湛江國儲地下水封洞庫工程主洞室頂拱層開挖爆破試驗研究

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(1. 四川中良建筑工程有限公司，成都 610000； 2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)、快速發(fā)展，以石油為代表的能源缺口越來越大。鑒于地下儲油(氣)庫具有安全性能高、投資省、損耗少、運營管理費用低、使用壽命長、污染小等優(yōu)點[1-2]，目前國家正在沿海地質(zhì)條件優(yōu)良的場區(qū)規(guī)劃和建設(shè)多個大型地下儲油(氣)工程。

這些大型地下洞庫一般采用鉆爆法開挖。其爆破施工除了一般地下洞室開挖的基本特性外，還具有如下特點[3-4]：洞庫不襯砌，僅采用錨噴處理，對爆破施工的成型效果要求非常高；洞室數(shù)量多且布置緊湊、立體交錯，開挖及支護施工平行作業(yè)，施工干擾較大；施工環(huán)境復(fù)雜，要求在水幕注水環(huán)境下進行主洞室的施工。因此爆破施工安全控制是大型地下儲油(氣)庫開挖過程中需要解決的關(guān)鍵問題之一。

為了確保地下儲油(氣)庫開挖的施工安全，在爆破開挖前期需開展爆破試驗，以優(yōu)化爆破設(shè)計、改進施工方法。本文以湛江地下水封石油洞庫工程頂拱層開挖為依托，通過現(xiàn)場爆破試驗獲取圍巖振動及損傷監(jiān)測數(shù)據(jù)，對爆破荷載作用下洞庫圍巖影響進行安全評價，從而指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)爆破設(shè)計及施工。

2 工程概況

湛江國家石油儲備地下水封洞庫工程位于廣東省湛江市廉江市良垌鎮(zhèn)，本工程包括地下工程和地上輔助設(shè)施2部分，設(shè)計石油儲備庫容500×104m3。地下工程主要由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)及施工巷道等組成。其中主洞室群由10條主洞室組成，設(shè)計長度均為923 m，設(shè)計洞跨20 m，洞高30 m，截面形狀為直墻圓拱形。主洞室壁與相鄰施工巷道壁之間設(shè)計凈間距為30 m，2個相鄰主洞室之間設(shè)計凈間距為40 m。洞室范圍內(nèi)主要為微風(fēng)化—微風(fēng)化片麻狀花崗巖，裂隙較發(fā)育—不發(fā)育，巖體完整，圍巖穩(wěn)定性好，也有局部裂隙發(fā)育，巖體破碎。

主洞室分4層開挖，分層見圖1。Ⅰ層為頂拱層，高度8.5 m，主要開挖程序為先開挖中導(dǎo)洞，再擴挖，見圖2。采用手風(fēng)鉆鉆孔，設(shè)計輪廓光面爆破，Ⅰ、Ⅱ級圍巖洞段正常排炮循環(huán)進尺3.5 m，支護滯后開挖30 m；Ⅲ級圍巖洞段排炮循環(huán)進尺3.0 m，Ⅳ級圍巖洞段排炮循環(huán)進尺2.0 m。

圖1 主洞室開挖分層圖Fig.1 Layered excavationof the major cavern圖2 頂拱層開挖程序圖Fig.2 Excavationprocedure of the vault layer

表1 中導(dǎo)洞開挖爆破試驗參數(shù)Table 1 Blasting test parameters for the excavation of middle guide tunnel

表2 兩側(cè)擴挖爆破試驗參數(shù)Table 2 Blasting test parameters for expanded excavations of two sides

3 試驗爆破參數(shù)

3.1 中導(dǎo)洞爆破設(shè)計

中導(dǎo)洞掏槽部位布置2排鍥形掏槽孔，頂部周邊孔間距采用55 cm，最小抵抗線長度60 cm。光爆孔裝藥線密度分別采用100 g/m。炸藥單耗取1.10 kg/m3。根據(jù)相應(yīng)的巖石條件進行爆破試驗，典型炮孔布置見圖3，Ⅰ、Ⅱ類爆破試驗參數(shù)見表1，其他類巖體在此參數(shù)基礎(chǔ)上進行調(diào)整。

圖3 中導(dǎo)洞開挖炮孔布置Fig.3 Arrangement of blast hole for the excavation of middle guide tunnel

圖4 兩側(cè)擴挖炮孔布置Fig.4 Arrangement of blast hole for expanded excavations of two sides

3.2 兩側(cè)擴挖爆破設(shè)計

兩側(cè)擴挖采用光面爆破，周邊光爆孔孔間距分別采用50 cm，最小抵抗線長度60 cm。光爆孔裝藥線密度采用100 g/m。炸藥單耗取0.77 kg/m3。根據(jù)相應(yīng)的巖石條件進行爆破試驗，Ⅰ、Ⅱ類巖體爆破試驗參數(shù)見表2，典型炮孔布置見圖4，其他類巖體在此參數(shù)基礎(chǔ)上進行調(diào)整。

4 爆破安全監(jiān)測成果

爆破試驗過程中進行了爆破振動監(jiān)測和爆破前后巖體聲波檢測、爆破效果宏觀調(diào)查。

為監(jiān)測開挖爆破對已成型洞室的影響，在掌子面前一定范圍內(nèi)靠近洞壁的基巖上布置爆破振動監(jiān)測點，每次爆破一般布置4～5個振動監(jiān)測點，測點布置見圖5。必要時，在相鄰洞靠爆區(qū)一側(cè)也布置1～2個振動監(jiān)測點，以監(jiān)測爆破對相鄰洞的影響。

圖5 爆破振動監(jiān)測測點布置Fig.5 Layout of blasting vibration monitoring points

為了分析圍巖的爆破影響深度，需進行爆破前后的聲波檢測。從爆區(qū)掌子面鉆斜向的聲波孔或者從側(cè)向垂直于邊墻鉆孔，穿過爆區(qū)到達保留壁面，穿過邊墻壁面5 m，全孔深約10 m，孔徑76 mm。一組聲波孔包含3個相互平行的鉆孔，孔間距為1.0～1.2 m，如圖6所示。

圖6 聲波孔布置Fig.6 Layout of sonic wave monitoring holes

4.1 振動監(jiān)測結(jié)果及分析

爆破試驗典型振動波形圖見圖7,典型爆破試驗振動監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。x,y,z向分別表示平行洞軸向、垂直洞軸向、豎直向。

圖7 典型爆破振動波形圖Fig.7 Typical blasting vibration waveforms

由表3可以看出，絕大部分測點的爆破振動峰值速度均<5.0 cm/s，爆破振動主頻均>50 Hz。由圖7可以看出，各爆破段振動基本分開，爆破段振動未產(chǎn)生明顯疊加。主洞爆破時監(jiān)測到鄰洞的爆破振動速度在0.75 cm/s之內(nèi)，振速較小，主振頻率均在50 Hz以上，該頻率遠(yuǎn)大于洞室自振頻率，洞室不會因共振而受到破壞。各洞室爆破對鄰洞的影響各不相同，實測振動值均較小，表明各洞室交替爆破開挖不會對鄰近洞室產(chǎn)生危害。

目前國內(nèi)普遍采用薩道夫斯基公式預(yù)測爆破振動衰減規(guī)律，即

(1)

式中：v為峰值質(zhì)點振動速度(cm/s)；Q為單響藥量(kg)；R為爆心距(m)；K，α均是與爆破方法、場地條件相關(guān)的系數(shù)，且與爆破方式、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破點至計算點間的地形、地質(zhì)條件密切相關(guān)。

表3 典型爆破試驗振動監(jiān)測結(jié)果Table 3 Monitored vibration data of typical blasting tests

采用經(jīng)薩道夫斯基公式對爆破試驗實測爆破振動數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到爆破振動衰減規(guī)律如下(樣本數(shù)=29)。

平行洞軸向：

(2)

垂直洞軸向：

(3)

豎直向：

(4)

式中r為相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)爆破振動衰減經(jīng)驗公式推算得到最大單段藥量預(yù)報公式為

Qmax=[R(V允/K)1/α]3。

(5)

式中：Qmax為最大允許單段藥量(kg)；V允為控制點處允許的安全振速值。

根據(jù)式(5)，若規(guī)定了允許的安全振速值，且某一點至爆源的距離R已知，則可推算出以該點為控制點的最大爆破允許單段藥量。

按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[5]中水工隧洞的控制標(biāo)準(zhǔn)(頻率f≤10 Hz時，允許振速為7～8 cm/s；1050 Hz時，允許振速為10～15 cm/s)，鑒于實測各方向的爆破振動主振頻率f均>50 Hz，取控制標(biāo)準(zhǔn)下限值10 cm/s進行控制，取爆心距R=10 m，則最大單段藥量控制結(jié)果見表4。

表4 頂拱層開挖最大單段藥量控制結(jié)果Table 4 Results of controlling maximum charge weights of single-delay in vault layer excavation

表4中，若無特殊規(guī)定，則應(yīng)取vx，vy及vz對應(yīng)的Qmax值中較小者作為控制的最大爆破單段藥量。故這里采用平行洞軸向振速計算得到Qmax=34 kg作為最大爆破允許單段藥量。

4.2 聲波測試結(jié)果及分析

根據(jù)《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5389—2007)[6]，采用縱波波速變化率η來判定爆破損傷范圍或者評價巖體爆破開挖質(zhì)量的好壞。具體評價標(biāo)準(zhǔn)為：η≤10%，認(rèn)為無影響或影響甚微;10%<η<15%，認(rèn)為影響輕微；η≥15%，認(rèn)為爆破對巖體開挖有影響或巖體開挖質(zhì)量差。規(guī)范中沒有明確控制爆破影響深度范圍，國內(nèi)永久大型地下工程，以大型水電站地下廠房為例，其技術(shù)要求為：爆破影響深度范圍控制在1.0 m以內(nèi)，1.0 m處波速衰減率<10%。地下水封洞庫群與水電站地下廠房洞室群相似度較高，本試驗中以波速降低率10%為基準(zhǔn)，對巖體的損傷程度進行衡量，進而對本試驗的爆破參數(shù)的合理性進行評價和優(yōu)化。

本次試驗在1#主洞左側(cè)邊墻K0+360—380布置3個聲波檢測孔，進行了爆破前、后單孔聲波測試，見圖8。爆破前、后各測線孔深-波速關(guān)系曲線及波速變化率見圖9，其中0 m表示為邊墻輪廓面孔口深度。

圖8 現(xiàn)場聲波檢測照片F(xiàn)ig.8 Sonic wave test on site

圖9 爆破前后單孔聲波速度曲線及波速變化率曲線Fig.9 Curves of sonic wave velocity and velocity change in single hole before and after blasting

對比爆破前、后的單孔聲波速度隨孔深的變化曲線，在開挖輪廓面(光面爆破面)附近，爆后的聲波速度出現(xiàn)了明顯的下降段，這表明輪廓面附近巖體產(chǎn)生了不同程度的損傷。根據(jù)波速變化率10%的損傷閾值，考慮孔斜修正后可以得到不同孔位的爆破影響深度如表5所示。

從表5中可以看出，單孔聲波的爆破影響范圍均<0.4 m，小于國內(nèi)大部分地下工程爆破影響深度的技術(shù)要求(<1.0 m)。

表5 單孔聲波測試爆破影響深度Table 5 Depth of blasting influence of sonic wave tests in single hole

4.3 爆破效果宏觀調(diào)查

爆破宏觀調(diào)查主要是通過爆前爆后對比觀察的方法，對爆區(qū)巖體力學(xué)性質(zhì)、爆破效果以及受保護對象進行描述和評估。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，爆后宏觀效果見圖10。

圖10 爆破效果宏觀調(diào)查結(jié)果Fig.10 Results of macroscopic investigations of blasting effects

由圖10可以看到，直立邊墻炮孔壁無明顯爆生裂隙，光面半孔明顯，半孔率達到90%以上。表明目前采用光爆孔線裝藥密度較合理，綜合炸藥單耗較合理，能夠取得較好光面效果及滿足挖運的爆渣塊度。

5 結(jié) 論

通過現(xiàn)場爆破試驗獲取圍巖振動及損傷監(jiān)測數(shù)據(jù)，對爆破荷載作用下洞庫圍巖影響進行安全評價，得到主要結(jié)論如下：

(1)爆破試驗后，爆破開挖質(zhì)量較好，爆破振動及爆破影響深度控制較好，表明試驗采用的光爆孔線裝藥密度及鉆爆參數(shù)基本合理。

(2)主洞爆破時監(jiān)測到爆破振動速度(主洞及鄰洞)峰值小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的安全允許振速值。主振頻率大于洞室自振頻率，洞室不會因共振而受到破壞。各洞室交錯爆破開挖，有利于控制主洞開挖爆破振動對鄰洞的影響。

(3)計算得到最大爆破允許單段藥量為34 kg，后期生產(chǎn)爆破試驗中，需進一步控制最大單段藥量。