深大调压井开挖爆破振动效应分析及安全评价
2019-11-07
(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)
1 工程概况
毛儿盖水电站调压室工程采用开敞阻抗式结构，调压室井筒为圆形断面，内径21m，高度为171m。调压室段山体雄厚，地表零星分布有崩坡积块碎石土，基岩为杂谷脑组第一亚层中厚层状石英砂岩夹深灰色薄层含炭绢云母千枚岩，调压井工程地质条件见图1。调压井井口以下0～30 m段为强卸荷岩体，岩体风化卸荷强烈，岩体松弛，完整性差，呈碎裂结构及散体结构，围岩类别为Ⅴ类；井口以下30～70m段为弱风化岩体，岩体较破碎，呈镶嵌—碎裂结构，围岩类别为Ⅳ类；井口以下70～171m段为微新岩体，岩体完整性中等，呈块裂—镶嵌结构，以Ⅲ-2类围岩为主[1]。调压室竖井采取先挖导井，再自上而下扩挖井身的施工方法。
图1 调压井工程地质剖面图
2 爆破振动监测
2.1 监测方案
为了解开挖爆破施工对已开挖井壁及倒挂混凝土支护的影响，井筒开挖后期还需了解开挖爆破对井底引水隧洞洞壁的影响，结合调压井竖井开挖情况，爆破监测小组分两个阶段对调压井竖井开挖所引起不同部位振动响应情况，共进行了13组爆破振动监测。
第一阶段为4月20—30日，针对爆破过程对已开挖井壁及倒挂混凝土支护的影响情况，对调压井高程2038～2047m爆破开挖工程共进行了9组爆破振动安全监测，取得有效数据207点次。爆破质点振动测点布置于井内爆源上方井壁架设梯步附近岩壁及混凝土锚杆上，沿梯步螺旋布置，监测点距离爆源点的最小竖直距离10m。
第二阶段为5月20—26日，针对爆破过程对井底引水隧洞影响，对调压井高程2027～2033m爆破开挖共进行了4组爆破振动安全监测，取得有效数据87点次。爆破质点振动测点布置于引水隧洞两侧洞壁顶端，监测点距离爆源点的最小水平距离为10m。
图2 爆破振动测点布置示意图
2.2 监测成果
根据两个阶段的开挖爆破监测成果(见表1)，针对不同围岩类别，提出深大调压井Ⅳ、Ⅴ类围岩段10cm/s、Ⅲ类围岩段20cm/s的爆破振动速度控制标准。爆破振动实测结果和现场观测表明：调压井开挖爆破的质点振动速度基本控制在安全范围内，未对井壁岩体和衬砌混凝土造成危害。
表1 爆破振动监测最大峰值振动速度
续表
2.3 爆破振动效应分析
采用前苏联萨道夫斯基经验关系式作为峰值质点振动速度衰减规律的回归方程[2]，即
v=K(Q1/3/R)α
式中v——峰值质点振动速度，cm/s；
Q——单响最大药量，kg；
R——爆心距或波行距，m；
K、α——回归系数，与地形地质条件及爆源类型有关。
通过对爆破振动监测资料进行统计分析，将峰值质点振动速度测值、测点距爆心距离以及相应单响装药量用最小二乘法进行分析，得到了水平径向、水平切向及竖直向质点振动速度传播规律：
水平径向质点振动速度v水平径=52.6(Q1/3/R)1.29；
水平切向质点振动速度v水平切=86.0(Q1/3/R)1.45；
竖直向质点振动速度v竖直=40.3(Q1/3/R)1.13。
通过现场爆破振动跟踪监测，统计分析爆破振动实测数据，得到了各方向的质点振动速度传播规律，以及振动对已开挖井壁及倒挂混凝土支护稳定性的影响，及时向设计部门、施工企业反馈爆破振动的信息，从而为调整施工方案及采用合理的爆破振动控制措施提供直接可靠的依据。
3 爆破安全评价
3.1 峰值振速
竖井开挖爆破施工过程中，质点振动速度高差效应较为明显，在爆源上方的一定范围内，质点振动速度出现基本不衰减的现象。另外，介质质点振动速度的大小是震源作用的程度、介质对地震波的传递特性、质点对振动的响应程度等多种因素共同作用的结果。介质特性对爆破有直接的、明显的影响，同时，临空面的大小对爆破振动影响较大。
爆破振动实测结果表明：超过允许振速的有5点次，占总监测点次(294点次)的1.70%，其中，竖井岩壁上超过允许振速(15cm/s)的有4点次，占岩壁监测点次总数(138点次)的2.90%；引水隧洞超过允许振速(15cm/s)的有2点次，占岩壁监测点次总数(87点次)的2.30%；混凝土衬砌上的测点未出现超过允许振速(10cm/s)的情况。由此可见，调压井开挖爆破的质点振动速度基本控制在安全范围内，现场观测资料表明，未对井壁岩体和衬砌混凝土造成危害。
3.2 质点振动频率
爆破所产生的质点振动为随机振动过程，为研究爆破振动波的能量分布情况，从频谱分析中发现爆破振动产生的频率极为丰富，但其能量集中在29～180Hz范围内，而天然构筑物或建筑物的固有频率小于20Hz[3]。一般的受迫振动弹性结构中位移的放大系数为
MF=[1-(f/fn)2]-1
式中MF——振动位移的放大系数；
f——外加干扰力的频率；
fn——结构的固有频率。
放大系数随f/fn而变化，比值相差大，MF就小；比值相差小，MF就大。即当爆破产生的振动主频率与建筑物的固有频率越相近时，对建筑物的危害也越大，反之，则危害小[4]。而调压井工程实测近距离爆破地震信号频带较宽，一般在29～75Hz内。随着距离的增加，频带宽度变窄，远距离一般在44～180Hz。相应地，近距离的放大系数MF绝对值介于0.91～0.077，远距离的放大系数MF绝对值介于0.26～0.013。无论近区还是远区的放大系数MF绝对值均较小，未对井壁岩体和混凝土造成危害。
3.3 波延时间
在地震波传播过程中，波延时间的作用主要表现在地震作用下结构超过弹性阶段后，增加非弹性变形的破坏积累，加剧结构破坏的程度。实测岩石介质的最长波延时间为0.18s，混凝土最长波延时间为0.41s，均未超过1s(结构弹性变形持续最长的时间)，未对井壁岩体和衬砌混凝土造成危害。
4 结 语
电站调压井开挖过程中，爆破诱发的地震波在岩体中传播，对已开挖井壁及倒挂混凝土支护将造成振动影响，监测结果表明：调压井开挖爆破的质点振动速度基本控制在安全范围内，未对井壁岩体和衬砌混凝土造成危害。基于爆破振动效应的研究成果，在深大调压井开挖中，采取及时支护加固、多分区短台阶等技术措施，对于施工安全是必要和有效的。
井挖爆破振动存在明显的各向异性。一是在相同爆破作用下，相同高程不同部位的质点振动速度不相同；二是在相同(或相近)的爆破条件作用下，随着下挖深度的增加振动速度增大。
竖井内监测结果显示：在爆源上方竖直向的一定范围内，质点振动速度基本不衰减，说明质点振动速度高差效应较为明显；混凝土衬砌与爆源相距较远，爆破振动对其影响较小；后期爆破振动对下方引水隧洞影响较大，振速随水平距离的增加逐渐衰减。
