台山核电站爆破开挖基岩损伤分析及控制

姜威振，唐 海，马谕杰，刘亚群，阳生权，朱帅帅

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭411201；2.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试验室，武汉 430071；3.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

矿上、铁路、核岛开挖等大型工程中，都会用到爆破技术。为分析爆破过程中岩体损伤规律及维护周围建筑物的稳定性，爆破领域的专家和学者进行了大量的研究工作。谢福君等[1]通过单孔爆破试验与钻孔超声波波速试验，得出了岩体完整性与爆破损伤半径和损伤深度的关系。贾虎等[2]通过对爆炸应力波衰减规律的进一步研究，推导出了岩石爆破应力损伤范围计算公式；杨明山[3]通过在露天铜矿的多次爆破试验，得出炮孔岩体损伤深度随炮孔深度增加而增加的规律；谢冰等[4]以宁德核电站为背景，通过现场爆破试验以及数值模拟获得了该核电站的振动衰减规律，对岩体爆破损伤进行了初步研究；王海军等[5]依托南冒山工程项目，根据现有的爆破振动预测方程，分析了爆破施工对周围建筑物产生的振动影响，并提出适合本工程的控制爆破措施；崔正荣等[6-8]通过对不同环境下岩体进行爆破数值模拟，获得了不同地质参数下的岩体损伤规律。随着爆破损伤理论的完善与爆破监测设备的发展，不少专家将岩体损伤程度与爆破振动速度联系起来，应用于实际工程中，夏文俊等[9]通过白鹤滩水电站现场爆破试验，建立了坝基岩体损伤与质点振动速度的关系；徐钟等[10]以某隧道钻爆施工为背景，将质点振动速度作为岩体损伤的判断标准，并推导出相应的爆破损伤计算公式。

因各工程岩石性质、地层构造以及分层开挖深度不同，核电站爆破负挖时使用的参数也不尽相同。红沿河核电站[11]开挖岩体主要为中风化和微风化花岗岩，岩石较为破碎，3层爆破开挖定点控制速度分别为40.53、2.58、1.38 cm/s；宁德核电站[4]岩体主要以花岗岩与流纹岩为主，岩体胶结性良好，3层爆破开挖定点控制速度分别为5.82、3.04、1.09 cm/s。为使得台山核电站核岛负挖爆破工作安全有效进行，本文结合爆破振动测试、声波试验以及数值模拟等方法探究台山核电站岩体损伤深度与振动速度之间关系，提出合适的爆破振动速度，控制基岩损伤。

1 工程概况

广东台山核电站厂址位于台山市赤溪镇腰古村，距台山约44.5 km。厂址东面为黄茅海，其余3面环山，东南约5 km处为大襟岛。台山核电站设计场平绝对高程为+8.5 m，核岛区建基面高程为-3.3 m。核电站分3层开挖，开挖区域为A、B、C、D4个区域(见图1)，A区开挖分层如图2所示，开挖规划如表1所示。

图1 开挖区域分布

图2 A区开挖分层

表1 区域开挖规划

在第3层负开挖时，需预留保护层确保基建面岩体的完整性。预留保护层采用孔底设柔性垫层，根据红沿河核岛负挖工程、宁德核岛负挖工程和阳江核岛负挖工程[12]施工经验以及相应学者的研究,孔底垫设柔性垫层(如锯木粉、塑料泡沫、空气柱等)厚度在0.25 m左右时(见图3)，能有效保护建基面，同时最大限度地减少底板超挖。

图3 孔底柔性垫层

2 现场试验

为探究台山核电站爆破影响深度与振动速度的关系，参照夏祥[13]的研究方法，在距爆源30 m处设置振动速度监测点，通过声波试验得到的现场数据，推出距爆源30 m处质点振动速度与损伤深度之间的函数关系。

2.1 试验方法及先声波孔布置

现场试验区爆破影响深度的测定通过声波试验进行，声波试验炮孔布置如图4所示，选择其中4个爆孔兼做声波孔，声波孔内声波监测点间距为20 cm，本次试验中声波孔设计深度比炮孔深度超深2～3 m。在开始爆破前，先进行岩体波速试验，连接设备如图5所示，测得岩石损伤前的声波传播速度C0，在炮孔超深段填满细沙之后，再在炮孔填充炸药进行爆破，测得岩石损伤后声波传播速度C。距爆源30 m处设置速度监测点，进行振动速度监测。

图4 炮孔布置

图5 监测设备连接

2.2 试验结果与分析

根据《水工建筑物岩石基础开挖工程技术规范》，采用岩体声波波速在爆前爆后的变化率η来判定爆破荷载作用下岩体的破坏程度[14]：

(1)

式中：C0为岩体爆前声波波速，m/s；C为岩体爆后声波波速，m/s。当岩体声波波速变化率η>10%时，可得出该岩体由于爆破作用产生损伤。

本次声波试验共进行了6组爆破，试验结果如表2所示。

表2 声波试验结果汇总

3 数值模拟

为得到30 m处爆破振动衰减规律与岩体损伤深度之间的规律，本次数值模拟运用LS-DYNA、FLAC3D以及3DEC 3种程序相结合的方法，充分发挥各个模拟软件的优势功能，其中LS-DYNA应用于计算炸药爆破荷载，然后将爆破荷载导入FLAC3D和3DEC中，其中FLAC3D模拟岩体在爆炸荷载作用下的岩体损伤规律，3DEC使用FLAC3D相同的单孔炸药量，用于模拟爆破振动衰减规律。

3.1 核岛岩体特性

根据地质勘察报告可知，台山核电站基础以下岩体的节理裂隙面以高倾角为主，主要发育走向70°～80°方向、走向270°～290°方向和走向11°～30°方向三组节理。岩石地质情况为微风化花岗岩，岩石计算模型选择LS-DYNA中的*MAT_SOIL_AND_FOAM，适用于有产生变形场合的岩土类型材料，通过一系列岩石试验，得出以下岩石力学参数。

表3 岩石力学参数

3.2 LS-DYNA数值模拟

LS-DYNA模拟岩体的爆炸荷载，模型中考虑了炮孔不同装药量的情况，计算中假定单段药量均装在1个炮孔中。岩体爆炸计算模型立面及其对应的平面网格如图6、图7所示。模型的建立与网格的划分均使用ANSYS软件，为方便计算，本次岩体计算模型为1/4部分圆柱，圆柱高度以及截面半径均为10 m，炮孔半径为25 mm，装药的半径及其长度随药量进行调整。爆破模型下边界进行全约束；其左右边界采取对称约束，约束其水平位移；圆柱的周围采取了无条件反射边界，使爆破波无限传播，模拟更加接近实际受力状态。

图6 岩体爆炸计算模型立面

图7 平面网格

炸药材料选择LS-DYNA中的自带的8号材料*HIGH_EXPLOSIVE_BURN，并采用JWL状态方程模拟爆炸，炸药爆炸状态方程[15]为

(2)

式中:peos为由JWL状态方程决定的压力，Pa；A，B，R1，R2，ω均为与炸药相关的材料常数；V为相对体积；E0为初始比内能，Pa；本次计算中采用的各参数及JWL状态方程参数如表4所示。

表4 炸药参数

利用上述模型计算得到的炸药起爆后不同时刻周围岩体应力波的分布情况如图8所示，LS-DYNA求得爆破荷载将导入FLAC3D中，模拟炮孔围岩损伤深度与炮孔炸药量的关系。

图8 岩体爆炸应力波分布

3.3 FLAC3D数值模拟

为研究不同装药量即不同爆炸荷载对核岛基础下卧基岩的影响深度，FLAC3D计算模型中考虑了各种最大段装药量的情况。计算时岩体模型采用莫尔-库伦破坏准则，岩体损伤范围的计算采用了目前国内外常用的岩体爆炸损伤模型[16]。

岩体损伤模型采用率相关的本构方程为[17]

(3)

式中：σfi为岩石破碎应力；Dfi为材料破碎时的损伤变量；σsti为岩石静态抗拉强度；Ei为弹性模量；Cdfi对应于岩体开裂应力的裂纹密度；ε为岩石单轴拉伸应变率；αi、βi与材料有关的常数。

岩体动态抗压强度大于静态抗压强度，大约等于应变率的三次方根[18]，βi值可取2。参数α取1.8×106、Dfi取0.25。

计算步骤：首先导入由DYNA计算得到的岩体爆炸荷载，施加于岩体损伤模型爆孔边界。岩体影响范围的数值计算模型如图9所示，模型尺寸与计算岩体爆炸荷载时的相同。爆破模型在FLAC3D数值模拟情况下岩体的影响范围如图10所示，可测出一定爆炸荷载作用下的岩体影响深度和影响半径。

图9 FLAC3D模拟计算模型

图10 岩体影响范围模拟

炸药起爆后不同时刻(分别为0.5 ms时和1 ms时)岩体影响范围的分布情况如图11所示。若起爆后一定时间岩体的影响范围不再变化或变化足够小，说明这时岩体达到稳定状态，此时的影响范围即为最终结果。

图11 岩体爆炸不同时刻的影响范围分布

改变爆炸药量，得到一系列最大段药量情况下岩体影响深度与药量的关系(见表5)，并与现场声波试验相比较(见图12)。

表5 FLAC3D模拟结果

图12 最大段药量-损伤深度变化

使用Oringin软件拟合出台山核电站最大段药量开三次方后与损伤深度关系的回归方程：

(4)

式中：H为孔底损伤深度，m；Q为最大段装药量，kg。

3.4 3DEC数值模拟

针对现场岩体特性和地形地貌特征，采用3DEC离散元可以较好地模拟岩体在爆炸荷载作用下的动态响应。3DEC数值模拟模型根据现场实际地质情况所建立，模型尺寸为218 m×113 m×60 m。岩体模型采用库伦摩尔模型，节理力学模型采用库伦滑动模型，模型四周及底面均采用黏性边界[19]。节理裂隙面以高倾角为主，主要发育走向70°～80°方向、走向270°～290°方向和走向11°～30°方向3组节理，无软弱充填，未开挖模型和已开挖一层模型如图13所示。

图13 3DEC离散型模型

炮孔药量的取值和FLAC3D模拟药量相同，通过改变炮孔装药量，得到一系列装药量情况下距爆源30 m处的岩体质点振动速度随装药量的变化规律，并与现场爆破振动监测结果进行比较。最大段药量为20.7 kg时模拟计算得到的距爆源30 m处岩体质点水平径向和垂直向振动速度曲线如图14所示，可得峰值振动速度分别为4.21、3.09 cm/s，同最大段药量现场监测结果分别为4.36、3.68 cm/s。数值计算结果比实测结果略小，从爆破振动速度控制标准的制定来讲是偏于安全的。3DEC具体模拟结果如表6所示。

图14 振动速度-时间

表6 3DEC数值模拟结果

图15 药量-距爆源30 m振动速度变化

基于萨道夫斯基公式，使用Origin软件求出台山核电站最大段药量开三次方后与距爆源30 m处振动速度关系的回归方程：

(5)

式中：v30 m为距爆点30 m处质点最大振动速度，cm/s；Q为最大段药量，kg。

4 岩石爆破参数的确认

数值模拟与现场声波试验结果如图16所示。

图16 损伤深度-距爆源30 m振动速度变化

根据声波试验以及数值模拟所得的数据，使用Origin软件求出台山核电站损伤深度与距爆源30 m处振动速度关系的回归方程：

v30 m=1.359 8e0.681 2h

(6)

式中：v30 m为距爆源30 m处的质点振动速度，cm/s；h为影响深度，m。

将核岛区爆破开挖时各分层允许的最大影响深度代入回归方程(6)即可得到各层距爆源30 m处的岩体质点振动速度控制值。

由表1得出，第①层(A区域、B区域、C区域、D区域)开挖完成后，离基建面距离最小为3.55 m，令式(6)中h=3.55 m，得v30 m=15.27 cm/s。为保证基岩不受损伤，建议爆破开挖安全控制参数值取为30 m处质点振动速度不超过10 cm/s。

第②层开挖完成后，离基建面距离最小为1.05 m，根据式(6)，当h=1.05 m时，有v30 m=2.78 cm/s。因此，建议核岛区第二层爆破开挖时基岩爆破开挖安全控制参数值取30 m处质点振动速度不超过2.5 cm/s。

进行第③层(保护层)开挖时，为减小对建基面的损伤，要求爆孔底部预留一定厚度的柔性垫层，然后装药起爆。根据之前核电站开挖经验及相应学者的研究结果，取柔性垫层厚度为0.25 m，即在影响深度最大容许值为0.25 m的情况下，根据式(6)可得距爆源30 m处岩体质点振动速度为v30 m=1.61 cm/s。建议爆破开挖安全控制参数值取为30 m处质点振动速度不超过1.5 cm/s。

5 现场监测控制

通过爆前、爆后声波试验以及数值模拟方法得出了台山核电站岩体影响深度与距爆源30 m处质点振动速度之间的关系，台山核电站负开挖工作以式(6)为参考，通过振动速度监测数据调整炮孔装药量，对炮孔药量进行合理设计，确保爆破造成的岩体损伤深度未达到建基面(见图17、18)，台山核电站爆破开挖监测如表7所示。

图17 核岛反应堆爆破成型

图18 基建面

表7 台山核电站爆破振动监测结果

6 结论

1)岩体爆破开挖时，岩体损伤深度随最大段药量的增加呈幂函数增加，而距爆源30 m处振动速度与最大段药量所拟合函数符合萨道夫斯基公式形式。

2)台山核电站基岩损伤深度与距爆源30 m处质点振动速度满足函数：v30 m=1.359e0.6812h，当第1层、第2层、第3层爆破开挖后，距基建面深度分别为3.55、1.05、0.25 m时，为保证基岩的完整性，距爆源30 m处岩体爆破振动速度不应超过10.0、2.5、1.5 cm/s。

3)在其他爆破工程开挖中，也可通过数值模拟和声波试验求出损伤深度与特定点振动速度的函数式，通过监测特定点的峰值速度，来预估爆破点下损伤深度，进而调整爆破控制参数。