臺(tái)山核電站爆破開挖基巖損傷分析及控制

姜威振，唐 海，馬諭杰，劉亞群，陽(yáng)生權(quán)，朱帥帥

(1.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭411201；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430071；3.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

礦上、鐵路、核島開挖等大型工程中，都會(huì)用到爆破技術(shù)。為分析爆破過(guò)程中巖體損傷規(guī)律及維護(hù)周圍建筑物的穩(wěn)定性，爆破領(lǐng)域的專家和學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。謝福君等[1]通過(guò)單孔爆破試驗(yàn)與鉆孔超聲波波速試驗(yàn)，得出了巖體完整性與爆破損傷半徑和損傷深度的關(guān)系。賈虎等[2]通過(guò)對(duì)爆炸應(yīng)力波衰減規(guī)律的進(jìn)一步研究，推導(dǎo)出了巖石爆破應(yīng)力損傷范圍計(jì)算公式；楊明山[3]通過(guò)在露天銅礦的多次爆破試驗(yàn)，得出炮孔巖體損傷深度隨炮孔深度增加而增加的規(guī)律；謝冰等[4]以寧德核電站為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)以及數(shù)值模擬獲得了該核電站的振動(dòng)衰減規(guī)律，對(duì)巖體爆破損傷進(jìn)行了初步研究；王海軍等[5]依托南冒山工程項(xiàng)目，根據(jù)現(xiàn)有的爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)方程，分析了爆破施工對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生的振動(dòng)影響，并提出適合本工程的控制爆破措施；崔正榮等[6-8]通過(guò)對(duì)不同環(huán)境下巖體進(jìn)行爆破數(shù)值模擬，獲得了不同地質(zhì)參數(shù)下的巖體損傷規(guī)律。隨著爆破損傷理論的完善與爆破監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展，不少專家將巖體損傷程度與爆破振動(dòng)速度聯(lián)系起來(lái)，應(yīng)用于實(shí)際工程中，夏文俊等[9]通過(guò)白鶴灘水電站現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，建立了壩基巖體損傷與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的關(guān)系；徐鐘等[10]以某隧道鉆爆施工為背景，將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為巖體損傷的判斷標(biāo)準(zhǔn)，并推導(dǎo)出相應(yīng)的爆破損傷計(jì)算公式。

因各工程巖石性質(zhì)、地層構(gòu)造以及分層開挖深度不同，核電站爆破負(fù)挖時(shí)使用的參數(shù)也不盡相同。紅沿河核電站[11]開挖巖體主要為中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖，巖石較為破碎，3層爆破開挖定點(diǎn)控制速度分別為40.53、2.58、1.38 cm/s；寧德核電站[4]巖體主要以花崗巖與流紋巖為主，巖體膠結(jié)性良好，3層爆破開挖定點(diǎn)控制速度分別為5.82、3.04、1.09 cm/s。為使得臺(tái)山核電站核島負(fù)挖爆破工作安全有效進(jìn)行，本文結(jié)合爆破振動(dòng)測(cè)試、聲波試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等方法探究臺(tái)山核電站巖體損傷深度與振動(dòng)速度之間關(guān)系，提出合適的爆破振動(dòng)速度，控制基巖損傷。

1 工程概況

廣東臺(tái)山核電站廠址位于臺(tái)山市赤溪鎮(zhèn)腰古村，距臺(tái)山約44.5 km。廠址東面為黃茅海，其余3面環(huán)山，東南約5 km處為大襟島。臺(tái)山核電站設(shè)計(jì)場(chǎng)平絕對(duì)高程為+8.5 m，核島區(qū)建基面高程為-3.3 m。核電站分3層開挖，開挖區(qū)域?yàn)锳、B、C、D4個(gè)區(qū)域(見圖1)，A區(qū)開挖分層如圖2所示，開挖規(guī)劃如表1所示。

圖1 開挖區(qū)域分布

圖2 A區(qū)開挖分層

表1 區(qū)域開挖規(guī)劃

在第3層負(fù)開挖時(shí)，需預(yù)留保護(hù)層確保基建面巖體的完整性。預(yù)留保護(hù)層采用孔底設(shè)柔性墊層，根據(jù)紅沿河核島負(fù)挖工程、寧德核島負(fù)挖工程和陽(yáng)江核島負(fù)挖工程[12]施工經(jīng)驗(yàn)以及相應(yīng)學(xué)者的研究,孔底墊設(shè)柔性墊層(如鋸木粉、塑料泡沫、空氣柱等)厚度在0.25 m左右時(shí)(見圖3)，能有效保護(hù)建基面，同時(shí)最大限度地減少底板超挖。

圖3 孔底柔性墊層

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為探究臺(tái)山核電站爆破影響深度與振動(dòng)速度的關(guān)系，參照夏祥[13]的研究方法，在距爆源30 m處設(shè)置振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)聲波試驗(yàn)得到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，推出距爆源30 m處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與損傷深度之間的函數(shù)關(guān)系。

2.1 試驗(yàn)方法及先聲波孔布置

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)爆破影響深度的測(cè)定通過(guò)聲波試驗(yàn)進(jìn)行，聲波試驗(yàn)炮孔布置如圖4所示，選擇其中4個(gè)爆孔兼做聲波孔，聲波孔內(nèi)聲波監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為20 cm，本次試驗(yàn)中聲波孔設(shè)計(jì)深度比炮孔深度超深2～3 m。在開始爆破前，先進(jìn)行巖體波速試驗(yàn)，連接設(shè)備如圖5所示，測(cè)得巖石損傷前的聲波傳播速度C0，在炮孔超深段填滿細(xì)沙之后，再在炮孔填充炸藥進(jìn)行爆破，測(cè)得巖石損傷后聲波傳播速度C。距爆源30 m處設(shè)置速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)。

圖4 炮孔布置

圖5 監(jiān)測(cè)設(shè)備連接

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程技術(shù)規(guī)范》，采用巖體聲波波速在爆前爆后的變化率η來(lái)判定爆破荷載作用下巖體的破壞程度[14]：

(1)

式中：C0為巖體爆前聲波波速，m/s；C為巖體爆后聲波波速，m/s。當(dāng)巖體聲波波速變化率η>10%時(shí)，可得出該巖體由于爆破作用產(chǎn)生損傷。

本次聲波試驗(yàn)共進(jìn)行了6組爆破，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 聲波試驗(yàn)結(jié)果匯總

3 數(shù)值模擬

為得到30 m處爆破振動(dòng)衰減規(guī)律與巖體損傷深度之間的規(guī)律，本次數(shù)值模擬運(yùn)用LS-DYNA、FLAC3D以及3DEC 3種程序相結(jié)合的方法，充分發(fā)揮各個(gè)模擬軟件的優(yōu)勢(shì)功能，其中LS-DYNA應(yīng)用于計(jì)算炸藥爆破荷載，然后將爆破荷載導(dǎo)入FLAC3D和3DEC中，其中FLAC3D模擬巖體在爆炸荷載作用下的巖體損傷規(guī)律，3DEC使用FLAC3D相同的單孔炸藥量，用于模擬爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。

3.1 核島巖體特性

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告可知，臺(tái)山核電站基礎(chǔ)以下巖體的節(jié)理裂隙面以高傾角為主，主要發(fā)育走向70°～80°方向、走向270°～290°方向和走向11°～30°方向三組節(jié)理。巖石地質(zhì)情況為微風(fēng)化花崗巖，巖石計(jì)算模型選擇LS-DYNA中的*MAT_SOIL_AND_FOAM，適用于有產(chǎn)生變形場(chǎng)合的巖土類型材料，通過(guò)一系列巖石試驗(yàn)，得出以下巖石力學(xué)參數(shù)。

表3 巖石力學(xué)參數(shù)

3.2 LS-DYNA數(shù)值模擬

LS-DYNA模擬巖體的爆炸荷載，模型中考慮了炮孔不同裝藥量的情況，計(jì)算中假定單段藥量均裝在1個(gè)炮孔中。巖體爆炸計(jì)算模型立面及其對(duì)應(yīng)的平面網(wǎng)格如圖6、圖7所示。模型的建立與網(wǎng)格的劃分均使用ANSYS軟件，為方便計(jì)算，本次巖體計(jì)算模型為1/4部分圓柱，圓柱高度以及截面半徑均為10 m，炮孔半徑為25 mm，裝藥的半徑及其長(zhǎng)度隨藥量進(jìn)行調(diào)整。爆破模型下邊界進(jìn)行全約束；其左右邊界采取對(duì)稱約束，約束其水平位移；圓柱的周圍采取了無(wú)條件反射邊界，使爆破波無(wú)限傳播，模擬更加接近實(shí)際受力狀態(tài)。

圖6 巖體爆炸計(jì)算模型立面

圖7 平面網(wǎng)格

炸藥材料選擇LS-DYNA中的自帶的8號(hào)材料*HIGH_EXPLOSIVE_BURN，并采用JWL狀態(tài)方程模擬爆炸，炸藥爆炸狀態(tài)方程[15]為

(2)

式中:peos為由JWL狀態(tài)方程決定的壓力，Pa；A，B，R1，R2，ω均為與炸藥相關(guān)的材料常數(shù)；V為相對(duì)體積；E0為初始比內(nèi)能，Pa；本次計(jì)算中采用的各參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表4所示。

表4 炸藥參數(shù)

利用上述模型計(jì)算得到的炸藥起爆后不同時(shí)刻周圍巖體應(yīng)力波的分布情況如圖8所示，LS-DYNA求得爆破荷載將導(dǎo)入FLAC3D中，模擬炮孔圍巖損傷深度與炮孔炸藥量的關(guān)系。

圖8 巖體爆炸應(yīng)力波分布

3.3 FLAC3D數(shù)值模擬

為研究不同裝藥量即不同爆炸荷載對(duì)核島基礎(chǔ)下臥基巖的影響深度，F(xiàn)LAC3D計(jì)算模型中考慮了各種最大段裝藥量的情況。計(jì)算時(shí)巖體模型采用莫爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，巖體損傷范圍的計(jì)算采用了目前國(guó)內(nèi)外常用的巖體爆炸損傷模型[16]。

巖體損傷模型采用率相關(guān)的本構(gòu)方程為[17]

(3)

式中：σfi為巖石破碎應(yīng)力；Dfi為材料破碎時(shí)的損傷變量；σsti為巖石靜態(tài)抗拉強(qiáng)度；Ei為彈性模量；Cdfi對(duì)應(yīng)于巖體開裂應(yīng)力的裂紋密度；ε為巖石單軸拉伸應(yīng)變率；αi、βi與材料有關(guān)的常數(shù)。

巖體動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度大于靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，大約等于應(yīng)變率的三次方根[18]，βi值可取2。參數(shù)α取1.8×106、Dfi取0.25。

計(jì)算步驟：首先導(dǎo)入由DYNA計(jì)算得到的巖體爆炸荷載，施加于巖體損傷模型爆孔邊界。巖體影響范圍的數(shù)值計(jì)算模型如圖9所示，模型尺寸與計(jì)算巖體爆炸荷載時(shí)的相同。爆破模型在FLAC3D數(shù)值模擬情況下巖體的影響范圍如圖10所示，可測(cè)出一定爆炸荷載作用下的巖體影響深度和影響半徑。

圖9 FLAC3D模擬計(jì)算模型

圖10 巖體影響范圍模擬

炸藥起爆后不同時(shí)刻(分別為0.5 ms時(shí)和1 ms時(shí))巖體影響范圍的分布情況如圖11所示。若起爆后一定時(shí)間巖體的影響范圍不再變化或變化足夠小，說(shuō)明這時(shí)巖體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的影響范圍即為最終結(jié)果。

圖11 巖體爆炸不同時(shí)刻的影響范圍分布

改變爆炸藥量，得到一系列最大段藥量情況下巖體影響深度與藥量的關(guān)系(見表5)，并與現(xiàn)場(chǎng)聲波試驗(yàn)相比較(見圖12)。

表5 FLAC3D模擬結(jié)果

圖12 最大段藥量-損傷深度變化

使用Oringin軟件擬合出臺(tái)山核電站最大段藥量開三次方后與損傷深度關(guān)系的回歸方程：

(4)

式中：H為孔底損傷深度，m；Q為最大段裝藥量，kg。

3.4 3DEC數(shù)值模擬

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖體特性和地形地貌特征，采用3DEC離散元可以較好地模擬巖體在爆炸荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。3DEC數(shù)值模擬模型根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況所建立，模型尺寸為218 m×113 m×60 m。巖體模型采用庫(kù)倫摩爾模型，節(jié)理力學(xué)模型采用庫(kù)倫滑動(dòng)模型，模型四周及底面均采用黏性邊界[19]。節(jié)理裂隙面以高傾角為主，主要發(fā)育走向70°～80°方向、走向270°～290°方向和走向11°～30°方向3組節(jié)理，無(wú)軟弱充填，未開挖模型和已開挖一層模型如圖13所示。

圖13 3DEC離散型模型

炮孔藥量的取值和FLAC3D模擬藥量相同，通過(guò)改變炮孔裝藥量，得到一系列裝藥量情況下距爆源30 m處的巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨裝藥量的變化規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。最大段藥量為20.7 kg時(shí)模擬計(jì)算得到的距爆源30 m處巖體質(zhì)點(diǎn)水平徑向和垂直向振動(dòng)速度曲線如圖14所示，可得峰值振動(dòng)速度分別為4.21、3.09 cm/s，同最大段藥量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分別為4.36、3.68 cm/s。數(shù)值計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果略小，從爆破振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)的制定來(lái)講是偏于安全的。3DEC具體模擬結(jié)果如表6所示。

圖14 振動(dòng)速度-時(shí)間

表6 3DEC數(shù)值模擬結(jié)果

圖15 藥量-距爆源30 m振動(dòng)速度變化

基于薩道夫斯基公式，使用Origin軟件求出臺(tái)山核電站最大段藥量開三次方后與距爆源30 m處振動(dòng)速度關(guān)系的回歸方程：

(5)

式中：v30 m為距爆點(diǎn)30 m處質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度，cm/s；Q為最大段藥量，kg。

4 巖石爆破參數(shù)的確認(rèn)

數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)聲波試驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

圖16 損傷深度-距爆源30 m振動(dòng)速度變化

根據(jù)聲波試驗(yàn)以及數(shù)值模擬所得的數(shù)據(jù)，使用Origin軟件求出臺(tái)山核電站損傷深度與距爆源30 m處振動(dòng)速度關(guān)系的回歸方程：

v30 m=1.359 8e0.681 2h

(6)

式中：v30 m為距爆源30 m處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；h為影響深度，m。

將核島區(qū)爆破開挖時(shí)各分層允許的最大影響深度代入回歸方程(6)即可得到各層距爆源30 m處的巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度控制值。

由表1得出，第①層(A區(qū)域、B區(qū)域、C區(qū)域、D區(qū)域)開挖完成后，離基建面距離最小為3.55 m，令式(6)中h=3.55 m，得v30 m=15.27 cm/s。為保證基巖不受損傷，建議爆破開挖安全控制參數(shù)值取為30 m處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不超過(guò)10 cm/s。

第②層開挖完成后，離基建面距離最小為1.05 m，根據(jù)式(6)，當(dāng)h=1.05 m時(shí)，有v30 m=2.78 cm/s。因此，建議核島區(qū)第二層爆破開挖時(shí)基巖爆破開挖安全控制參數(shù)值取30 m處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不超過(guò)2.5 cm/s。

進(jìn)行第③層(保護(hù)層)開挖時(shí)，為減小對(duì)建基面的損傷，要求爆孔底部預(yù)留一定厚度的柔性墊層，然后裝藥起爆。根據(jù)之前核電站開挖經(jīng)驗(yàn)及相應(yīng)學(xué)者的研究結(jié)果，取柔性墊層厚度為0.25 m，即在影響深度最大容許值為0.25 m的情況下，根據(jù)式(6)可得距爆源30 m處巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為v30 m=1.61 cm/s。建議爆破開挖安全控制參數(shù)值取為30 m處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不超過(guò)1.5 cm/s。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制

通過(guò)爆前、爆后聲波試驗(yàn)以及數(shù)值模擬方法得出了臺(tái)山核電站巖體影響深度與距爆源30 m處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之間的關(guān)系，臺(tái)山核電站負(fù)開挖工作以式(6)為參考，通過(guò)振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整炮孔裝藥量，對(duì)炮孔藥量進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保爆破造成的巖體損傷深度未達(dá)到建基面(見圖17、18)，臺(tái)山核電站爆破開挖監(jiān)測(cè)如表7所示。

圖17 核島反應(yīng)堆爆破成型

圖18 基建面

表7 臺(tái)山核電站爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

1)巖體爆破開挖時(shí)，巖體損傷深度隨最大段藥量的增加呈冪函數(shù)增加，而距爆源30 m處振動(dòng)速度與最大段藥量所擬合函數(shù)符合薩道夫斯基公式形式。

2)臺(tái)山核電站基巖損傷深度與距爆源30 m處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度滿足函數(shù)：v30 m=1.359e0.6812h，當(dāng)?shù)?層、第2層、第3層爆破開挖后，距基建面深度分別為3.55、1.05、0.25 m時(shí)，為保證基巖的完整性，距爆源30 m處巖體爆破振動(dòng)速度不應(yīng)超過(guò)10.0、2.5、1.5 cm/s。

3)在其他爆破工程開挖中，也可通過(guò)數(shù)值模擬和聲波試驗(yàn)求出損傷深度與特定點(diǎn)振動(dòng)速度的函數(shù)式，通過(guò)監(jiān)測(cè)特定點(diǎn)的峰值速度，來(lái)預(yù)估爆破點(diǎn)下?lián)p傷深度，進(jìn)而調(diào)整爆破控制參數(shù)。