爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在仙居抽水蓄能電站地下廠房開(kāi)挖施工中的應(yīng)用

陳 俊 濤

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

?

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在仙居抽水蓄能電站地下廠房開(kāi)挖施工中的應(yīng)用

陳 俊 濤

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

對(duì)仙居抽水蓄能電站地下廠房開(kāi)挖過(guò)程中爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)述，對(duì)監(jiān)測(cè)原理、監(jiān)測(cè)方法等進(jìn)行了具體的描述，可為其他類似工程提供參考。

仙居抽水蓄能電站；地下廠房；爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)；技術(shù)

1 概 述

仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣湫山鄉(xiāng)境內(nèi)，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為375 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組(國(guó)內(nèi)單機(jī)最大)，總裝機(jī)容量為1 500 MW，年平均發(fā)電量為25.125億kW·h，年平均抽水電量32.63億kW·h。

該電站主要地下洞室為主副廠房洞、主變洞等，其中主副廠房洞總長(zhǎng)176 m，下部開(kāi)挖寬度25 m，上部開(kāi)挖寬度26.5 m，最大開(kāi)挖高度為55 m。副廠房、主廠房、安裝場(chǎng)從左到右呈“一”字型布置于主副廠房洞內(nèi)，其中主廠房長(zhǎng)113 m；安裝場(chǎng)長(zhǎng)44.5 m，開(kāi)挖高度25.7 m；副廠房長(zhǎng)18.5 m，寬度上下相同，為25 m，最大開(kāi)挖高度為51.5 m。主變洞工程位于主副廠房洞下游，兩洞凈距為38.3 m；主變洞開(kāi)挖尺寸為169.7 m×19.5 m×22.5 m(長(zhǎng)×寬×高)，與主副廠房通過(guò)交通電纜洞、主變運(yùn)輸洞及4條母線洞相連，與尾閘洞通過(guò)尾閘交通洞相連。

廠房頂拱出露的巖性為角礫凝灰?guī)r，巖體完整～較完整，部分受節(jié)理、巖脈切割的影響完整性差～較破碎。斷層有f(48)和F(49)，其中，f(48)規(guī)模較小，F(xiàn)(49)雖具有一定規(guī)模且性狀較差，但其傾角較陡，與洞軸線交角達(dá)75°～85°，對(duì)洞室整體穩(wěn)定不會(huì)有太大的影響，故廠房圍巖穩(wěn)定主要受結(jié)構(gòu)面組合控制。f(48)和βμ-⑤交角大，與其它陡傾角節(jié)理形成的組合為倒四棱錐體，對(duì)頂拱圍巖無(wú)大的不利影響，但兩者交接部位(斷層局部、巖脈的下盤巖體)可能會(huì)出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，需加強(qiáng)支護(hù)處理。根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)面組合進(jìn)行分析得知，斷層或節(jié)理①或②與④、⑤互相組合可形成楔形體，PD10-2支硐中局部硐段呈“人”字狀硐頂即屬此類節(jié)理組合造成。從鉆孔揭示的地質(zhì)條件看，在頂拱高程附近有少量緩傾角節(jié)理發(fā)育，因此，在地下廠房頂拱局部可能存在陡、緩傾角節(jié)理不利組合產(chǎn)生的不穩(wěn)定楔體。其它主要節(jié)理(優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面)組合對(duì)頂拱圍巖基本無(wú)影響，僅有局部隨機(jī)節(jié)理與上述主要節(jié)理構(gòu)成隨機(jī)塊體。

邊墻部位圍巖穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面組合控制，推測(cè)廠房區(qū)④、⑤組節(jié)理發(fā)育，與①或②組節(jié)理組合可在邊墻形成不穩(wěn)定塊體。另外，③組節(jié)理在PD10平硐內(nèi)密集發(fā)育，間距為3～5 cm，節(jié)理面充填鈣膜，出露于主廠房上游邊墻上游50 m外且與邊墻近平行，如該組節(jié)理發(fā)育范圍在深部向下游擴(kuò)大，則邊墻巖體可能較破碎并將影響邊墻圍巖的穩(wěn)定，尤其是上游邊墻。主副廠房右端墻出露斷層f(48)和βμ-⑤巖脈，兩者交于右端墻，由于巖脈在平硐性狀較差，與圍巖接觸面有擠壓現(xiàn)象，故該部位圍巖穩(wěn)定性差；①組節(jié)理與廠房左端墻呈小交角相交，受開(kāi)挖卸荷影響可沿節(jié)理產(chǎn)生卸荷拉裂或形成片幫。總之，地下廠房無(wú)大的不利結(jié)構(gòu)面組合，圍巖穩(wěn)定性好。

主變洞平行布置于廠房下游，圍巖為新鮮、堅(jiān)硬的角礫凝灰?guī)r和少量的凝灰質(zhì)砂巖，巖體完整～較完整，工程地質(zhì)條件與廠房類似，圍巖穩(wěn)定性總體較好，其頂拱亦存在節(jié)理①或②與④、⑤互相組合形成局部不穩(wěn)定楔體；花崗閃長(zhǎng)斑巖脈γδπ-(14)斜切上下游邊墻，與斷層F(49)及節(jié)理①和④組合，在上游邊墻可形成里小外大的不穩(wěn)定楔體。另外，由于該巖脈與邊墻交角小，其上游邊墻的上盤和下游邊墻的下盤巖體受節(jié)理切割的影響，穩(wěn)定性差。

2 實(shí)施爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的目的

考慮到工程自身的爆破振動(dòng)影響和地質(zhì)特征以及設(shè)計(jì)對(duì)爆破振動(dòng)的指標(biāo)影響，在施工過(guò)程中沒(méi)有類似的參數(shù)可以借鑒，因此，通過(guò)對(duì)地下廠房開(kāi)挖施工進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)以達(dá)到以下目的：

(1)通過(guò)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與試驗(yàn)，獲取爆破振動(dòng)沿不利斷面或不安全方向的振動(dòng)衰減傳播規(guī)律，回歸計(jì)算爆破振動(dòng)傳播公式，估算開(kāi)挖爆破的最大允許藥量與安全距離，為確定爆破施工方案與爆破參數(shù)提供依據(jù)；

(2)通過(guò)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與試驗(yàn)，評(píng)價(jià)爆破施工方案和爆破參數(shù)的合理性，為控制與優(yōu)化爆破施工參數(shù)提供依據(jù)；

(3)通過(guò)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，測(cè)定開(kāi)挖爆破作業(yè)對(duì)振動(dòng)敏感建(構(gòu))筑物、巖土體的振動(dòng)影響程度，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其安全性做出評(píng)估，并為控制或調(diào)整爆破參數(shù)提供依據(jù)。

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)及控制方案

3.1 監(jiān)測(cè)原理

由于炸藥在巖石中的爆破作用，使安裝布置在監(jiān)測(cè)質(zhì)點(diǎn)上的傳感器隨質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)而振動(dòng)，使傳感器內(nèi)部的磁系統(tǒng)、空氣隙、線圈之間作相對(duì)的運(yùn)動(dòng)并變成電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，電動(dòng)勢(shì)信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線輸入可變?cè)鲆娣糯笃鲗⑿盘?hào)放大，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換，再通過(guò)時(shí)鐘、觸發(fā)電路，同時(shí)也通過(guò)存儲(chǔ)信號(hào)保護(hù)，再通過(guò)CPU系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)，采用波形顯示和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行波形分析和數(shù)據(jù)處理。其原理流程見(jiàn)圖1。

3.2 監(jiān)測(cè)方法

圖1 爆破振動(dòng)檢測(cè)原理流程圖

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，故在爆破前應(yīng)根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行細(xì)致的準(zhǔn)備工作，并嚴(yán)格按照工作流程進(jìn)行工作。

為確保監(jiān)測(cè)資料的準(zhǔn)確可靠，首先對(duì)爆破點(diǎn)附近的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的調(diào)查，確定監(jiān)測(cè)對(duì)象，然后在爆破前對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢查、檢測(cè)和標(biāo)定，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象與爆破點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系確定測(cè)點(diǎn)位置及布置方法，提前進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安置，根據(jù)爆破時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)設(shè)計(jì)文件及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，將爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置在所需監(jiān)測(cè)的地表或需要測(cè)定爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的構(gòu)筑物上。傳感器的安裝必須穩(wěn)固，否則質(zhì)點(diǎn)的速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將產(chǎn)生失真現(xiàn)象，一般采用石膏固定傳感器效果較好。還應(yīng)注意對(duì)傳感器的保護(hù)，使其避免受到爆破碎石或其它物體的物理性損傷。另外，必須注意傳感器的方向性。

(1)測(cè)點(diǎn)布置遵循的原則。

最大振動(dòng)斷面發(fā)生的位置和方向監(jiān)測(cè)；

爆破地震效應(yīng)跟蹤監(jiān)測(cè)；

爆破地震波衰減規(guī)律監(jiān)測(cè)。

(2)測(cè)點(diǎn)的布置方法。

按照上述原則和爆破地震的傳播規(guī)律以及以往的經(jīng)驗(yàn)，第一次在主廠房第二層進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，從廠右至廠左呈直線布置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中各測(cè)點(diǎn)距離爆破中心的距離依次為7.7 m、11.8 m、21.2 m、30.2 m、45.2 m和64.4 m；第二次在主廠房第三層進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，分別在廠房上游和下游巖錨梁上各布置了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距離爆破中心的距離依次為13.1 m、29.1 m、14.3 m和29.7 m；第三次在主廠房第三層進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，分別在廠房上游和下游巖錨梁上各布置了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距離爆破中心的距離均為14.1 m；第四次在主變運(yùn)輸洞進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，分別在廠房下游側(cè)巖錨梁上布置了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距離爆破中心的距離依次為10.2 m和15.8 m；第五次在主廠房第四層進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，分別在廠房上、下游側(cè)的巖錨梁上布置了四個(gè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距離爆破中心的距離依次為22.2 m、24.7 m、17.4 m和13.5 m；第六次在排煙豎井進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，在安裝間底板布置了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置垂直方向、水平方向和水平切向的傳感器。

3.4 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

3.4.1 爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由拾振器(或測(cè)振儀配合傳感器)和記錄器(包括計(jì)時(shí)器)兩個(gè)部分組成。

3.4.2 監(jiān)測(cè)儀器

該工程爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)使用TC-4850爆破測(cè)振儀及其配套傳感器，TC-4850測(cè)振儀可連接一只三分量的速度傳感器，同時(shí)記錄測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)。測(cè)振儀必須經(jīng)法定機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)并處于有效期內(nèi)。

3.4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析

采用自動(dòng)記錄儀將速度傳感器測(cè)得的測(cè)點(diǎn)水平徑向、水平切向和垂直方向上的振動(dòng)速度進(jìn)行記錄。所記錄的振動(dòng)波形應(yīng)有時(shí)間標(biāo)尺，并標(biāo)出最大振幅值和所處時(shí)刻。

然后需要對(duì)爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度進(jìn)行回歸分析，模擬出其傳播規(guī)律。回歸分析可根據(jù)測(cè)點(diǎn)高程不同采用分組進(jìn)行，選擇相互之間高差較小的測(cè)點(diǎn)作為一組，采用薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸分析：

Vmax=K(Q×1/3/R)a

式中Vmax為測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度，應(yīng)分三個(gè)方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；K、a為衰減系數(shù)；Q為爆破裝藥量，齊發(fā)爆破時(shí)為總裝藥量，延時(shí)爆破時(shí)為最大一段藥量；R為測(cè)點(diǎn)至爆源的距離。

按照最小二乘法原理，根據(jù)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以求出K、a值。K、a值與爆區(qū)地形、地質(zhì)條件和爆破條件相關(guān)，但K值更依賴于爆破條件的變化；a值主要取決于地形、地質(zhì)條件的變化，爆破臨空條件好，夾制作用小，K值就小，反之，K值大；地形平坦，巖體完整、堅(jiān)硬，a值趨小，反之，破碎、軟弱巖體，地形起伏，a值趨大。根據(jù)相似工程經(jīng)驗(yàn)，K取值范圍大部分在50～1 000之內(nèi)，a值取值在1.3～3之間。對(duì)于近距離振動(dòng)衰減規(guī)律和遠(yuǎn)距離衰減規(guī)律可分開(kāi)考慮，當(dāng)比例距離R’=R/Q≤10，為近距離，R’=R/Q>10時(shí)為遠(yuǎn)距離。近距離振動(dòng)時(shí)K值較大，可達(dá)500以上；a值較大，可達(dá)2～3；遠(yuǎn)距離爆破振動(dòng)時(shí)，K達(dá)130～500；a值為1.3～2。

3.5 儀器操作注意事項(xiàng)

(1)傳感器的測(cè)量方向必須準(zhǔn)確。安裝時(shí)應(yīng)使用水平尺及羅盤，對(duì)傳感器的安裝進(jìn)行調(diào)平并調(diào)方向，確保三維測(cè)量方向的正確。

(2)傳感器安裝位置應(yīng)選擇在被監(jiān)測(cè)物形成一體的結(jié)構(gòu)上，并選取離爆點(diǎn)最近的位置。

(3)傳感器必須與被監(jiān)測(cè)物可靠粘結(jié)，粘結(jié)劑可選擇石膏粉、AB膠，也可以選擇以?shī)A具或磁座方式，與被測(cè)物形成剛性聯(lián)接。

(4)傳感器與儀器的連接必須可靠，連接完成后，可輕拽線纜并確認(rèn)線纜已接好；儀器進(jìn)入信號(hào)等待狀態(tài)后，輕輕用手指敲擊傳感器，觀察儀器是否記錄，確保傳感器及儀器可靠工作。

(5)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，應(yīng)先安裝好傳感器并將傳感器線纜與儀器完成連接后，才能打開(kāi)儀器電源；電源打開(kāi)后30 s內(nèi)若不進(jìn)行操作，儀器將自動(dòng)進(jìn)入采集等待狀態(tài)。

4 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果

第一次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)位置布置在廠房第二層，采用乳化炸藥，總裝藥量為15 kg，總炮孔數(shù)為1個(gè)，單段最大藥量15 kg，爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離爆源的鉛直距離分別為7.7 m、11.8 m、21.2 m、30.2 m、45.2 m和64.4 m。檢測(cè)結(jié)果顯示的最大振速依次為28.92 cm/s、 11.052 cm/s、7.022 cm/s、

3.521 cm/s、2.804 cm/s和1.441 cm/s。根據(jù)薩道夫經(jīng)驗(yàn)公式，采用最小二乘法對(duì)爆破試驗(yàn)進(jìn)行擬合回歸計(jì)算，K值為100；a值為1.35。初步確定主廠房第二層爆破振動(dòng)參數(shù)K值為100，a值為1.35。

第二次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)位置布置在廠房第三層，采用乳化炸藥，總爆破孔數(shù)為6個(gè)，單孔藥量為18 kg，總裝藥量為108 kg，分4個(gè)段位，單段最大藥量為36 kg。爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)共4個(gè)，分別布置在上下游巖錨梁上。監(jiān)測(cè)成果表明：JC1三分量和JC2水平切向的最大振速超出控制標(biāo)準(zhǔn)7 cm/s，其中JC1三分量的最大振速分別為9.986 cm/s、9.913 cm/s和11.645 cm/s；JC2水平切向的最大振速為8.226 cm/s，振動(dòng)主頻范圍為74.8～320 Hz。兩個(gè)超出控制標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1 和JC2均位于上游側(cè)巖錨梁，一方面由于上游側(cè)巖錨梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離爆區(qū)相對(duì)較近；另一方面由于交通洞過(guò)道靠近下游側(cè)巖錨梁其減振作用致能量衰減較快，所以兩側(cè)監(jiān)測(cè)振動(dòng)速度相差較大。

第三次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)布置在主副廠房第三層，采用乳化炸藥，總炮孔數(shù)共28個(gè)，單孔藥量18 kg，總裝藥量504 kg，共分28段，單孔單段，單段最大藥量為18 kg。爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)共4個(gè)，分別布置在上下游巖錨梁上。監(jiān)測(cè)成果表明：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平徑向最大振速范圍為3.652～5.541 cm/s，水平切向最大振速范圍為2.484～6.213 cm/s，鉛直向最大振速范圍為4.082～6.933 cm/s，振動(dòng)主頻范圍為54.8～210.5 Hz，各測(cè)點(diǎn)均在控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。臨空面?zhèn)鹊谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度相對(duì)較小。

第四次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)布置在主變運(yùn)輸洞，采用乳化炸藥，總裝藥量為36.4 kg，單段最大藥量為8.4 kg。本次主變運(yùn)輸洞開(kāi)挖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)在爆區(qū)正上方和端墻拐角處巖錨梁上各布置了1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其編號(hào)依次為JC1和JC2。監(jiān)測(cè)成果表明：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平徑向最大振速范圍為2.244～4.528 cm/s，水平切向最大振速范圍為1.898～4.88 cm/s，鉛直向最大振速范圍為3.074～4.184 cm/s，振動(dòng)主頻范圍為86～190.5 Hz。本次各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)值均未超出控制標(biāo)準(zhǔn)。施工方嚴(yán)格控制了單段最大藥量，合理布置了爆破網(wǎng)絡(luò)并采取了相應(yīng)的減振措施。

第五次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)布置在廠房第四層，采用乳化炸藥，總炮孔數(shù)為6個(gè)，單孔藥量為18 kg，總裝藥量為108 kg,孔深7.25 m，段數(shù)4段，單段最大藥量36 kg。本次地下廠房第四層開(kāi)挖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)在距爆區(qū)邊緣最近的巖錨梁上布置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)成果表明：第四點(diǎn)的水平徑向最大振速超出控制標(biāo)準(zhǔn)7 cm/s，其值為8.707 cm/s；其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)值均在控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻范圍為25.2～500 Hz。由此判定：靠近上游側(cè)巖錨梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度明顯大于下游側(cè)巖錨梁，故應(yīng)合理布置爆破區(qū)域，對(duì)于距爆破區(qū)域較近側(cè)應(yīng)采取減振措施(預(yù)裂或開(kāi)挖減振溝)。

5 結(jié) 語(yǔ)

在浙江仙居抽水蓄能電站開(kāi)挖施工過(guò)程中，通過(guò)適時(shí)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，為開(kāi)挖過(guò)程提供了合理的爆破施工方案和爆破參數(shù)，為控制與優(yōu)化爆破施工參數(shù)提供了理論依據(jù)和支持，使仙居抽水蓄能電站地下廠房的開(kāi)挖施工做到了安全、優(yōu)質(zhì)。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2017-04-23

TV7;TV554;TV52；TV743；TV542

B

1001-2184(2017)03-0024-04

陳俊濤(1983-)，男，河南三門峽人，項(xiàng)目經(jīng)理助理，工程師，學(xué)士，從事水電工程施工技術(shù)與質(zhì)量管理工作.