爆破振動監(jiān)測技術在仙居抽水蓄能電站地下廠房開挖施工中的應用

陳 俊 濤

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

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爆破振動監(jiān)測技術在仙居抽水蓄能電站地下廠房開挖施工中的應用

陳 俊 濤

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

對仙居抽水蓄能電站地下廠房開挖過程中爆破振動監(jiān)測技術的應用進行了簡述，對監(jiān)測原理、監(jiān)測方法等進行了具體的描述，可為其他類似工程提供參考。

仙居抽水蓄能電站；地下廠房；爆破振動監(jiān)測；技術

1 概 述

仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣湫山鄉(xiāng)境內(nèi)，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，安裝4臺單機容量為375 MW的立軸單級混流可逆式水輪發(fā)電機組(國內(nèi)單機最大)，總裝機容量為1 500 MW，年平均發(fā)電量為25.125億kW·h，年平均抽水電量32.63億kW·h。

該電站主要地下洞室為主副廠房洞、主變洞等，其中主副廠房洞總長176 m，下部開挖寬度25 m，上部開挖寬度26.5 m，最大開挖高度為55 m。副廠房、主廠房、安裝場從左到右呈“一”字型布置于主副廠房洞內(nèi)，其中主廠房長113 m；安裝場長44.5 m，開挖高度25.7 m；副廠房長18.5 m，寬度上下相同，為25 m，最大開挖高度為51.5 m。主變洞工程位于主副廠房洞下游，兩洞凈距為38.3 m；主變洞開挖尺寸為169.7 m×19.5 m×22.5 m(長×寬×高)，與主副廠房通過交通電纜洞、主變運輸洞及4條母線洞相連，與尾閘洞通過尾閘交通洞相連。

廠房頂拱出露的巖性為角礫凝灰?guī)r，巖體完整～較完整，部分受節(jié)理、巖脈切割的影響完整性差～較破碎。斷層有f(48)和F(49)，其中，f(48)規(guī)模較小，F(xiàn)(49)雖具有一定規(guī)模且性狀較差，但其傾角較陡，與洞軸線交角達75°～85°，對洞室整體穩(wěn)定不會有太大的影響，故廠房圍巖穩(wěn)定主要受結構面組合控制。f(48)和βμ-⑤交角大，與其它陡傾角節(jié)理形成的組合為倒四棱錐體，對頂拱圍巖無大的不利影響，但兩者交接部位(斷層局部、巖脈的下盤巖體)可能會出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，需加強支護處理。根據(jù)對結構面組合進行分析得知，斷層或節(jié)理①或②與④、⑤互相組合可形成楔形體，PD10-2支硐中局部硐段呈“人”字狀硐頂即屬此類節(jié)理組合造成。從鉆孔揭示的地質(zhì)條件看，在頂拱高程附近有少量緩傾角節(jié)理發(fā)育，因此，在地下廠房頂拱局部可能存在陡、緩傾角節(jié)理不利組合產(chǎn)生的不穩(wěn)定楔體。其它主要節(jié)理(優(yōu)勢結構面)組合對頂拱圍巖基本無影響，僅有局部隨機節(jié)理與上述主要節(jié)理構成隨機塊體。

邊墻部位圍巖穩(wěn)定性主要受結構面組合控制，推測廠房區(qū)④、⑤組節(jié)理發(fā)育，與①或②組節(jié)理組合可在邊墻形成不穩(wěn)定塊體。另外，③組節(jié)理在PD10平硐內(nèi)密集發(fā)育，間距為3～5 cm，節(jié)理面充填鈣膜，出露于主廠房上游邊墻上游50 m外且與邊墻近平行，如該組節(jié)理發(fā)育范圍在深部向下游擴大，則邊墻巖體可能較破碎并將影響邊墻圍巖的穩(wěn)定，尤其是上游邊墻。主副廠房右端墻出露斷層f(48)和βμ-⑤巖脈，兩者交于右端墻，由于巖脈在平硐性狀較差，與圍巖接觸面有擠壓現(xiàn)象，故該部位圍巖穩(wěn)定性差；①組節(jié)理與廠房左端墻呈小交角相交，受開挖卸荷影響可沿節(jié)理產(chǎn)生卸荷拉裂或形成片幫。總之，地下廠房無大的不利結構面組合，圍巖穩(wěn)定性好。

主變洞平行布置于廠房下游，圍巖為新鮮、堅硬的角礫凝灰?guī)r和少量的凝灰質(zhì)砂巖，巖體完整～較完整，工程地質(zhì)條件與廠房類似，圍巖穩(wěn)定性總體較好，其頂拱亦存在節(jié)理①或②與④、⑤互相組合形成局部不穩(wěn)定楔體；花崗閃長斑巖脈γδπ-(14)斜切上下游邊墻，與斷層F(49)及節(jié)理①和④組合，在上游邊墻可形成里小外大的不穩(wěn)定楔體。另外，由于該巖脈與邊墻交角小，其上游邊墻的上盤和下游邊墻的下盤巖體受節(jié)理切割的影響，穩(wěn)定性差。

2 實施爆破振動監(jiān)測的目的

考慮到工程自身的爆破振動影響和地質(zhì)特征以及設計對爆破振動的指標影響，在施工過程中沒有類似的參數(shù)可以借鑒，因此，通過對地下廠房開挖施工進行爆破振動監(jiān)測以達到以下目的：

(1)通過爆破振動監(jiān)測與試驗，獲取爆破振動沿不利斷面或不安全方向的振動衰減傳播規(guī)律，回歸計算爆破振動傳播公式，估算開挖爆破的最大允許藥量與安全距離，為確定爆破施工方案與爆破參數(shù)提供依據(jù)；

(2)通過爆破振動監(jiān)測與試驗，評價爆破施工方案和爆破參數(shù)的合理性，為控制與優(yōu)化爆破施工參數(shù)提供依據(jù)；

(3)通過爆破振動監(jiān)測，測定開挖爆破作業(yè)對振動敏感建(構)筑物、巖土體的振動影響程度，并根據(jù)相關規(guī)范和標準，對其安全性做出評估，并為控制或調(diào)整爆破參數(shù)提供依據(jù)。

3 爆破振動監(jiān)測及控制方案

3.1 監(jiān)測原理

由于炸藥在巖石中的爆破作用，使安裝布置在監(jiān)測質(zhì)點上的傳感器隨質(zhì)點振動而振動，使傳感器內(nèi)部的磁系統(tǒng)、空氣隙、線圈之間作相對的運動并變成電動勢信號，電動勢信號通過導線輸入可變增益放大器將信號放大，進入AD轉換，再通過時鐘、觸發(fā)電路，同時也通過存儲信號保護，再通過CPU系統(tǒng)輸入計算機，采用波形顯示和數(shù)據(jù)處理軟件進行波形分析和數(shù)據(jù)處理。其原理流程見圖1。

3.2 監(jiān)測方法

圖1 爆破振動檢測原理流程圖

爆破振動監(jiān)測為實時監(jiān)測，故在爆破前應根據(jù)實地調(diào)查結果進行細致的準備工作，并嚴格按照工作流程進行工作。

為確保監(jiān)測資料的準確可靠，首先對爆破點附近的作業(yè)環(huán)境進行詳細準確的調(diào)查，確定監(jiān)測對象，然后在爆破前對監(jiān)測系統(tǒng)進行檢查、檢測和標定，同時根據(jù)監(jiān)測對象與爆破點的相對位置關系確定測點位置及布置方法，提前進入現(xiàn)場進行安置，根據(jù)爆破時間進行監(jiān)測。

3.3 測點布置

根據(jù)設計文件及現(xiàn)場的實際情況，將爆破振動測點布置在所需監(jiān)測的地表或需要測定爆破振動質(zhì)點的構筑物上。傳感器的安裝必須穩(wěn)固，否則質(zhì)點的速度監(jiān)測數(shù)據(jù)將產(chǎn)生失真現(xiàn)象，一般采用石膏固定傳感器效果較好。還應注意對傳感器的保護，使其避免受到爆破碎石或其它物體的物理性損傷。另外，必須注意傳感器的方向性。

(1)測點布置遵循的原則。

最大振動斷面發(fā)生的位置和方向監(jiān)測；

爆破地震效應跟蹤監(jiān)測；

爆破地震波衰減規(guī)律監(jiān)測。

(2)測點的布置方法。

按照上述原則和爆破地震的傳播規(guī)律以及以往的經(jīng)驗，第一次在主廠房第二層進行爆破振動監(jiān)測時，從廠右至廠左呈直線布置了6個測點，其中各測點距離爆破中心的距離依次為7.7 m、11.8 m、21.2 m、30.2 m、45.2 m和64.4 m；第二次在主廠房第三層進行爆破振動監(jiān)測時，分別在廠房上游和下游巖錨梁上各布置了兩個測點，各測點距離爆破中心的距離依次為13.1 m、29.1 m、14.3 m和29.7 m；第三次在主廠房第三層進行爆破振動監(jiān)測時，分別在廠房上游和下游巖錨梁上各布置了兩個測點，各測點距離爆破中心的距離均為14.1 m；第四次在主變運輸洞進行爆破振動監(jiān)測時，分別在廠房下游側巖錨梁上布置了兩個測點，各測點距離爆破中心的距離依次為10.2 m和15.8 m；第五次在主廠房第四層進行爆破振動監(jiān)測時，分別在廠房上、下游側的巖錨梁上布置了四個點，各測點距離爆破中心的距離依次為22.2 m、24.7 m、17.4 m和13.5 m；第六次在排煙豎井進行爆破振動監(jiān)測時，在安裝間底板布置了兩個測點。每個測點布置垂直方向、水平方向和水平切向的傳感器。

3.4 爆破振動監(jiān)測

3.4.1 爆破振動速度監(jiān)測系統(tǒng)

爆破振動速度監(jiān)測系統(tǒng)一般由拾振器(或測振儀配合傳感器)和記錄器(包括計時器)兩個部分組成。

3.4.2 監(jiān)測儀器

該工程爆破振動監(jiān)測使用TC-4850爆破測振儀及其配套傳感器，TC-4850測振儀可連接一只三分量的速度傳感器，同時記錄測點三個方向的振動信號。測振儀必須經(jīng)法定機構校準并處于有效期內(nèi)。

3.4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與分析

采用自動記錄儀將速度傳感器測得的測點水平徑向、水平切向和垂直方向上的振動速度進行記錄。所記錄的振動波形應有時間標尺，并標出最大振幅值和所處時刻。

然后需要對爆破振動質(zhì)點速度進行回歸分析，模擬出其傳播規(guī)律。回歸分析可根據(jù)測點高程不同采用分組進行，選擇相互之間高差較小的測點作為一組，采用薩道夫斯基公式進行回歸分析：

Vmax=K(Q×1/3/R)a

式中Vmax為測點最大振動速度，應分三個方向進行統(tǒng)計分析；K、a為衰減系數(shù)；Q為爆破裝藥量，齊發(fā)爆破時為總裝藥量，延時爆破時為最大一段藥量；R為測點至爆源的距離。

按照最小二乘法原理，根據(jù)爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以求出K、a值。K、a值與爆區(qū)地形、地質(zhì)條件和爆破條件相關，但K值更依賴于爆破條件的變化；a值主要取決于地形、地質(zhì)條件的變化，爆破臨空條件好，夾制作用小，K值就小，反之，K值大；地形平坦，巖體完整、堅硬，a值趨小，反之，破碎、軟弱巖體，地形起伏，a值趨大。根據(jù)相似工程經(jīng)驗，K取值范圍大部分在50～1 000之內(nèi)，a值取值在1.3～3之間。對于近距離振動衰減規(guī)律和遠距離衰減規(guī)律可分開考慮，當比例距離R’=R/Q≤10，為近距離，R’=R/Q>10時為遠距離。近距離振動時K值較大，可達500以上；a值較大，可達2～3；遠距離爆破振動時，K達130～500；a值為1.3～2。

3.5 儀器操作注意事項

(1)傳感器的測量方向必須準確。安裝時應使用水平尺及羅盤，對傳感器的安裝進行調(diào)平并調(diào)方向，確保三維測量方向的正確。

(2)傳感器安裝位置應選擇在被監(jiān)測物形成一體的結構上，并選取離爆點最近的位置。

(3)傳感器必須與被監(jiān)測物可靠粘結，粘結劑可選擇石膏粉、AB膠，也可以選擇以夾具或磁座方式，與被測物形成剛性聯(lián)接。

(4)傳感器與儀器的連接必須可靠，連接完成后，可輕拽線纜并確認線纜已接好；儀器進入信號等待狀態(tài)后，輕輕用手指敲擊傳感器，觀察儀器是否記錄，確保傳感器及儀器可靠工作。

(5)現(xiàn)場使用時，應先安裝好傳感器并將傳感器線纜與儀器完成連接后，才能打開儀器電源；電源打開后30 s內(nèi)若不進行操作，儀器將自動進入采集等待狀態(tài)。

4 爆破振動監(jiān)測成果

第一次爆破振動監(jiān)測位置布置在廠房第二層，采用乳化炸藥，總裝藥量為15 kg，總炮孔數(shù)為1個，單段最大藥量15 kg，爆破監(jiān)測點距離爆源的鉛直距離分別為7.7 m、11.8 m、21.2 m、30.2 m、45.2 m和64.4 m。檢測結果顯示的最大振速依次為28.92 cm/s、 11.052 cm/s、7.022 cm/s、

3.521 cm/s、2.804 cm/s和1.441 cm/s。根據(jù)薩道夫經(jīng)驗公式，采用最小二乘法對爆破試驗進行擬合回歸計算，K值為100；a值為1.35。初步確定主廠房第二層爆破振動參數(shù)K值為100，a值為1.35。

第二次爆破振動監(jiān)測位置布置在廠房第三層，采用乳化炸藥，總爆破孔數(shù)為6個，單孔藥量為18 kg，總裝藥量為108 kg，分4個段位，單段最大藥量為36 kg。爆破振動測點共4個，分別布置在上下游巖錨梁上。監(jiān)測成果表明：JC1三分量和JC2水平切向的最大振速超出控制標準7 cm/s，其中JC1三分量的最大振速分別為9.986 cm/s、9.913 cm/s和11.645 cm/s；JC2水平切向的最大振速為8.226 cm/s，振動主頻范圍為74.8～320 Hz。兩個超出控制標準的監(jiān)測點JC1 和JC2均位于上游側巖錨梁，一方面由于上游側巖錨梁監(jiān)測點距離爆區(qū)相對較近；另一方面由于交通洞過道靠近下游側巖錨梁其減振作用致能量衰減較快，所以兩側監(jiān)測振動速度相差較大。

第三次爆破振動監(jiān)測布置在主副廠房第三層，采用乳化炸藥，總炮孔數(shù)共28個，單孔藥量18 kg，總裝藥量504 kg，共分28段，單孔單段，單段最大藥量為18 kg。爆破振動測點共4個，分別布置在上下游巖錨梁上。監(jiān)測成果表明：各監(jiān)測點的水平徑向最大振速范圍為3.652～5.541 cm/s，水平切向最大振速范圍為2.484～6.213 cm/s，鉛直向最大振速范圍為4.082～6.933 cm/s，振動主頻范圍為54.8～210.5 Hz，各測點均在控制標準之內(nèi)。臨空面?zhèn)鹊谋O(jiān)測點最大振動速度相對較小。

第四次爆破振動監(jiān)測布置在主變運輸洞，采用乳化炸藥，總裝藥量為36.4 kg，單段最大藥量為8.4 kg。本次主變運輸洞開挖爆破振動監(jiān)測在爆區(qū)正上方和端墻拐角處巖錨梁上各布置了1個監(jiān)測點，其編號依次為JC1和JC2。監(jiān)測成果表明：各監(jiān)測點的水平徑向最大振速范圍為2.244～4.528 cm/s，水平切向最大振速范圍為1.898～4.88 cm/s，鉛直向最大振速范圍為3.074～4.184 cm/s，振動主頻范圍為86～190.5 Hz。本次各監(jiān)測點的測值均未超出控制標準。施工方嚴格控制了單段最大藥量，合理布置了爆破網(wǎng)絡并采取了相應的減振措施。

第五次爆破振動監(jiān)測布置在廠房第四層，采用乳化炸藥，總炮孔數(shù)為6個，單孔藥量為18 kg，總裝藥量為108 kg,孔深7.25 m，段數(shù)4段，單段最大藥量36 kg。本次地下廠房第四層開挖爆破振動監(jiān)測在距爆區(qū)邊緣最近的巖錨梁上布置了4個監(jiān)測點，監(jiān)測成果表明：第四點的水平徑向最大振速超出控制標準7 cm/s，其值為8.707 cm/s；其它監(jiān)測點的測值均在控制標準之內(nèi)，各監(jiān)測點振動主頻范圍為25.2～500 Hz。由此判定：靠近上游側巖錨梁監(jiān)測點的振動速度明顯大于下游側巖錨梁，故應合理布置爆破區(qū)域，對于距爆破區(qū)域較近側應采取減振措施(預裂或開挖減振溝)。

5 結 語

在浙江仙居抽水蓄能電站開挖施工過程中，通過適時進行爆破振動監(jiān)測，為開挖過程提供了合理的爆破施工方案和爆破參數(shù)，為控制與優(yōu)化爆破施工參數(shù)提供了理論依據(jù)和支持，使仙居抽水蓄能電站地下廠房的開挖施工做到了安全、優(yōu)質(zhì)。

(責任編輯：李燕輝)

2017-04-23

TV7;TV554;TV52；TV743；TV542

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1001-2184(2017)03-0024-04

陳俊濤(1983-)，男，河南三門峽人，項目經(jīng)理助理，工程師，學士，從事水電工程施工技術與質(zhì)量管理工作.