李克友 許慧璽

【摘 要】抽水蓄能電站一般設計有大量地下洞室。用爆破方式進行地下洞室開挖是當前工程建設最主要的方式。爆破對周圍建（構）筑物產(chǎn)生振動是影響爆破安全的重要因素。為有效控制爆破振動對爆破周邊建（構）筑物的破壞，保證施工安全和質量，對爆破開挖引起的振動進行監(jiān)測控制十分必要。文章結合某抽水蓄能電站地下廠房開挖情況，分析地震波的傳播規(guī)律，并指導工程爆破參數(shù)設計和后續(xù)施工，同時開展爆破振動規(guī)律持續(xù)性優(yōu)化分析，取得了較好的應用效果。

【關鍵詞】抽水蓄能電站;地下洞室;爆破開挖;振動監(jiān)測

【中圖分類號】TV52 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0062-04

0 引言

爆破開挖工程在水電站建設階段被廣泛應用。爆破振動是影響爆破安全的重要因素。近年來，因爆破振動引起建（構）筑物破損、邊坡垮塌等現(xiàn)象十分常見，嚴重影響工程建設的進度、質量和安全，使得工程建設的社會效益和經(jīng)濟效益大打折扣。與常規(guī)水電站相比，抽水蓄能電站有大量的洞室群。例如：地下廠房、主變洞、引水洞、尾水洞、調壓井、進廠交通洞、施工支洞、上下水庫連接道路隧洞等。由于工作面較多，爆破開挖與噴射混凝土、錨桿注漿、基礎灌漿、大體積混凝土澆筑等工序往往需要交叉進行。若在爆破開挖過程中不進行有效控制，就會嚴重影響錨桿的錨固質量、噴射混凝土與巖石的黏結強度、導致新澆混凝土開裂等，嚴重影響工程質量。地震波的能量一般隨傳播距離呈指數(shù)衰減。但受到巖石類型、巖石風化程度、場地類型、地質構造等因素影響，衰減規(guī)律又各不相同。因此，對具體的工程場地需要進行地震波傳播規(guī)律研究。為保證施工安全、施工質量，需對爆破開挖引起的振動進行監(jiān)測，分析場內地震波的傳播規(guī)律，并以此指導后續(xù)工程爆破參數(shù)設計和施工[1-2]。

本研究以某抽水蓄能電站地下廠房爆破開挖為研究對象，開展爆破地震監(jiān)測。了解開挖爆破對周圍巖體的影響程度，研究場內地震波傳播規(guī)律。并依據(jù)監(jiān)測成果，不斷優(yōu)化爆破設計，調整爆破參數(shù)[3-4]。

1 方法原理

采用質點振動實時監(jiān)測法。爆破地震效應是爆炸時起爆區(qū)一定范圍內，地表及建筑物振動現(xiàn)象的一種反映。振動能量超過一定限度時，會對地表及建筑物產(chǎn)生一定的破壞作用。工程爆破在取得巨大的經(jīng)濟效益的同時，也會產(chǎn)生一系列的危害。爆破安全至關重要，爆破的整個過程必須嚴格執(zhí)行國家《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定。除布置合理的監(jiān)測儀外，還應對爆破的危害效應如沖擊波、地震波、飛石等加以控制與防護，應對沖擊波、地震波等不良影響的參數(shù)進行測定，準確分析與研究這些參數(shù)的變化與分布規(guī)律，進而確定相應的控制方法和措施。

爆破地震波在不同的介質中傳播，既受介質性質的影響，又受地質構造、爆破藥量和起爆方式等諸多因素的影響，因此地震波的波形結構十分復雜，差異很大，甚至在同一地區(qū)重復爆破測得的波形和振動幅值也不盡相同，由此通過對不同距離的地震強度的測量，建立描述地震強度隨炸藥量、藥包埋深和爆區(qū)介質特征隨距離因素的變化的數(shù)學表達式，了解地震波的傳播與衰減規(guī)律，同時對地震波傳播范圍內各種建（構）筑物等進行爆破振動強度、頻率和持續(xù)時間的監(jiān)測，得出建（構）筑物等受破壞時相應的振動強度等參數(shù)。我國的《爆破安全規(guī)程》是以質點振動速度為判據(jù)，制定出不同建（構）筑物的安全允許標準，同時給出計算爆破振動衰減規(guī)律時，不同地質、地形條件下的數(shù)學表達式中的K和α的數(shù)值，用以預報爆炸源在一定藥量不同距離條件下，建（構）筑物所遭受破壞與不被破壞的狀態(tài)。

爆破開挖引起的地震波在介質中傳播，受場地巖石性質、斷層破碎帶分布、爆破藥量、起爆方式等因素影響，不同場地、部位，差異較大。通過對地震波進行監(jiān)測，了解場地地震波衰減規(guī)律。

爆破質點振動速度主要與爆破單響藥量、爆破方式和爆源距有關。在理想介質中，其傳播規(guī)律符合薩道夫斯基公式，該公式如下。

公式（2）中：V為質點振動速度，單位為cm/s;Q為最大單響藥量，單位kg;R為藥量分布幾何中心至監(jiān)測點距離，單位為m;H為監(jiān)測點與爆源的高差，單位為m;K、a為與場地地質條件、巖體特性、爆破條件，以及爆破區(qū)與觀測點相對位置等有關的常數(shù);β為高差影響指數(shù)[5]。

2 工程概況

某抽水蓄能電站樞紐工程主要由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)等部分組成。輸水系統(tǒng)建筑物包括上下庫進/出水口、引水洞、上游調壓井、鋼岔管、高壓引水支洞、尾水洞等;輸水系統(tǒng)總長度為3 616.1 m（①機），輸水系統(tǒng)長度與發(fā)電額定水頭比7.09。

引水主洞采用一洞兩機布置方式，主洞洞徑為6.0 m，鋼岔管;尾水系統(tǒng)采用一洞一機的布置方式，洞徑為4.4 m。

廠房系統(tǒng)由地下廠房系統(tǒng)建筑物和地面廠房系統(tǒng)建筑物兩個部分組成。下廠房系統(tǒng)建筑物主要包括主副廠房洞、主變洞、母線洞、排風平洞、排風豎井、500 kV電纜出線平洞、500 kV電纜出線豎井、進廠交通洞、主變運輸洞、通風兼安全洞、電纜交通洞、排水廊道、自流排水洞等洞室;地面廠房系統(tǒng)建筑物主要由GIS開關站、出線平臺、繼保樓等地面建筑物組成;中控樓放置業(yè)主營地內。主廠房長156.50 m，寬23.50 m（巖壁吊車梁以上寬25.00 m），高55.00 m，包括安裝場段、主機段和副廠房段;主變洞長154.92 m，寬20 m，高21.3 m。

工程區(qū)出露的基巖地層主要為下元古界片麻巖和中條期片麻狀花崗巖，塊狀結構，巖體完整、強度高，圍巖類型主要為I-II類，隧洞進出口附近和構造帶部位圍巖為III-IV或V類。區(qū)內局部分布有燕山晚期侵入巖花崗巖，第四系松散巖類主要分布在河床及次一級沖溝內。

工程區(qū)總體地質條件優(yōu)越，有利于工程建設。地下廠房系統(tǒng)埋深較大，開挖出露的巖體完整堅硬，未見大的裂隙破碎帶、斷層、滲水等不良地質情況。

通過對主副廠房開挖爆破進行監(jiān)測，達到以下目的。

（1）監(jiān)測主副廠房開挖爆破對圍巖及附屬設施產(chǎn)生的質點振動速度，并根據(jù)監(jiān)測成果，得到主副廠房開挖爆破振動衰減規(guī)律，以作為爆破振動振速預報和安全校核的依據(jù)。

（2）通過爆破試驗監(jiān)測，調整爆破有關參數(shù)，不斷優(yōu)化爆破設計，改進施工方法和安全措施，以滿足防護目標的安全要求。

3 控制標準

（1）監(jiān)測工作應貫穿施工開挖全過程，以爆破振動監(jiān)測的反饋分析為主，及時調整爆破參數(shù)和施工工藝并對爆破進行跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)量應滿足工程規(guī)定的要求。

（2）監(jiān)測工作的重點是控制最大段單響藥量、確定合理的微差延期和裝藥結構等一系列問題。

（3）分析監(jiān)測成果時，以質點振動速度為主，位移和加速度為輔。對試驗獲得的控制標準進一步驗證或修訂，隨著爆破開挖施工的開展，對爆破振動衰減規(guī)律計算公式進行修正。

（4）爆破振動引起的建（構）筑物或巖土體的破壞受到許多復雜因素的影響，例如破壞過程的復雜性和巖土介質的多變性等，因此關于爆破振動的允許標準，目前還沒有統(tǒng)一規(guī)定，一般是根據(jù)目前的研究成果與具體工程的實際情況綜合確定。

根據(jù)設計要求，對爆破點附近的建（構）筑物進行爆破振動控制。爆破振動速度允許值見表1。

4 監(jiān)測試驗

按照近密遠疏的原則，在廠房已開挖部分的上下游邊墻分別布設監(jiān)測點，分別對最大單響為56 kg、50 kg、30 kg的爆破開展監(jiān)測工作。

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行垂向、水平切向、水平徑向三矢量振動速度、振動頻率和振動持續(xù)時間進行統(tǒng)計。選取垂向、水平切向、水平徑向中速度最大者為該測點的振動速度。其中：監(jiān)測點距離爆破中點的范圍為17.2～71.1 m;最大速度范圍為2.872 4～13.32 cm/s;振動主頻率為91.5～396.7 Hz，主頻大部分為100～150 Hz;振動時間為0.129 1～0.407 9 s。監(jiān)測的15個數(shù)據(jù)點中有4個數(shù)據(jù)點超過允許值，占26.7%。爆破振動監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。

5 回歸分析

為了解地震波在介質中的轉播規(guī)律，確?；貧w方程式的準確性，根據(jù)測區(qū)的地形情況，爆破點與監(jiān)測點高差不大，數(shù)據(jù)回歸不考慮高差效應。對監(jiān)測到的質點振動速度數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出以下衰減規(guī)律。質點振動速度監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)回歸分析如圖1所示。

即K=91.85，α=1.238。

數(shù)據(jù)擬合相關系數(shù)為0.945，相關度較高。

6 爆破監(jiān)測

根據(jù)前期的監(jiān)測成果，并進行振動數(shù)據(jù)回歸分析。指數(shù)α=1.238，該值較大，反映巖石堅硬，與場地為完整性好的花崗巖相符。本測區(qū)爆破振動主頻大部分分布在100～150 Hz。高頻率所占比例較大。說明在場地巖石完整，頻率衰減較慢。

前期最大單響太大，其中4點超過控制標準，達到26.7%的數(shù)據(jù)點超標。根據(jù)公式換算，后期應減小最大單響藥量。后期采用最大單響為32 kg、16 kg、20 kg，共采集到39個監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，最大單響為32 kg時有3個監(jiān)測數(shù)據(jù)超標（允許速度均為10 cm/s），占總數(shù)據(jù)點的7.7%，并且這些監(jiān)測點的距離都小于21.2 m。其余測點均滿足設計要求。說明利用前期的回歸公式進行爆破設計后建（構）物的爆破振動得到了有效的控制。爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表見表3。

7 回歸優(yōu)化

經(jīng)過后期監(jiān)測成果，積累大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)進行回歸分析。對監(jiān)測到的質點振動速度數(shù)據(jù)進行回歸分析優(yōu)化，得出以下衰減規(guī)律。質點振動速度數(shù)據(jù)回歸分析優(yōu)化如圖2所示。

即K=133.76，α=1.238 7。

數(shù)據(jù)擬合相關系數(shù)為0.877，相關度較高。

8 成果分析

通過現(xiàn)場爆破振動的測試和數(shù)據(jù)分析，可得出如下結論。

（1）對監(jiān)測試驗所得質點振動速度數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出以下衰減規(guī)律。

采用薩道夫斯基公式回歸，客觀地反映了質點峰值速度隨單響最大藥量和爆破中心距的變化而變化。指數(shù)α=1.238，該值較大，反映巖石堅硬，與場地為完整性好的花崗巖相符。本測區(qū)爆破振動主頻大部分分布在100～150 Hz。高頻率所占比例較大。說明場地內巖石完整，頻率衰減較慢。

（2）利用回歸分析成果對爆破設計開展設計優(yōu)化，從試驗階段的最大單響藥量為56 kg、50 kg、30 kg調整至32 kg、16 kg、20 kg，爆破超標率從26.6%降低至7.7%。爆破振動控制效果得到顯著提升。

（3）經(jīng)過后期爆破振動監(jiān)測，積累大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)開展回歸分析，得出以下衰減規(guī)律。

即K=133.76，α=1.238 7。

數(shù)據(jù)擬合相關系數(shù)為0.877，相關度較高。

（4）監(jiān)測數(shù)據(jù)呈喇叭狀分布。監(jiān)測點距離爆破點越遠，振動速度值越靠近擬合曲線。監(jiān)測點距離爆破點越近，振動速度值越遠離擬合曲線，離差越大。說明地震波在近場點波動更復雜，受干擾因素多。

（5）測試點附近有部分測點超標，但距離都太近（約20 m）。30 m以外的振動速度均未超過相關技術控制要求。經(jīng)過宏觀調查，爆破未對構（筑）物產(chǎn)生破壞作用，說明利用爆破振動監(jiān)測試驗進行回歸分析，進而調整爆破設計，同時隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)累計持續(xù)開展回歸分析優(yōu)化的爆破振動控制方式有效。

9 結語

本研究結合某抽水蓄能電站地下廠房開挖對爆破開挖形成的巖面進行爆破振動監(jiān)測，總結了爆破地震波的傳播規(guī)律并持續(xù)優(yōu)化，指導工程爆破參數(shù)設計和后續(xù)施工，取得了較好的應用效果。

參 考 文 獻

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