則,每個(gè)測點(diǎn)各安裝1套三分量傳感器。

        3)傳感器埋設(shè)要求

        每個(gè)爆破振動(dòng)測試點(diǎn)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(diǎn)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(duì)應(yīng)。

        傳感器與測點(diǎn)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(dòng),確保測試結(jié)果正確。在傳感器安裝時(shí),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(shí)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(shí),開展泄洪兼導(dǎo)流洞洞身質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)測試,共6炮,每炮5個(gè)測點(diǎn),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(dòng)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(shí),開展泄洪兼導(dǎo)流洞洞身質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)測試,共4炮,每炮5個(gè)測點(diǎn),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(dòng)頻率、速度數(shù)值匯總見表3,4。

        表2 進(jìn)口段振動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)表

        表3 出口段爆破地震波主頻匯總表

        表4 出口段振動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)表

        3)三期閘門

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

        表5 JC1和JC2監(jiān)測點(diǎn)振動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)表

        表6 JC1和JC2監(jiān)測點(diǎn)地震波主頻統(tǒng)計(jì)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(dòng)的安全允許距離按下式計(jì)算

        式中:R——爆破振動(dòng)安全距離,m;v——保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度,cm/s;Q——齊發(fā)爆破取總炸藥量,延時(shí)爆破取最大一段藥量,kg;K,a——與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)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(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)之間存在高差,則需在(2)式加入高程差修正項(xiàng)。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(shí)不考慮高差修正項(xiàng)。K,a需要通過現(xiàn)場試驗(yàn)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(qiáng)度的預(yù)報(bào)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(diǎn)振動(dòng)速度是采用切向、徑向、垂直向3個(gè)分量的矢量和,還是采用3個(gè)分量之一,目前在工程界尚未統(tǒng)一明確。

        微差毫秒延時(shí)爆破時(shí),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(huì)疊加,峰值振動(dòng)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,疊加作用小;隨著爆心距的增大,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(dòng)速度的時(shí)刻也向早期方向移動(dòng),在三期閘門監(jiān)測位置,爆破地震波的峰值振動(dòng)速度已不顯著。

        使用(3)式擬合 K,a需要振動(dòng)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(shí)爆破時(shí)為峰值振動(dòng)速度時(shí)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(bào)值可能偏??;取總藥量預(yù)報(bào)的振動(dòng)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(dòng)實(shí)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(dòng)速度時(shí)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(shí)際,顯然存在欠缺,并有安全風(fēng)險(xiǎn)。

        該工程采用毫秒延時(shí)爆破,使用(3)式擬合K,a時(shí)振動(dòng)速度和藥量按如下選取。

        1)藥量Q取值

        在振動(dòng)信號(hào)疊加的情況下,對(duì)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(shí)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(jì),其中n為段數(shù)。

        對(duì)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(duì)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(gè)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(gè)段別藥包爆破地震波全面正向疊加的概率大致為12%,總時(shí)差為150 ms。根據(jù)本工程爆破地震波的特點(diǎn),爆心距在100 m以上,質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)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(shí)際,爆心距大于100 m時(shí),爆破地震波一般疊加作用明顯,需要考慮等效藥量。

        2)振動(dòng)速度v取值

        不考慮疊加作用的爆破地震波,振動(dòng)速度選取各爆破方式的峰值振動(dòng)速度。考慮疊加作用的爆破地震波,振動(dòng)速度選取爆破地震波峰值振動(dòng)速度。根據(jù)工程實(shí)際,爆心距大于100 m時(shí),爆破地震波一般疊加作用明顯,振動(dòng)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(diǎn)振動(dòng)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(duì)象主要為三期引水發(fā)電洞及其金屬結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)提出允許安全振動(dòng)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(dòng)速度控制更符合工程實(shí)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(gè),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(jì)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(gè)爆破過程中未出現(xiàn)運(yùn)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(shí)需要考慮硐室的超欠挖、塊度、進(jìn)尺和圍巖的爆破損傷等?,F(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(shí)也說明,雖然以洞身段地震波衰減公式計(jì)算取得的最大安全藥量偏于保守,但以其計(jì)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(duì)于閘門監(jiān)測地震波回歸公式更有工程意義。對(duì)于防護(hù)距離小于100 m時(shí),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(diǎn)放在前4段即可。

        4 結(jié)語

        1)泄洪兼導(dǎo)流洞振動(dòng)測試結(jié)果表明,同一爆破型式,隨著爆心距的增大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(diǎn)峰值振動(dòng)速度相對(duì)最小,掏槽孔最大;總體上,鉛直向Z質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度相對(duì)最小。出口段各爆破型式中,光爆孔爆破產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度相對(duì)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(dòng)幅度相對(duì)最大。歷次爆破中,各分量最大振動(dòng)速度為0.48 cm/s,3個(gè)方向的矢量和振動(dòng)速度范圍為0.084~0.638 cm/s,均小于安全振動(dòng)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(jì)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

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