锦屏一级水电站左岸抗力体爆破开挖振动监测总结

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(长江科学院 岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

雅砻江锦屏一级水电站大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高305 m，承受荷载大，坝体应力高，因而对坝基抗力体要求较高[1]。它是较云南小湾水电站施工条件更为复杂的混凝土双曲拱坝工程，工程地质条件差，施工难度大，施工环境复杂[2-3]。基础处理分1 885 m，1 829 m，1 785 m，1 730 m，1 670 m高程5层布置，锦屏一级水电站左岸抗力体标段范围内出露的基岩为中上三叠统杂谷脑组第二段(T2-3z2)大理岩和第三段(T2-3z3)变质砂岩、粉砂质板岩，另外还可见少量后期侵入的煌斑岩脉(X)。1 735 m高程以上坝基及抗力岩体质量较差，主要发育断层f5，f8，煌斑岩脉(X)及在1 680 m高程以上发育深部裂隙(IV2类岩体)等软弱岩带(结构面)，其工程地质性状差，水平埋深大。

爆破开挖是建设地下工程的第一道工序，它的成败与好坏直接影响到围岩及后续工序的施工进行[4]。中国水电十四局从施工的角度给出了锦屏一级左岸抗力体的施工措施，对于IV类、V类围岩，主要遵循“短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”的指导思想[5]，长江水利委员会监理中心从施工安全及监理的角度给出了锦屏一级左岸抗力体施工监理的主要方法和控制措施[6]。类似工程中，有小湾水电站抗力体的开挖，中国水电十四局与长江科学院合作，进行小湾水电站抗力体爆破试验，给出了适用于小湾水电站抗力体的振动衰减规律[7-8]。成都理工大学采用水电围岩分类的方法对抗力体洞室进行围岩分类，并给出了采用多点位移计及锚杆应力计等静态观测资料的图表[9]，但是锦屏一级左岸抗力体的爆破振动监测的文献并未见到。长江科学院在锦屏一级水电站通过近1 a内40余次的振动监测，积累了大量的实测振动资料。在此基础上，本文给出了左岸抗力体各种洞室沿其振动最大方向的爆破振动传播规律，并提出了监测中的振动控制重点部位，以及降低振动效应的相关措施，对确保施工期安全及类似工程具有参考意义。

2 爆破情况综述

抗力体爆破监测的部位有排水洞、灌浆洞、抗剪洞、置换洞。可以分为平洞开挖、斜井开挖。

水工平洞开挖，一般采用全断面开挖法和台阶开挖法。断面尺寸较小，高度不超过6 m的平洞，宜采用全断面开挖法。在左岸基础处理工程中，断面尺寸较小的大坝坝基排水洞，帷幕灌浆洞，固结灌浆洞，大坝坝基排水洞和帷幕灌浆洞的连通段，抗力体排水平洞，一般均采用全断面开挖。在大坝坝基排水洞的开挖过程中，为加快进度，也曾采用过开挖下部2个进尺后，一次爆掉顶部的光爆层。

平洞开挖中，对于断面尺寸较大的抗剪洞、f5断层平洞、煌斑岩脉平洞，采用台阶开挖法。顶拱部分采用与全断面开挖法类似的孔网参数，而下部一般采用水平抬动的方式进行开挖。

对于斜井开挖，水工竖井、斜井常规开挖有自上而下全断面法和导井法，施工安全是方案选择的重点和难点，目前的施工开挖中常用的机械设备是手风钻，本工程斜井开挖采用的是导井法，使用反井钻开挖主要优点是井壁光滑均匀，围岩稳定性基本不受影响，节省人力，施工安全，钻孔速度快。其原理是钻机自上而下钻先导孔，导孔贯通后自下而上利用转头旋转产生的挤压滚削力将岩石破碎成孔，并能扩孔成型，直径1.4 m，然后采用钻爆法自上而下扩孔至全断面，从直径1.4 m的导井溜渣到井底出渣。施工流程为: 施工准备→测量放样→钻孔→爆破→安全处理→扒渣→下一循环。

3 爆破振动测试及成果分析

各次爆破实测峰值振速每个测点测试3个方向。每次一般在掌子面后冲向沿着洞轴线在洞的侧壁布置5个测点。 “洞轴向”即洞轴线方向，“竖直向”即垂直于底板方向，“垂直洞壁向”即垂直于洞壁方向。

3.1 平洞开挖中断面尺寸对振动的影响

对于平洞开挖，在距离爆区相同的情况下的测点振动速度 ，断面尺寸较小的大坝坝基排水洞(宽×高=2.7 m×3.0 m)，一般比断面尺寸较大的帷幕灌浆洞(宽×高=5.1 m×5.6 m)和f5断层平洞(宽×高=9 m×10 m)的要大。这与断面尺寸较小的平洞的岩石夹制作用较大、单耗较大有很大的关系。

如表1所示，将主要平洞掏槽孔振动进行对比。

从表1可见，各个平洞的测点距离掌子面距离相等，振动速度相当，但是排水洞的最大单响明显要小于另外2个平洞。 因此断面尺寸、掏槽孔最大单响均会影响振动速度的大小。

表1 主要平洞掏槽孔振动对比

对于大坝坝基排水洞，在距离爆区距离相同的情况下的测点振动速度，最后2次测试的最大质点振动速度明显小于前面若干次的测试。以上各次测试的最大单响药量基本一致，主要的区别在于，后2次的掏槽孔的排距为1.5 m，前期的掏槽孔的排距为1.1 m左右。后2次掏槽孔与洞轴向的夹角要大于前期的夹角，另一原因是减少了每排炮的进尺。可见在药量相当的情况下，合理布置爆破孔网参数，可以显著减小爆破振动效应。

3.2 平洞开挖2个掌子面同时起爆对振动的影响

实际施工过程中，施工单位为了赶进度，会将同一个洞室的2个掌子面同时起爆，当2个掌子面过近时，易导致振动过大。对于此类问题，在大坝坝基排水洞进行了3次相关的测试。2个掌子面的间距分别是3，14，44 m，测点布置在相邻的帷幕灌浆洞洞壁。在距离爆区距离相同的情况下的测点振动速度，前面2次均超过了10 cm/s的控制标准，而后一次在控制标准范围内,如表2 所示。

表2 同一平洞两掌子面同时起爆振动对比

第2次监测中，爆后可见测点所在的帷幕洞的顶拱存在少量掉块，未发现冒顶、宏观破坏现象，这个主要是由于岩性较差，在爆破振动影响下，发生脱落。这个只是局部问题，因为半孔率、平整度等指标均满足要求。从表2中可以看出，当两掌子面相距过近时，不宜同时起爆，建议当两掌子面间距小于30 m时，应避免同时起爆。若一定要同时起爆，为确保安全，减小振动速度，建议其中一个掌子面掏槽孔开始爆破后，间隔110 ms(也就是连接一个Ms5段非电雷管)再起爆另一个掌子面[10]。

3.3 f 5断层平洞及煌斑岩脉平洞的监测情况

对于f5断层平洞，监测数据如表3所示。高程1 730层进行了3次测试，最大质点振动速度发生在第1次的垂直洞壁向，距离掌子面15 m，其值为4.7 cm/s； 高程1 670层f5断层平洞进行了2次测试，最大质点振动速度发生在前一次的垂直洞壁向，距离掌子面15 m，其值为8.1 cm/s，2排雷管段位为Ms1的掏槽孔的排距约为4 m，孔深约为3.5 m，抛掷效果比较好。而后一次监测，爆破的掏槽孔部位与已开挖的帷幕灌浆洞重合，无掏槽孔，因而最大质点振动速度更小，垂直洞壁向3.5 cm/s，均在控制标准以内。

表3 f5断层平洞振动对比

后一次监测的光爆面平整度欠佳，光爆孔间距基本一致，施工中发现本次周边孔采用孔底集中装药方式，未采用光面爆破不耦合方式装药，对于洞室稳定及控制超挖不利，半孔率较低。一般为保证良好的平整度和较高的半孔率，对于顶拱孔应采用导爆索进孔，每3至4孔的导爆索并联，然后连接雷管，优先采用这种方式，或者采用双雷管，一根雷管插入药卷捅到孔底，另一根插入药卷捅到距孔底1 m左右的位置，避免孔底药量过于集中，而中部无药卷的情况。另一方面，对于光爆孔进行了堵塞，而其他孔一般未进行堵塞。实际上，良好的堵塞能阻止爆轰气体产物过早地从孔口冲出，提高爆炸能量的利用率。在施工现场，可以就地取材，将药卷的包装箱纸适当弄湿，用炮棍轻轻塞入20 cm左右为宜。

对于煌斑岩脉平洞，开挖下层中槽部位采用水平抬动孔，最大质点振动速度为5.9 cm/s，一般来讲，下层开挖采用水平抬动孔的振动要小于竖直梯段爆破孔。对于f5断层平洞，煌斑岩脉平洞、均采用台阶法从上至下进行开挖。

3.4 斜井开挖特点及监测结果

高程1 785层的斜井断面尺寸有12 m×5 m(长×宽)和12 m×7 m(长×宽)，由于斜井出渣不能采用大型机械，只能人工扒渣，所以和其他部位相比，有其特殊性，需要严格控制钻孔间距，确保爆破石渣粒径能通过导井，爆渣尺寸大小方便人工清理，防止导井溜渣堵塞。在打钻、爆破、出渣各个环节中，必须要通知好下一层的施工人员，防止出现意外事件。由于断面尺寸较大，先中部开挖(尺寸一般为5.4 m×5.0 m)，如图1(a)；然后再两侧开挖，如图1(b)(单侧尺寸一般为3.3 m×5.0 m)。中部开挖，由于有导洞，不需要掏槽，因此有2个临空面，类似台阶爆破。两侧开挖滞后中部开挖一个台阶，两侧开挖可以一次完成，也可以单侧开挖，根据实际的钻工人数，手风钻数量等因素灵活确定。对于岩性较差，容易卡钻的煌斑岩脉，两侧开挖采用水平抬动孔开挖较沿井轴线方向的斜孔有利，因为水平抬动孔卡钻后容易拔出，而斜孔则卡钻后不容易拔出，影响施工速度。

(a) 中部起爆

(b) 单侧起爆

煌斑岩脉斜井测试中，测点一般布置在与斜井相邻的固结灌浆洞，或者是在斜井洞口附近。每次最大质点振动速度均在5.4 cm/s以内，随着斜井开挖面高程的下降，洞口测点的质点振动速度有衰减的趋势。招标文件中对于质点安全振动速度有规定，如表4所示。

表4 混凝土龄期及允许振动速度表

由于斜井开挖时，邻近部位也在扎钢筋网格，进行混凝土浇筑，因此，存在着爆破对新浇筑混凝土影响的问题。

监测数据表明，合理安排好浇筑混凝土和斜井开挖的时间，就能将爆破的影响控制在规定范围内。

事实上，沿煌斑岩脉平洞轴线排列的EL.1785层X1#斜井、X2#斜井、X3#斜井的开挖和支护就是在交替进展，当X1#斜井开挖到一定高程，进行井壁喷混支护时，就开始开挖X3#斜井，到X1#斜井、X3#斜井开挖到相应高程，支护也完毕后，就开始X2#斜井的开挖，后续施工采用如此方式交叉循环下去，将爆破振动的影响降低到最低限度。

对于斜井的监测结果如表5所示。

表5 斜井的测点振动速度

对于第1次的混凝土，其龄期已达8 d，对照表4，可见对该部位的新浇混凝土不会产生破坏性影响，质点振动峰值符合安全控制标准。对于后2次的振速值，也符合要求。但是从由近及远的几个测点数据看到，振速衰减较慢。因此，对于龄期小于7d的部位，不容忽视爆破的影响。因此要合理安排施工进度，让相邻洞相应部位的施工时间尽量错开。

3.5 最大振速时刻分析

关于最大振速发生时刻，将坝基排水洞和其他洞室分别进行分析。

对于坝基排水洞，将3个方向的最大振速发生的时刻进行统计，可以发现，最大振速发生在掏槽孔(雷管段位为Ms1)爆破时段的占86.9 %，发生在周边孔爆破时段的占2.2 %，发生在其他孔爆破时段的占10.9 %。从这3个百分率可以知道，控制好掏槽孔的爆破是关键。事实上，掏槽孔爆破时，由于临空面少，约束较大，因而容易出现最大质点振速。对于和坝基排水洞类似较小断面尺寸的平洞，一定要把握好掏槽孔的控制。另一种方式是改变爆破参数，增加约6个孔深在1.5 m左右的掏槽孔，采用Ms1段雷管，原来的掏槽孔的雷管变为Ms3段，单孔药量适当减少,也就是改原来的掏槽孔为一槽孔，二槽孔方式。其他孔发生最大振速一般是紧邻掏槽孔的辅助孔(雷管段位为Ms3)，掏槽孔药量较大，夹制作用最大，故振速较大。而当掏槽孔抛掷不太充分的情况下，紧邻的辅助孔的临空面情况较差，会导致紧邻的辅助孔爆破时振速偏大。

对于其他洞室，发生最大振速的时刻随机性较大，与坝基排水洞的情形不尽相同。如对于帷幕灌浆洞，最大振速发生在掏槽孔爆破时段的占52.2 %，发生在周边孔爆破时段的占0.0 %，发生在其他孔爆破时段的占47.8 %。对于f5断层置换洞，最大振速发生在掏槽孔爆破时段的占31.8 %，发生在周边孔爆破时段的占50.0 %，发生在其他孔爆破时段的占18.2 %。可以看出，随着洞室断面尺寸的增大，最大振速发生在掏槽孔时段的比例相应下降，这与断面尺寸大的洞室，其掏槽孔与洞轴线的夹角较大，减少了夹制效应，也有一定的关系。对于煌斑岩脉斜井中部，最大振速多发生在紧邻导洞的第1圈孔或第2圈孔；对于煌斑岩脉斜井两侧，最大振速发生在周边孔的居多，与周边孔孔数多，单段药量较大有关系。

4 爆破振动传播规律分析

通过对所测振动波形进行综合分析可以看出，围岩壁面某处的爆破振速峰值大小，虽受到围岩岩性、地质构造特征、爆破条件及边界条件等诸多因素的影响 ，但振动传播总的规律主要还是取决于该点至爆源的距离及爆破最大单段药量的大小。一般说来，测点与爆源中心的高差相对于其水平距离差较小，因此，可以采用如下经验公式进行一元回归计算：

V=K(Q1/3/R)α。

式中：V为质点振动速度(cm/s)；Q为单段药量(kg)；R为测点至爆源距离(m)；Q1/3/R为比例药量，记为ρ；K和α为与场地条件、爆破条件有关的因子。

各个测试部位的最大振动方向的K和α值见表6。从表中可以看出不同测试部位的K和α值变化比较大，这与爆破参数、断面尺寸、围岩类别等有关，也说明了爆破振动实测的重要性。

表6 测试部位的K和α值

5 结 语

(1) 对于拱坝的抗力体开挖，由于岩性一般较差，因此不仅要严格控制爆破开挖规模，而且对爆破近区围岩还要加强监测，及时反馈监测结果，并据此采取有效的加固及防护措施，确保施工安全与岩体稳定。

(2) 根据实测振速成果，运用统计分析的方法得到爆破振动对于多种类型洞室的经验公式，可用于相应部位的振动控制和预报，也可供类似水电爆破工程参考。

(3) 采用目前的爆破参数及起爆网络，并且施工进度能保证爆破部位和相邻洞混凝土浇筑时间上合理错开的情况下，则爆破对相邻洞新浇混凝土的损伤可在控制范围以内。

(4) 最大雷管段位尽量控制在Ms11段以内，较小段位采用奇数段位，而较大段位可以采用连续段位。这样可以保证周边孔的齐爆性，从而提高轮廓面的平整度以及半孔率等指标。

(5) 坝基排水洞的振动控制是重点，最大质点振动速度大部分发生在掏槽孔爆破时段。因此要特别控制好掏槽孔的施工各个工序，尽量降低最大质点振速，同时避免相距较近的两掌子面同时起爆。

(6) 测试中，还存在一些不足之处，如爆破振动监测数据未与静态观测资料进行联合分析，今后若做到动静结合，将会更有实际意义。

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