陶岔渠首樞紐工程新老閘銜接段開挖控制爆破及振動監測技術研究

王秀明 王鐵山 劉琴文

(中國水利水電第十一工程局有限公司,河南鄭州 450000)

陶岔渠首樞紐工程新老閘銜接段開挖控制爆破及振動監測技術研究

王秀明 王鐵山 劉琴文

(中國水利水電第十一工程局有限公司,河南鄭州 450000)

本文結合作者實際工程經歷與經驗,就南水北調工程陶岔渠首樞紐工程新老閘銜接段開挖控制爆破及振動監測技術進行相關研究,以期對以往工程進行總結。

南水北調 銜接 爆破 震動監測

1 工程概況

陶岔渠首樞紐工程位于丹江口水庫東岸的河南省淅川縣九重鎮陶岔村，既是南水北調中線輸水總干渠的引水渠首，也是丹江口水庫副壩，初期工程于1974年建成，渠首閘頂高程162m，承擔引丹灌溉任務。南水北調中線一期工程建成后，該樞紐擔負著向北京、天津、河北、河南等城市輸水的任務，是南水北調中線工程的重要組成部分。陶岔渠首樞紐位于原渠首閘下游約70m，由引水閘和電站等組成，電站裝機容量50MW。水閘上游為長約4km的引渠，與丹江口水庫相連，水閘下游與總干渠相連。閘壩頂高程176.6m，軸線長265m，共分15個壩段。包括左、右岸各5個非溢流壩段，安裝廠壩段、電站廠房壩段，三孔2個壩段的引水閘。

2 新老閘銜接段爆破開挖

由于新、老閘相距較近，為搶新閘主體施工及不影響老閘正常穩定運行，將基坑廠房壩段及引水閘壩段上游側部分石方開挖作為二期進行施工。新老閘銜接段石方開挖項目是在新樞紐主體建筑物已基本施工成型的復雜環境條件下實施。爆破開挖對新閘會造成結構和設備的損壞，對混凝土產生振動影響，因此，新老閘銜接段爆破開挖需確保新閘安全。在新老閘銜接段石方爆破開挖前，進行爆破試驗。試驗目的是尋求科學的控制爆破方法與工藝，為施工方案選取及鉆爆參數的確定提供依據，并全面研究不同爆破條件下的爆破振動特性及振動傳播規律。試驗針對新老閘銜接段開挖爆破方案、爆破工藝及參數進行調整與優化，進行相應的爆破振動觀測與分析；通過巖體彈性波檢測評估爆破影響范圍。

3 試驗及監測工程實施基本情況

新老閘銜接段石方爆破試驗及監測工作從2012年7月1日開始準備，7月8日試驗人員及儀器設備到達現場，爆破試驗工作選定在引水閘壩段上游EL150m平臺巖石開挖部位進行，便于試驗并使試驗結果具有代表性。按照計劃，試驗重點研究閘室進口坡面輪廓控制爆破方法。本階段試驗工作主要結合引水閘上游EL150m平臺爆破開挖進行，通過生產性試驗，對爆破工藝及參數進行調整與優化，確定經濟、合理的鉆爆參數；同時進行相應的爆破振動觀測與分析，研究當前地質及爆破條件下的爆破振動特性及振動傳播規律。另外，還對使用的雷管、炸藥、導爆索等爆破材料進行相關性能的檢測。

4 爆破振動監測方案

4.1 原理

目前，爆破界一般通行使用前蘇聯M.A薩道夫斯基經驗關系式作為質點振動速度衰減規律的回歸方程：

式中：V—峰值質點振動速度，cm/s；Q—單響最大藥量，kg；R—爆心距或波行距，m；K，α—回歸系數，與地形地質條件及爆源類型有關。

然后再通過允許的建筑物和保護對象的安全質點振動速度，反求今后每次爆破時的允許最大裝藥量，從而使每次在構筑物和保護對象附近爆破時，將其質點振動速度控制在允許范圍內。

4.2 監測方法與技術

在進行現場常規爆破監測的同時，需在爆區(源)附近和敏感區域附近布置宏觀調查區，進行爆破施工前后的宏觀調查。具體在鄰近爆區的敏感部位布設觀察點，先對觀測點進行沖洗，然后噴涂標志進行爆破前后的宏觀調查，綜合分析該部位爆破受振情況。通過跟蹤調查，及時反饋調查結果，調整爆破參數，以達到減小爆破地震效應的目的。陶岔渠首樞紐主體工程新老閘銜接段爆破施工區域周邊環境復雜，施工干擾大、需監測保護對象分布較分散。在具體監測過程中，根據爆區位置，合理安排爆破振動監測點的布設。

表1 新老閘銜接段開挖爆破試驗質點振動峰值速度統計表

4.3 爆破振動監測依據

我國現行的有關國家標準和行業標準也都采用質點振動速度作為安全控制標準，本標段監測工作選用質點振動速度—頻率的控制標準。結合類似工程的實踐經驗綜合分析研究確定各動態監測部位(保護對象)的允許最大質點振動速度安全控制標準，根據《爆破安全規程》規定的爆破振動安全允許標準，參照大體積混凝土、鋼筋混凝土結構房屋的要求，將新老閘壩、新澆混凝土和帷幕灌漿(壩基灌漿均超28d齡期)的安全標準分別定為：爆破振動頻率為f＞50 Hz時，安全允許振速為10cm/s、5cm/s和2.5cm/s。

5 監測成果分析

5.1 工作布置

根據現場開挖爆破施工實際情況，以及結合工區周邊具體環境分析，相關監測工作布置情況如下：在起爆前2小時進入指定點埋設監測儀器，進行爆破振動監測數據采集工作，爆破結束后收集監測設備數據，分析數據做資料初步處理。具體監測點布置采用動態布置，具有不固定性，根據現場監理指定或實際爆破施工部位及爆破規模合理選擇監測(保護)對象進行質點振動速度監測。在進行爆破監測時，測點選擇原則為：選擇距爆區近、具有控制性作用的重要建(構)筑物，在關鍵部位布置測點進行爆破質點振動速度監測。根據現場實際情況及相關文件要求，具體監測保護對象：主廠房；引水閘；帷幕灌漿部位。

根據確定的本二期工程爆破作業重要安全保護對象，在引水閘壩段、主廠房壩段壩頂、壩踵、灌漿廊道內分別布設六個監測點，進行質點振動速度安全監測。

5.2 監測數據

現場生產性試驗爆破振動監測共計監測爆破2次，共布置7個監測點，采集現場爆破監測數據30點·次。各監測部位實測爆破質點振動峰值速度統計見表1。

5.3 成果分析

本監測區主要對新閘主廠房、引水閘、帷幕灌漿廊道等部位進行振動監測，爆心距40～60m，單響藥量20Kg，單次起爆總藥量364～800Kg。由新老閘銜接段開挖爆破試驗質點振動峰值可見，最大振速發生在10#壩段帷幕灌漿廊道監測點，水平X方向2.35cm/s，接近壩基灌漿(7～28天)2.5cm/s安全標準。總體上振動數值在現行振動安全控制標準范圍內，因此振動不會對混凝土建筑結構安全產生影響。根據各監測部位振動峰值來看，陶岔渠首樞紐新老閘銜接段開挖爆破試驗產生振動，符合爆破振動傳播理論的一般規律，真實反映了客觀實際。

6 爆破試驗結論及建議

根據本階段試驗及監測工作，可以得出如下結論及建議：(1)引水閘上游EL150.0m平臺及電站進口上部巖石爆破開挖可以按照單耗0.35～0.4kg/m3、間排距按1.5～5.0m×1.5～2.5m來控制炮孔布置及裝藥，在鉆孔過程中遇到巖石風化程度變化較大時，適當調整間排距；在爆破裝藥、聯網過程中，要保證各炮孔雷管段別正確，聯接可靠，并注意不得損壞導爆管。(2)當巖性條件發生改變，或施工部位靠近陶岔新閘樞紐時應加強爆破振動觀測。(3)施工過程中使用的火工品性能是基本滿足要求的，但也有個別雷管延時誤差較大。在新老閘銜接段爆破開挖中，建議雷管跳段使用，防止因雷管延時誤差出現串段現象，從而影響爆破效果，并出現前后段爆破震，動波形疊加現象。(4)為了保證爆破網路準爆和施工安全，建議起爆雷管使用瞬發電雷管。(5)對引水閘上游EL150.0m平臺上部強風化層邊坡，從試驗來看，無論是采用預裂還是光面爆破均難以達到理想效果，建議邊坡處理采用預留50cm保護層，在出渣時挖掘機直接進行修坡的方法。

7 結語

通過對爆破試驗及大規模爆破振動監測相關數據資料的整理分析，綜合得出以下結論：

(1)陶岔渠首樞紐工程新老閘銜接段爆破施工過程中開展了科學規范的爆破振動監測工作。從新老閘銜接段爆破監測情況來看，最大振速發生在8月28日8#壩段壩踵混凝土監測點，垂直Z方向6.00cm/s，該混凝土齡期超過28天，振動數值在現行振動安全控制標準范圍內；7月20日灌漿廊道10#壩段振動數值X方向2.35cm/s，接近壩基灌漿(7～28天)2.5cm/s安全標準，完全滿足技術要求。監測成果表明本次爆破施工引起建(構)筑物振動符合國家現行振動安全控制標準，不會對工區周邊建(構)筑物安全產生影響。(2)通過監測點部位附近爆破試驗前后宏觀調查，結果表明開挖爆破施工對周邊區域環境及建(構)筑設施未造成不利影響。(3)在研究爆破設計的同時，通過振動監測，達到不采取特殊措施，只控制單響藥量的方法來進行控制爆破，舍棄了以往破碎錘開挖及靜態爆破劑開挖的措施，節約施工時間，降低施工難度，節約施工成本；同時也為是否對新閘建筑物及新閘帷幕安全產生危害提供了評判依據，即使老閘因年久老化或新樞紐輕微振動，個別構件和部位出現異常情況，此次監測的翔實數據也為評判提供了有力的證據，減少不必要的經濟損失。

王秀明(1971.10-),男,大學本科學歷,畢業于華北水利水電學院水利工程專業,主要從事技術管理工作。