深大調(diào)壓井開挖爆破振動效應(yīng)分析及安全評價(jià)

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

毛兒蓋水電站調(diào)壓室工程采用開敞阻抗式結(jié)構(gòu)，調(diào)壓室井筒為圓形斷面，內(nèi)徑21m，高度為171m。調(diào)壓室段山體雄厚，地表零星分布有崩坡積塊碎石土，基巖為雜谷腦組第一亞層中厚層狀石英砂巖夾深灰色薄層含炭絹云母千枚巖，調(diào)壓井工程地質(zhì)條件見圖1。調(diào)壓井井口以下0～30 m段為強(qiáng)卸荷巖體，巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，巖體松弛，完整性差，呈碎裂結(jié)構(gòu)及散體結(jié)構(gòu)，圍巖類別為Ⅴ類；井口以下30～70m段為弱風(fēng)化巖體，巖體較破碎，呈鑲嵌—碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖類別為Ⅳ類；井口以下70～171m段為微新巖體，巖體完整性中等，呈塊裂—鑲嵌結(jié)構(gòu)，以Ⅲ-2類圍巖為主[1]。調(diào)壓室豎井采取先挖導(dǎo)井，再自上而下擴(kuò)挖井身的施工方法。

圖1 調(diào)壓井工程地質(zhì)剖面圖

2 爆破振動監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方案

為了解開挖爆破施工對已開挖井壁及倒掛混凝土支護(hù)的影響，井筒開挖后期還需了解開挖爆破對井底引水隧洞洞壁的影響，結(jié)合調(diào)壓井豎井開挖情況，爆破監(jiān)測小組分兩個(gè)階段對調(diào)壓井豎井開挖所引起不同部位振動響應(yīng)情況，共進(jìn)行了13組爆破振動監(jiān)測。

第一階段為4月20—30日，針對爆破過程對已開挖井壁及倒掛混凝土支護(hù)的影響情況，對調(diào)壓井高程2038～2047m爆破開挖工程共進(jìn)行了9組爆破振動安全監(jiān)測，取得有效數(shù)據(jù)207點(diǎn)次。爆破質(zhì)點(diǎn)振動測點(diǎn)布置于井內(nèi)爆源上方井壁架設(shè)梯步附近巖壁及混凝土錨桿上，沿梯步螺旋布置，監(jiān)測點(diǎn)距離爆源點(diǎn)的最小豎直距離10m。

第二階段為5月20—26日，針對爆破過程對井底引水隧洞影響，對調(diào)壓井高程2027～2033m爆破開挖共進(jìn)行了4組爆破振動安全監(jiān)測，取得有效數(shù)據(jù)87點(diǎn)次。爆破質(zhì)點(diǎn)振動測點(diǎn)布置于引水隧洞兩側(cè)洞壁頂端，監(jiān)測點(diǎn)距離爆源點(diǎn)的最小水平距離為10m。

圖2 爆破振動測點(diǎn)布置示意圖

2.2 監(jiān)測成果

根據(jù)兩個(gè)階段的開挖爆破監(jiān)測成果(見表1)，針對不同圍巖類別，提出深大調(diào)壓井Ⅳ、Ⅴ類圍巖段10cm/s、Ⅲ類圍巖段20cm/s的爆破振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)。爆破振動實(shí)測結(jié)果和現(xiàn)場觀測表明：調(diào)壓井開挖爆破的質(zhì)點(diǎn)振動速度基本控制在安全范圍內(nèi)，未對井壁巖體和襯砌混凝土造成危害。

表1 爆破振動監(jiān)測最大峰值振動速度

續(xù)表

2.3 爆破振動效應(yīng)分析

采用前蘇聯(lián)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式作為峰值質(zhì)點(diǎn)振動速度衰減規(guī)律的回歸方程[2]，即

v=K(Q1/3/R)α

式中v——峰值質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm/s；

Q——單響最大藥量，kg；

R——爆心距或波行距，m；

K、α——回歸系數(shù)，與地形地質(zhì)條件及爆源類型有關(guān)。

通過對爆破振動監(jiān)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將峰值質(zhì)點(diǎn)振動速度測值、測點(diǎn)距爆心距離以及相應(yīng)單響裝藥量用最小二乘法進(jìn)行分析，得到了水平徑向、水平切向及豎直向質(zhì)點(diǎn)振動速度傳播規(guī)律：

水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動速度v水平徑=52.6(Q1/3/R)1.29；

水平切向質(zhì)點(diǎn)振動速度v水平切=86.0(Q1/3/R)1.45；

豎直向質(zhì)點(diǎn)振動速度v豎直=40.3(Q1/3/R)1.13。

通過現(xiàn)場爆破振動跟蹤監(jiān)測，統(tǒng)計(jì)分析爆破振動實(shí)測數(shù)據(jù)，得到了各方向的質(zhì)點(diǎn)振動速度傳播規(guī)律，以及振動對已開挖井壁及倒掛混凝土支護(hù)穩(wěn)定性的影響，及時(shí)向設(shè)計(jì)部門、施工企業(yè)反饋爆破振動的信息，從而為調(diào)整施工方案及采用合理的爆破振動控制措施提供直接可靠的依據(jù)。

3 爆破安全評價(jià)

3.1 峰值振速

豎井開挖爆破施工過程中，質(zhì)點(diǎn)振動速度高差效應(yīng)較為明顯，在爆源上方的一定范圍內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)振動速度出現(xiàn)基本不衰減的現(xiàn)象。另外，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動速度的大小是震源作用的程度、介質(zhì)對地震波的傳遞特性、質(zhì)點(diǎn)對振動的響應(yīng)程度等多種因素共同作用的結(jié)果。介質(zhì)特性對爆破有直接的、明顯的影響，同時(shí)，臨空面的大小對爆破振動影響較大。

爆破振動實(shí)測結(jié)果表明：超過允許振速的有5點(diǎn)次，占總監(jiān)測點(diǎn)次(294點(diǎn)次)的1.70%，其中，豎井巖壁上超過允許振速(15cm/s)的有4點(diǎn)次，占巖壁監(jiān)測點(diǎn)次總數(shù)(138點(diǎn)次)的2.90%；引水隧洞超過允許振速(15cm/s)的有2點(diǎn)次，占巖壁監(jiān)測點(diǎn)次總數(shù)(87點(diǎn)次)的2.30%；混凝土襯砌上的測點(diǎn)未出現(xiàn)超過允許振速(10cm/s)的情況。由此可見，調(diào)壓井開挖爆破的質(zhì)點(diǎn)振動速度基本控制在安全范圍內(nèi)，現(xiàn)場觀測資料表明，未對井壁巖體和襯砌混凝土造成危害。

3.2 質(zhì)點(diǎn)振動頻率

爆破所產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動為隨機(jī)振動過程，為研究爆破振動波的能量分布情況，從頻譜分析中發(fā)現(xiàn)爆破振動產(chǎn)生的頻率極為豐富，但其能量集中在29～180Hz范圍內(nèi)，而天然構(gòu)筑物或建筑物的固有頻率小于20Hz[3]。一般的受迫振動彈性結(jié)構(gòu)中位移的放大系數(shù)為

MF=[1-(f/fn)2]-1

式中MF——振動位移的放大系數(shù)；

f——外加干擾力的頻率；

fn——結(jié)構(gòu)的固有頻率。

放大系數(shù)隨f/fn而變化，比值相差大，MF就?。槐戎迪嗖钚?，MF就大。即當(dāng)爆破產(chǎn)生的振動主頻率與建筑物的固有頻率越相近時(shí)，對建筑物的危害也越大，反之，則危害小[4]。而調(diào)壓井工程實(shí)測近距離爆破地震信號頻帶較寬，一般在29～75Hz內(nèi)。隨著距離的增加，頻帶寬度變窄，遠(yuǎn)距離一般在44～180Hz。相應(yīng)地，近距離的放大系數(shù)MF絕對值介于0.91～0.077，遠(yuǎn)距離的放大系數(shù)MF絕對值介于0.26～0.013。無論近區(qū)還是遠(yuǎn)區(qū)的放大系數(shù)MF絕對值均較小，未對井壁巖體和混凝土造成危害。

3.3 波延時(shí)間

在地震波傳播過程中，波延時(shí)間的作用主要表現(xiàn)在地震作用下結(jié)構(gòu)超過彈性階段后，增加非彈性變形的破壞積累，加劇結(jié)構(gòu)破壞的程度。實(shí)測巖石介質(zhì)的最長波延時(shí)間為0.18s，混凝土最長波延時(shí)間為0.41s，均未超過1s(結(jié)構(gòu)彈性變形持續(xù)最長的時(shí)間)，未對井壁巖體和襯砌混凝土造成危害。

4 結(jié) 語

電站調(diào)壓井開挖過程中，爆破誘發(fā)的地震波在巖體中傳播，對已開挖井壁及倒掛混凝土支護(hù)將造成振動影響，監(jiān)測結(jié)果表明：調(diào)壓井開挖爆破的質(zhì)點(diǎn)振動速度基本控制在安全范圍內(nèi)，未對井壁巖體和襯砌混凝土造成危害?；诒普駝有?yīng)的研究成果，在深大調(diào)壓井開挖中，采取及時(shí)支護(hù)加固、多分區(qū)短臺階等技術(shù)措施，對于施工安全是必要和有效的。

井挖爆破振動存在明顯的各向異性。一是在相同爆破作用下，相同高程不同部位的質(zhì)點(diǎn)振動速度不相同；二是在相同(或相近)的爆破條件作用下，隨著下挖深度的增加振動速度增大。

豎井內(nèi)監(jiān)測結(jié)果顯示：在爆源上方豎直向的一定范圍內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)振動速度基本不衰減，說明質(zhì)點(diǎn)振動速度高差效應(yīng)較為明顯；混凝土襯砌與爆源相距較遠(yuǎn)，爆破振動對其影響較?。缓笃诒普駝訉ο路揭矶从绊戄^大，振速隨水平距離的增加逐漸衰減。