取水隧洞內外爆破振動安全分析

王曉煒

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518031)

鉆爆法是核電工程中取水隧洞開挖施工的常用手段，相比人工開挖，具有施工速度快、人力資源消耗少等優點[1]。取水隧洞由于其上層覆蓋淺，開挖距離短，屬于典型的淺埋式隧道開挖，在整個施工過程中受爆破荷載的沖擊作用，易對隧道圍巖、襯砌、臨近附屬巖基以及地表建(構)筑物產生不同程度的影響，比如引起隧洞失穩塌方、地表不均勻沉降、建(構)筑物破壞等[2]。一般采用爆破區域的質點峰值振動速度是否超過相應安全閾值來判定其對周圍環境的影響[3]。然而，水工隧洞圍巖自身穩定的安全閾值為7～15 cm/s[4]，周圍地表建(構)筑物的振動安全閾值則為5 cm/s[5]，由于傳播機理的不同，爆破產生的地下振動與地表振動在監測系統、預測公式等方面有明顯的差別[6]。在滿足圍巖自身穩定時，地表建筑物的振動超過安全閾值可能發生破壞，或者以地表建筑物安全標準作為判據，在建筑物振動滿足要求時，圍巖自身卻發生失穩垮塌現象。另外，地下爆破與周圍環境的相互作用是一個復雜的系統，按照單一的地下振動監測標準來控制爆破振動具有明顯不足。因此，進行淺埋隧道爆破開挖振動效應研究及監測系統與控制標準的確定具有十分重要的意義。

為研究地下工程爆破開挖過程中振動速度的傳播規律，一些學者對爆破過程的振動進行了現場試驗與數值模擬研究[6-11]。任仕國[12]通過對地鐵車站開挖爆破施工過程中的地震波進行監測并分析其衰減規律，計算得到了施工安全許可的單段最大起爆藥量；高峰等[13]采用灰色關聯法對梅山鐵礦井下爆破振動影響因素進行了系統分析，得到了6個影響因素指標的關聯度排序，為控制礦山爆破對地表構建物的振動影響提供了依據。張俊兵[14]對地鐵暗挖隧道爆破過程中，臨近次高壓燃氣管線的振動進行了監測，得到并驗證了有利于保護燃氣管線的爆破參數。趙春生[15]采用ANSYS數值模擬軟件對新建隧道爆破施工過程中的振動進行了模擬，通過將數值模擬結果與實測結果進行比較，研究了新建隧道的施工對既有隧道的影響。梁瑞等[16]采用ANSYS/LS-DYNA建立了地鐵隧道的管土耦合模型，分析了隧道掘進爆破對既有埋地管道的動力影響，為爆破作業過程中臨近管道的安全控制提供了一定的依據。鄭爽英等[17]結合西安成都客運專線仙女巖隧道爆破工程，采用ANASYS/LS-DYNA對爆源附近石油管道的振動效應進行了模擬，對管道與土體的動力響應進行分析，進而對管道的安全性進行了評估。盡管上述研究對隧道爆破過程中的振動效應進行了一定的研究，但對于核電工程這種具有多項控制要求的地下爆破研究仍然較少。

筆者以廣東臺山核電站取水隧洞爆破工程為背景，通過在開挖面附近的隧道內部與地表共布置6個振動監測點，分析了爆破荷載下地表及地下的振動傳播規律。結合爆破安全規程和核電站爆破安全規定，分析所得結果為具有多項控制要求的核電地下工程爆破監測提供了有效的工程依據。

1 工程概況與測點布置

1.1 工程概況

廣東臺山核電站位于廣東省江門市轄臺山市赤溪鎮腰古村，項目建設地點距臺城約44.5 km，其東面為黃茅海，其余三面環山，東南方向約5 km處為大襟島。該項目中大襟島取水隧洞0+90～0+200 m段采取鉆爆法進行開挖施工，開挖方量為20萬m3。臺山核電站1號取水隧洞為中國越海盾構第一隧，開挖面試驗爆破過程中共進行7次爆破，爆源區距離監測點約30～100 m。爆破開挖區域基巖主要為中粒斑狀黑云母二長花崗巖，地勘資料顯示場區內構造節理較為發育，巖體較為破碎，主要礦物成份為石英、長石。巖體中主要節理優選方位為走向351°～360°，傾角65°～85°，平均頻度4.4條/m，最大節理密度大于6%(見圖1)。北西象限的圓周上單位面積的節理密度最大，其次為南西象限，南東象限和中心較稀疏，說明場區節理大多數為北東東向，其次為北北西向，其它方位的節理發育較弱。

注：數字1～9分別表示節理密度大于6%，6%～5%，5%～4%，4%～3%，3%～2%，2%～1%，1%～0.5%，0.5%～0%，0%。圖1 爆破開挖區巖石節理密度Fig.1 Rock joint density in blasting area

1.2 測點布置

為確保鉆爆法開挖施工過程中隧道圍巖的穩定與地表建筑物的安全，開挖面7次爆破的過程中，監測了隧道內部以及地表不同位置處的質點峰值振動速度。沿隧道方向共布置了6個測點(見圖2)，其中1#～3#為地表監測點，4#～6#為隧道內部監測點，地表監測點與隧道內部監測點大致處于同一垂直線上，且各監測點沿隧道方向與開挖面的距離分別為30、70、100 m。根據監測點與開挖面水平距離的不同，將上述6個監測點所處的位置分為3個區域；其中，1#與4#監測點為I區，其與開挖面的距離較近；2#與5#監測點為II區，其與開挖面的距離處于中等水平；3#與6#監測點為III區，其與開挖面的距離較遠。

圖2 振動監測點布置Fig.2 Layout of vibration monitoring points

2 結果與分析

2.1 爆破振動速度

根據我國現行的《爆破安全規程》(GB 6722-2014)，爆破過程中的質點峰值振動速度可采用薩道夫斯基公式進行回歸分析[18-21]：

(1)

為研究不同距離下不同位置的質點峰值振動速度的衰減規律，將6個監測點的參數代入式(1)即可得到7次爆破開挖過程中各監測點的質點峰值振動速度。不同區域下地表及隧道內部比例藥量與質點峰值振動速度的衰減規律如圖3所示。

圖3 比例藥量與質點峰值振動速度的衰減規律Fig.3 Attenuation law of the proportional charge and the particle peak vibration velocity

當監測點與爆源距離增大時(監測點從I區測點變為III區測點)，各測點的質點峰值振動速度整體呈減小的變化趨勢；當比例藥量增加時，地表測點與隧道內部測點處的質點峰值振動速度均呈增加的變化趨勢。對于距離爆源較近的I區測點而言(見圖3a)，隧洞內部測點處的質點峰值振動速度整體大于地表測點的監測結果，該結果主要與爆源近區受爆破振動波的影響較大有關，此時爆源距對質點峰值振動速度影響占主導作用，爆破對隧洞內部的破壞效應大于其對地表建筑物的影響。

與I區監測結果不同，II區地表測點處的質點峰值振動速度整體大于隧洞內部測點，該結果可能與隧洞內部質點受環向“夾置作用”，自由度少于地表有關，此時爆源距對質點峰值振動速度的影響較小，差異不再明顯。相類似，對于距離爆源較遠的III區測點而言(見圖3c)，地表測點處的質點峰值振動速度大于隧洞內部測點且其兩者的差距進一步增大，此時地表振動呈現“鞭梢效應”。因此，由上述兩種情況可知，隧洞爆破過程中對距離爆源較遠的區域進行監測時，僅僅監測隧洞內部的峰值振動速度不足以保證地表建筑物的穩定與安全，需同時建立監測地上與地下爆破振動的系統。

2.2 不同區域爆破衰減規律

采用規范中推薦的薩道夫斯基公式對圖 3中的數據進行回歸分析，可得到不同區域測點的爆破振動衰減規律。不同區域下地表和隧洞內部地形系數及衰減系數如圖4所示。

圖4 地形系數及衰減系數Fig.4 Terrain coefficients and attenuation coefficients

由圖4可知，不同區域的地形系數與衰減系數k,α相差較大，在I區與II區，地表振動的衰減指數α略大于隧洞內部，且地表振動隨爆源距的增加呈減小趨勢，故呈現出隧洞內部的振動速度大于地表振動；然而，隨爆源距增加，隧洞內部的振動衰減系數整體呈增加的變化趨勢，且III區隧洞內部的衰減系數遠大于地表，約為地表部分的2倍，故出現地表振動速度大于隧洞內部振動速度的現象。

傳統的隧洞開挖監測系統是通過單一的監測隧洞自身內部的振動速度來控制其不超過相應安全判據。然而，由上述試驗結果可知，在距離爆源較近的的I區區域，隧洞內部的振動大于地表振動；當圍巖滿足自身穩定性7 cm/s的要求時，地表建筑物不一定完全滿足安全判據5 cm/s；對于II區而言，二者振動速度相差不大，故可以通過監測地表振動來同時控制隧洞和地表建筑物的安全；在距離爆源較遠的III區區域，地表振動速度大于隧洞內部振動，只需要監測地表建構筑物使其不超過控制標準5 cm/s即可。由此可見，對于核電取水隧洞的鉆爆開挖安全控制系統的建立，僅僅監測隧洞內部圍巖穩定是不夠的，因而全方位的分區域建立地上地下監測系統就顯得至關重要。

2.3 隧洞爆破不同區域頻譜特征

試驗表明，爆破產生的振動災害不僅體現在質點峰值振動速度上，其頻譜特性也是決定災害程度的重要因素。在此，以地面2#監測點和隧洞內部5#監測點為例，對比分析了單孔裝藥量條件下上述兩點的振動波形(見圖5)。盡管2#測點比例距離大于5#測點，但其峰值振動速度仍大于隧洞內部。應力波傳至地表，因反射應力波作用，測點速度出現疊加，且疊加區只出現在波尾時刻。

圖5 單孔裝藥量條件下5#和2#監測點的振動波形Fig.5 Vibration wave form of monitoring point 5 and point 2 under single hole charge

對于某質點速度時程曲線v(t)，可通過傅里葉變換將其轉換為頻域空間曲線F(ω)

(2)

式中：ω為振動波的圓頻率。

通過變換得到不同位置的頻譜(見圖6)。結果表明，隧洞內部測點的振動頻率普遍高于地表測點，主振頻率范圍為50～100 Hz，在1～2 s內普遍處于該水平。而地表點的主振頻率約為50 Hz，主要局限在波尾段，是由入射波和反射波疊加造成，在0～2 s內，主振頻率要小于隧洞內測點振動，因此在評估爆破的破壞作用時，需綜合考慮不同測點的頻譜差異進行分析。

圖6 單孔裝藥量條件下5#和2#監測點的振動波頻譜Fig.6 Vibration frequency spectrum of monitoring point 5 and point 2 under single-hole charge

3 結論

1)地下爆破引起的地下振動與地表振動差異較大，且該差異與爆源距具有較大關系。

2)在距離爆源較近的I區區域內，地下振動速度明顯大于地表振動速度，此時僅監測隧洞內部振動不一定完全保證地表建筑物的安全，需要同時在地下及地表部分布設監測點。

3)在II區區域內，地下振動速度與地表振動速度振動差異較小，原則上可以通過監測地表振動來控制地上及地下巖體穩定性，為安全起見，建議地上地下均布設相應監測點。

4)在距離爆源較遠的III區區域，地表振動大于地下振動，由于地上部分的控制標準嚴于隧洞穩定性控制標準，可以通過監測地表振動來同時控制二者安全。