红沿河核电站基岩爆破的控制标准*

夏 祥,李海波,张大岩,王新远,李俊如

（1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉 430071;

2.中国电力投资集团公司,北京 100032;

3.中广核工程有限公司,广东 深圳 518031）

1 引 言

水电、核电等工程在进行基岩爆破开挖时,炸药爆炸产生的冲击波将造成下卧岩体不同程度的损伤,影响下卧岩体力学性能,危及工程安全。为此,必须严格控制爆破施工,确保爆破荷载作用下下卧岩体损伤在允许的范围内。目前,关于爆破荷载作用下岩体损伤控制方面的研究主要集中在爆炸振动在岩体中的传播规律及岩体损伤特征的分析方面。

基于现场监测和数值分析,有了描述描述振动速度衰减规律的萨道夫斯基公式、兰格弗尔斯公式[1],WU Cheng-qing等[2]、G.W.Ma等[3]和S.G.Chen等[4]进一步分析了爆源近区和远区的爆破振动衰减规律以及节理对爆破振动的影响。在爆炸荷载作用下岩体损伤特征的研究方面,夏祥等[5]、李俊如等[6]和朱传云等[7]根据水利行业标准SL 47-94《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》,通过分析岩体爆后与爆前声波波速的变化率分析了爆破荷载作用下岩体损伤区特征。D.E.Grady等[8]、L.M.Taylor等[9]、J.S.Kuszmaul[10]和LIU Li-qing等[11]基于提出的爆炸动荷载作用下岩体损伤模型,研究了岩体损伤区的形成和发展规律。另外,张继春[12]和蔡德所等[13]对三峡工程的弱风化花岗岩底板进行了现场爆破实验,通过爆破前后的岩体声波对比,认为岩体爆破松裂半径为1.4～2.0 m,松裂深度为0.2～0.7 m,由此确定临界质点振动速度为13.8～16.6 cm/s;黄照平等[14]对白水峪水电站坝区爆破实验数据进行综合分析,认为将水电站现场残留岩体的临界质点振动速度控制在3.5 cm/s以下即可保证残留岩体的稳定性。

在核电工程基岩爆破安全控制方法和标准方面,文献[1]中对岩体损伤深度和爆破振动衰减规律进行了系统分析,初步提出了通过控制距爆源一定距离处的岩体质点峰值振动速度控制岩体损伤深度的方法和标准,在广东岭澳核电站基础开挖爆破控制中取得了很好效果,该控制方法如图1所示。根据该方法,当距爆源30 m处的岩体质点峰值振动速度不超过安全阈值5.0 cm/s时,可保证爆破开挖时岩体损伤深度小于规定值2 m,满足下卧基岩保护的要求[6]。

图1 基础爆破开挖影响范围控制示意图Fig.1 Damage control method in bedrock blasting excavation

虽然文献[1]中初步提出了岩体爆炸损伤的控制方法和标准,但是当岩性条件以及爆破开挖方式发生改变时,上述控制标准不能适应工程的要求。为此,本文中以辽宁红沿河核电站基础爆破开挖工程为例,以爆破振动监测和爆前爆后岩体声波实验为基础,研究核岛内不同区域岩体损伤范围和振动速度关系,确定在不同岩体特征以及允许损伤深度的情况下质点振动速度的控制标准。

2 红沿河核电站工程简介

辽宁红沿河核电站基础爆破开挖现场岩体主要为中风化和微风化花岗岩。根据基础开挖施工方案,核岛基础岩体采用分层爆破方式进行,各层底标高见图2。可见,在进行第2层开挖时,为保护下卧基岩的完整性,允许的最大损伤深度不能超过第3层（保护层）的厚度,即1.15 m。进行保护层开挖时,为减小爆炸对建基面岩体的冲击,爆孔底部0.25 m的高度用柔性填塞物装填,因此第3层爆破时允许的岩体最大损伤深度不超过0.25 m。为此,必须根据爆破施工方案制定岩体分层爆破控制标准。

另外,红沿河核电站核岛区1和核岛区2的岩体力学指标见表1。表中,ρ为密度,Ed为静弹性模量,Gd为静剪切模量,μ为泊松比,σc为抗压强度,σst为抗拉强度,φ为摩擦角,C为粘聚力,cl为纵波波速,ct为横波波速,ξ为阻尼比。可见基坑内各区域岩体力学性能相差较大。因此,对于不同区域,岩体爆炸安全控制标准也应分别取值。由文献[1],控制标准确定为距爆源30 m处的岩体振动速度。

表1 红沿河核电站岩体力学参数Table 1 Mechanical properties of rock mass for Hongyanhe nuclear power plant

结合红沿河核电站的实际情况,基岩爆破时进行核岛内不同区域的岩体声波实验,同时监测30 m处质点振动速度,根据声波实验得到的岩体损伤范围与质点振动速度之间的关系,分析制定各层各区域的岩体爆炸振动控制参数。

3 声波实验

根据SL 47-94,采用岩体声波波速在爆破前后的变化率判定爆破荷载作用下岩体的破坏程度

式中:c0为岩体爆前声波波速;c为岩体爆后声波波速。同时,规范规定,当η＞10%时,可以判定岩体力学性能受爆破影响大。

图3 声波实验布置示意图Fig.3 Arrangement of sonic wave testing holes

图4 声波孔测试结果Fig.4 Sonic wave speed of rock mass with depth

根据上述思路,在核岛区1、2各开挖层分别进行爆破前后的岩体波速实验,实验布置如图3所示。爆区内选择若干爆孔超深约2 m,兼作声波测试孔。爆前量测声波测试孔各测点波速,然后将孔底超深部分填塞至爆孔设计深度,与其他爆孔同时起爆。爆后清理孔底充填物,对测试孔超深部分进行爆后声波测试,统计爆前爆后岩体波速变化率,从而确定岩体的损伤特征。

图4为典型的声波波速变化曲线,图中,η=10%时的孔深即为该测试孔处的岩体损伤深度。

4 岩体爆炸振动监测

爆破振动测点及监测站布置如图5所示。每次爆破前,在距爆源不同距离处布设若干测点,监测各测点的振动速度,分析场区爆破振动衰减规律。图6为距爆源30 m处的岩体振动速度曲线。

图5 测点及测站布置Fig.5 Monitoring system of blast vibration

图6 现场监测得到的岩体质点振动速度Fig.6 Velocity histories of rock mass by blasting

5 岩体爆炸振动控制参数

表2～3分别为核岛区1、2各次爆炸实验对应的装药量、距爆源30 m处的岩体损伤深度d和质点振动速度v的结果。表中,Q为总装药量,q为段装药量。由表可见,当总装药量和最大段装药量增大时,岩体振动速度和损伤深度也增大,但是他们之间的函数关系并不明显。例如,当总装药量或段装药量相同时,岩体振动速度和损伤深度也存在一定差异。这是由爆破技术、装药方式等因素的不同形成的。相反地,质点振动速度和损伤深度之间却有比较明显的单调函数关系,见图7。因此通过监测距爆源一定距离处的岩体振动速度控制爆炸损伤深度的方法是可行的。

表2 核岛区1岩体的爆炸损伤、振动速度结果Table 2 Results of damage zone depth and vibration velocity in nuclear island 1

表3 核岛区2岩体的爆炸损伤、振动速度结果Table 3 Results of damage zone depth and vibration velocity in nuclear island 2

图7 核岛区岩体振动速度与损伤深度的关系Fig.7 Relationship between vibration velocity and damage zone depth in nuclear islands

核岛区1、2岩体振动速度与损伤深度之间的关系可以分别用经验公式拟合

式中:v1、v2分别为核岛区1、2距爆源30 m处岩体质点振动速度,cm/s;d为岩体的损伤深度,m。核岛区允许的损伤深度为1.15 m和核岛区底层保护层允许的损伤深度为0.25 m时,核电站基岩爆破控制参数见表4。

表4 红沿河核电站基岩爆破控制参数Table 4 Control parameters of blast vibration at Hongyanhe nuclear power plant

图8 核岛区基础爆破开挖成形图Fig.8 The bedrock of nuclear island after blasting excavation

基于上述的控制方法和标准,对核岛基础爆破开挖进行了长期跟踪监测。通过振动速度监测结果控制爆破药量,优化爆破网络,核岛基岩力学性能保持良好,成形完美,见图8。该控制方法和标准可以有效控制开挖爆破对基岩的损伤影响,确保保留基岩的安全。

6 结 论

以辽宁红沿河核电站一期工程核岛基础爆破为依托,根据核岛区岩体特性和爆破开挖分层情况,进行了声波实验和岩体爆炸振动监测,分析了岩体振动速度和损伤区特征,提出了适合工程特殊情况的岩体爆破振动控制方法和标准。

（1）爆炸荷载作用下的岩体振动速度和损伤区大小均随装药量增大而增大,但对应关系并不明显;相反地,岩体振动速度与损伤深度存在单调的函数关系。因此,通过监测岩体振动速度来控制爆炸损伤深度的方法是合适的。

（2）在核电站等工程中进行基础爆破时,考虑到岩性以及爆破开挖方式的差异,爆破振动控制标准应分层、分区分别取值。红沿河核电站的工程应用表明,该控制方法和标准可以有效控制开挖爆破对基岩的影响,确保保留基岩的安全。

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