核電站擴(kuò)建工程基坑開挖爆破振動(dòng)安全控制

韓文紅,徐全軍,溫尊禮,姜 楠,李志龍

(1.核工業(yè)南京建設(shè)集團(tuán)有限公司,江蘇南京 210003;2.解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院,江蘇南京 210007)

核電站擴(kuò)建工程基坑開挖爆破振動(dòng)安全控制

韓文紅1,徐全軍2,溫尊禮1,姜 楠2,李志龍2

(1.核工業(yè)南京建設(shè)集團(tuán)有限公司,江蘇南京 210003;2.解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院,江蘇南京 210007)

結(jié)合秦山核電二期擴(kuò)建工程,在已運(yùn)行核電站附近新擴(kuò)建核電站的大型基坑開挖過程中進(jìn)行爆破振動(dòng)的監(jiān)測與爆破振動(dòng)的控制。通過理論分析與監(jiān)測等多種手段對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行有效的控制,確保了正在運(yùn)行核電站的安全。所總結(jié)的減震措施經(jīng)驗(yàn)對(duì)其他核電站的爆破振動(dòng)控制具有借鑒作用。

核電站;大型基坑;爆破振動(dòng);安全控制

1 工程背景

秦山核電二期擴(kuò)建工程 3、4號(hào)機(jī)組位于正在運(yùn)營的 1、2號(hào)機(jī)組的西側(cè)并與之平行配置,其基坑邊緣距 1、2號(hào)機(jī)組核反應(yīng)堆中心約 350 m,距其主控室約 300 m,距網(wǎng)控樓約 100 m,距主變壓器約 180 m,北側(cè) 130 m有開關(guān)站,其中開挖子項(xiàng)工程 AC基坑、QA/QB基坑、GL2管溝、GD2管溝等工程距上述設(shè)備設(shè)施僅有 5～130 m,開挖環(huán)境如圖 1所示。

圖 1 擴(kuò)建工程周圍環(huán)境示意圖

3、4號(hào)機(jī)組基坑主要包括核島、常規(guī)島、聯(lián)合泵房及溝道等。其主要巖性為流紋狀英安質(zhì)含角礫熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋狀凝結(jié)凝灰角礫巖、流紋狀凝結(jié)凝灰?guī)r、火山角礫巖、火山集塊巖等,屬火山碎屑巖系。巖體多呈塊狀構(gòu)造,完整性較好,堅(jiān)固性系數(shù) f=12～14。主要采用露天臺(tái)階深孔爆破方法開挖。總爆破方量約 70萬 m3。

3、4號(hào)機(jī)組基坑開挖爆破必須確保 1、2號(hào)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此建設(shè)單位專門委托了爆破振動(dòng)監(jiān)測單位,在保護(hù)對(duì)象的相應(yīng)部位設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn)并提出了爆破振動(dòng)安全控制閾值的要求:

對(duì) 1號(hào)核島、2號(hào)核島、主控室:振動(dòng)加速度濾波前≯01025g,濾波后≯0102g;

對(duì) 1號(hào)常規(guī)島、2號(hào)常規(guī)島、網(wǎng)控樓、主變壓器:振動(dòng)加速度峰值 5Hz濾波后≯01025g;對(duì)主控室:振動(dòng)粒速≯015 cm/s。

3、4號(hào)機(jī)組基坑開挖實(shí)施爆破炮次逾千次。由于精心設(shè)計(jì)、科學(xué)施工、嚴(yán)格管理和監(jiān)控,每炮次的爆破振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果均小于控制閾值,達(dá)到了預(yù)期的效果。確保了不影響 1、2號(hào)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 爆破地震效應(yīng)和爆破振動(dòng)強(qiáng)度估算

由爆破引起的振動(dòng),常常會(huì)造成爆源附近的地面以及地面上的物體顛簸與搖晃。凡是由爆破所引起的這種現(xiàn)象及其后果,就叫做爆破地震效應(yīng)。當(dāng)爆破振動(dòng)達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí),可以造成爆區(qū)周圍建筑物和構(gòu)筑物的破壞。表示爆破地震破壞的強(qiáng)弱程度叫做振動(dòng)強(qiáng)度。該振動(dòng)強(qiáng)度可以用地面運(yùn)動(dòng)的各種物理量來表示,如質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、位移、加速度和振動(dòng)頻率等。但對(duì)爆破振動(dòng)來說,主要用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度或加速度來表示。

大量實(shí)測資料證明,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與加速度,與一次爆破的裝藥量大小、測點(diǎn)至爆源的距離、地質(zhì)地形條件和爆破方法等因素有關(guān)。爆破振動(dòng)強(qiáng)度可以用下式表示:

式中:V——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;α——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度,g;Q——裝藥量 (齊發(fā)爆破時(shí)為總裝藥量,延發(fā)爆破時(shí)為最大一段裝藥量),kg;R——從測點(diǎn)至爆破中心的距離,m;m——裝藥量指數(shù) (國內(nèi)多采用 1/3,西方國家采用 1/2);k1、k2——與爆破場地條件有關(guān)系數(shù);α1、α2——與地質(zhì)條件有關(guān)系數(shù)。

k1、k2和α1、α2值可以在現(xiàn)場通過爆破試驗(yàn)來確定,也可以參照類似條件下爆破的實(shí)測數(shù)據(jù)來選取。

3 爆破振動(dòng)強(qiáng)度控制的因素

由此可見,爆破振動(dòng)強(qiáng)度是用巖土質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度或加速度作為判據(jù)的。而速度 (V)和加速度 (α)與一次爆破的裝藥量大小 (Q)、地質(zhì)地形條件和爆破場地條件有關(guān)的系數(shù) (k1、α1和 k2、α2)、測點(diǎn)至爆破中心的距離 (R)等因素有關(guān)。式 (1)和式 (2)中的 k1、α1和 k2、α2可以用儀器對(duì)多次爆破實(shí)測并通過回歸計(jì)算確定;從測點(diǎn)至爆破中心的距離,對(duì)已確定的保護(hù)對(duì)象是一個(gè)定值;則影響 V和α的大小的是一次爆破的裝藥量大小 Q,當(dāng)確定了安全上允許的振動(dòng)速度和加速度后,就可以控制一次爆破規(guī)模,計(jì)算一次爆破允許的安全裝藥量。就能有效地控制爆破振動(dòng)強(qiáng)度。

4 減震措施

為了降低爆破地震效應(yīng),國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了長期的探討和研究,目前采取的安全控制措施主要有采用微差爆破、預(yù)裂爆破或開挖減震溝、限制一次起爆的裝藥量 (這是減震的重要措施)和盡量采用爆破地震小的爆破類型和拋擲方向等。

4.1 每炮次必須進(jìn)行爆破振動(dòng)強(qiáng)度監(jiān)測

監(jiān)測的目的有 2個(gè):一是從字面上講是監(jiān)督測試,如果爆破振動(dòng)超過規(guī)定的閾值,則要對(duì)施工單位進(jìn)行懲罰和承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任;二是通過監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)下一炮次的施工。以確保各被保護(hù)目標(biāo)不受到傷害。從而確保不影響 1、2號(hào)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

前面已經(jīng)述及計(jì)算式中的 k1、α1和 k2、α2值可以在現(xiàn)場通過爆破試驗(yàn)來確定,但影響 k、α值的因素是很復(fù)雜的,如不同爆破工點(diǎn)的地質(zhì)條件因素是有不同程度的差別的,因此 k、α值就不是一個(gè)恒定值,而是有不同程度的變化的。因此對(duì)核電站這種重要設(shè)施保護(hù)就不能僅僅用監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的k、α值來控制。必須實(shí)測每炮次的爆破振動(dòng)強(qiáng)度(即α、V值),以判斷是否符合安全控制的要求,并據(jù)此調(diào)整下一相鄰炮次的爆破參數(shù),以保證每炮次的爆破振動(dòng)強(qiáng)度均在安全控制閾值范圍內(nèi)。

正是有了這種監(jiān)測數(shù)據(jù),才能為 1、2號(hào)機(jī)組是否安全穩(wěn)定運(yùn)行以及其它被保護(hù)目標(biāo)是否安全提供了佐證;也正是這種監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)下一炮次爆破參數(shù)選擇的指導(dǎo),才使秦山二期擴(kuò)建工程逾千炮次的爆破振動(dòng)強(qiáng)度均被控制在規(guī)定的閾值范圍以內(nèi)。

4.2 開挖減震溝

設(shè)置減震溝的目的是在爆源和被保護(hù)物之間開一定寬度和深度的塹溝,使之起到反射地震波的作用,達(dá)到減振的目的。在 3、4號(hào)機(jī)組基坑爆破開挖之前,先在其基坑靠 1、2號(hào)機(jī)組一側(cè)邊緣開挖了一條長 143 m、深 9 m、寬 12 m的減震溝。

4.3 嚴(yán)格控制最大一段起爆藥量

從式 (1)、(2)可知,如果將總裝藥量分成 n段采用微差雷管進(jìn)行延發(fā)爆破,使每分段爆破產(chǎn)生的地震波基本上為獨(dú)立的地震波,則最大一段裝藥量為總裝藥量的 1/n,從而達(dá)到降震效果。分段越多,爆破振動(dòng)強(qiáng)度越小。分段數(shù)主要是根據(jù)一次爆破的總裝藥量和一次爆破允許的安全藥量來確定。

在秦山二期擴(kuò)建工程的爆破中一次爆破的延發(fā)分段數(shù)為 7～9段,取得了良好的爆破控制效果。

4.4 確定合理的微差間隔時(shí)間

實(shí)踐證明,多段微差爆破是降低爆破振動(dòng)的有效措施。該措施應(yīng)用的關(guān)鍵是確定合理的微差間隔時(shí)間。在確定微差間隔時(shí)間時(shí),主要應(yīng)考慮巖石性質(zhì)、炸藥與巖石的特征阻抗、巖石應(yīng)力波的傳播速度、巖塊運(yùn)動(dòng)的速度、爆破抵抗線等因素,情況是比較復(fù)雜的,要取得準(zhǔn)確參數(shù)是很困難的,因此在應(yīng)用中一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式來確定。對(duì)爆破振動(dòng)安全控制而言,可通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

在秦山二期擴(kuò)建工程中既考慮巖石的破碎效果,更重要的是考慮降震效果。原則是避免各分段之間的爆破地震波的迭加,即形成分段間互不干擾的獨(dú)立的地震波。通過多次監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,確定分段微差間隔時(shí)間≮50 ms。實(shí)爆逾千次的實(shí)踐證明,控制是有效的,達(dá)到了預(yù)期的控制效果。

4.5 采用孔內(nèi)微差分段起爆

在秦山二期擴(kuò)建工程爆破施工中,某些部位距離保護(hù)對(duì)象較近,設(shè)計(jì)的單孔裝藥量超過了安全上允許的最大一段裝藥量時(shí),首先是調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù),即縮小單孔爆破負(fù)擔(dān)面積,以降低單孔裝藥量。當(dāng)調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)降低單孔裝藥量后,其值仍大于安全上允許的最大一段裝藥量時(shí),則采取孔內(nèi)微差分段的控制措施。即將單孔藥量分成若干小段,則每小段的裝藥量均不超過安全裝藥量。

實(shí)踐證明,孔內(nèi)分段以 2段為宜。曾經(jīng)試驗(yàn)過分 3段,但爆破效果不好,如出現(xiàn)超徑大塊和殘留根底。其主要原因是藥包段間距離必須大于藥包的殉爆距離 (即炸藥包傳播爆炸所能跨越的藥包間距離)。目前采用的間距為 50 cm,該間距內(nèi)用填塞料填塞密實(shí)。從未出現(xiàn)殉爆現(xiàn)象。

孔內(nèi)微差分段爆破技術(shù)在工程中應(yīng)用極少,成功地應(yīng)用于秦山二期擴(kuò)建工程中,取得了良好的效果。

4.6 采用分片分散裝藥

在一個(gè)集中點(diǎn)如果一次爆破規(guī)模過大可能造成較大的振動(dòng)時(shí),為了安全的需要只能減小規(guī)模,帶來的后果是影響工期。為了解決這一矛盾,采用分片分散裝藥的方法,即在不同的部位分別裝藥同時(shí)點(diǎn)火延時(shí)起爆。使各自的振動(dòng)波不產(chǎn)生疊加,既使爆破振動(dòng)強(qiáng)度被控制在允許的范圍,又?jǐn)U大了爆破規(guī)模,使工期滿足要求。

前已述及,在秦山二期擴(kuò)建工程施工中,在某些部位出現(xiàn)了單孔分 2段進(jìn)行微差爆破的情況,而微差雷管產(chǎn)品的段數(shù)是有限的,且本工程根據(jù)爆破振動(dòng)安全控制的要求,每次爆破分段數(shù)為 7～9段。為了擴(kuò)大爆破規(guī)模,我們采取的措施是在不改變合理爆破規(guī)模的前提下,按照起爆網(wǎng)絡(luò)的爆破順序?qū)⒚颗诖挝⒉罘侄慰倲?shù),以 7～9段為一單元?jiǎng)澐殖扇舾纱蠖巍Ｃ繂卧诳撞捎每變?nèi)微差分段,單元之間則采用孔外微差分段,孔內(nèi)微差間隔時(shí)間≮50 ms,孔外微差間隔時(shí)間≮100 ms,從而使單元之間形成完全互不干擾的獨(dú)立的地震波。爆破振動(dòng)監(jiān)測證明,該措施是有效的,既滿足了爆破規(guī)模的要求,又達(dá)到了爆破振動(dòng)安全控制的目的。

4.7 控制最小抵抗線的大小與方向

最小抵抗線與爆破產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度大小有密切關(guān)系,理論和實(shí)踐證明,最小抵抗線大,爆破振動(dòng)強(qiáng)度就大,最小抵抗線小,爆破振動(dòng)強(qiáng)度就小。朝最小抵抗線方向爆破振動(dòng)強(qiáng)度最小,與最小抵抗線相反的方向爆破振動(dòng)強(qiáng)度最大,側(cè)向居中。

在秦山二期擴(kuò)建工程中嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的最小抵抗線大小施工。當(dāng)爆破工作面出現(xiàn)殘留根底時(shí),必須將根底處理完后才允許放炮。關(guān)于最小抵抗線方向的控制,主要是在施工初期開挖工作面時(shí),就有意識(shí)地調(diào)整最小抵抗線方向,盡量避免最小抵抗線背向保護(hù)對(duì)象。當(dāng)出現(xiàn)無法避免的情況時(shí),則采用“V”形或斜線式起爆網(wǎng)絡(luò)[3],以達(dá)到改變最小抵抗線方向的目的,同時(shí)也就是降低了最小抵抗線數(shù)值,取得了良好的降震效果。

4.8 嚴(yán)格控制鉆孔超深

鉆孔的作用是用來克服臺(tái)階底盤巖石的夾制作用,使爆破后不殘留根底,而形成平整的底部平盤。超深過大除造成底部平盤的破壞外,還增大了爆破地震強(qiáng)度。從降震目的出發(fā),我們對(duì)鉆孔超深進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)某施工鉆孔孔深 (含超深)超過了設(shè)計(jì)孔深時(shí),必須將超過部分用堵塞料將其堵塞填實(shí),從而避免因施工原因而造成的爆破振動(dòng)強(qiáng)度的增大。

5 結(jié)語

在運(yùn)營中的核電站附近擴(kuò)建核電機(jī)組的大型基坑開挖爆破的首要問題是對(duì)爆破產(chǎn)生的地震效應(yīng)進(jìn)行有效的安全控制,以確保不對(duì)運(yùn)營中的核電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。在秦山核電二期擴(kuò)建工程中,在業(yè)主、施工單位、爆破監(jiān)測單位和監(jiān)理單位的共同努力下,在施工中采取了若干行之有效的爆破振動(dòng)安全控制的技術(shù)措施,達(dá)到了爆破振動(dòng)安全控制的預(yù)期效果,逾千炮次的爆破振動(dòng)強(qiáng)度均被控制在規(guī)定的閾值范圍以內(nèi),確保了運(yùn)營的 1、2號(hào)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] GB 6722-2007,爆破安全規(guī)程[S].

[2] 張雪亮.爆破地震效應(yīng)[M].北京:地震出版社,1981.

[3] 郭進(jìn)平,等.新編爆破工程使用技術(shù)大全[M].北京:光明日?qǐng)?bào)出版社,2002.

[4] 熊代余,顧毅成.巖石爆破理論與技術(shù)新進(jìn)展[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.

[5] 王文龍.鉆眼爆破[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1984.

[6] 陳作彬.田灣核電站 5號(hào)、6號(hào)機(jī)組負(fù)挖爆破設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2010,37(2):74-78.

[7] 陳作彬.田灣核電站擴(kuò)建山體爆破工程爆破質(zhì)量安全控制[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009,36(3):76-78.

Safety Control on Blasting Vibration in Foundation Pit Excavation of Nuclear Power Plant Extension Project

HAN Wen-hong1,XU Quan-jun2,WEN Zun-li1,JIANG Nan2,LI Zhi-long2(1.Nuclear IndustryNanjing Construction Co.,Ltd.,Nanjing Jiangsu 210003,China;2.Engineering Institute of Engineering Corps.,PLAUST,Nanjing Jiangsu 210007,China)

According to the Qinshan nuclear power plant 2nd phase extension engineering,the monitoring and control on blasting vibration were made in the large foundation pit excavation of new expansion nuclear power plant near the operated one.The effective control on blasting vibration was realized by theoretical analysis and monitoring,and the security of the operating nuclear power plantwas ensured.The vibration absorption measures summarized in this paper could be reference to blasting vibration control of other nuclear power plant.

nuclear power plant;large foundation pit;blasting vibration;safety control

TD235

A

1672-7428(2011)06-0070-03

2011-01-12

韓文紅 (1972-),女 (漢族),陜西蒲城人,核工業(yè)南京建設(shè)集團(tuán)有限公司工程師,巖土工程專業(yè),從事核電爆破工程施工工作,江蘇省南京市察哈爾路 16號(hào),h_wenhong@126.com。