抽水蓄能電站地下洞室開挖爆破振動監測研究

李克友 許慧璽

【摘 要】抽水蓄能電站一般設計有大量地下洞室。用爆破方式進行地下洞室開挖是當前工程建設最主要的方式。爆破對周圍建（構）筑物產生振動是影響爆破安全的重要因素。為有效控制爆破振動對爆破周邊建（構）筑物的破壞，保證施工安全和質量，對爆破開挖引起的振動進行監測控制十分必要。文章結合某抽水蓄能電站地下廠房開挖情況，分析地震波的傳播規律，并指導工程爆破參數設計和后續施工，同時開展爆破振動規律持續性優化分析，取得了較好的應用效果。

【關鍵詞】抽水蓄能電站;地下洞室;爆破開挖;振動監測

【中圖分類號】TV52 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0062-04

0 引言

爆破開挖工程在水電站建設階段被廣泛應用。爆破振動是影響爆破安全的重要因素。近年來，因爆破振動引起建（構）筑物破損、邊坡垮塌等現象十分常見，嚴重影響工程建設的進度、質量和安全，使得工程建設的社會效益和經濟效益大打折扣。與常規水電站相比，抽水蓄能電站有大量的洞室群。例如：地下廠房、主變洞、引水洞、尾水洞、調壓井、進廠交通洞、施工支洞、上下水庫連接道路隧洞等。由于工作面較多，爆破開挖與噴射混凝土、錨桿注漿、基礎灌漿、大體積混凝土澆筑等工序往往需要交叉進行。若在爆破開挖過程中不進行有效控制，就會嚴重影響錨桿的錨固質量、噴射混凝土與巖石的黏結強度、導致新澆混凝土開裂等，嚴重影響工程質量。地震波的能量一般隨傳播距離呈指數衰減。但受到巖石類型、巖石風化程度、場地類型、地質構造等因素影響，衰減規律又各不相同。因此，對具體的工程場地需要進行地震波傳播規律研究。為保證施工安全、施工質量，需對爆破開挖引起的振動進行監測，分析場內地震波的傳播規律，并以此指導后續工程爆破參數設計和施工[1-2]。

本研究以某抽水蓄能電站地下廠房爆破開挖為研究對象，開展爆破地震監測。了解開挖爆破對周圍巖體的影響程度，研究場內地震波傳播規律。并依據監測成果，不斷優化爆破設計，調整爆破參數[3-4]。

1 方法原理

采用質點振動實時監測法。爆破地震效應是爆炸時起爆區一定范圍內，地表及建筑物振動現象的一種反映。振動能量超過一定限度時，會對地表及建筑物產生一定的破壞作用。工程爆破在取得巨大的經濟效益的同時，也會產生一系列的危害。爆破安全至關重要，爆破的整個過程必須嚴格執行國家《爆破安全規程》的規定。除布置合理的監測儀外，還應對爆破的危害效應如沖擊波、地震波、飛石等加以控制與防護，應對沖擊波、地震波等不良影響的參數進行測定，準確分析與研究這些參數的變化與分布規律，進而確定相應的控制方法和措施。

爆破地震波在不同的介質中傳播，既受介質性質的影響，又受地質構造、爆破藥量和起爆方式等諸多因素的影響，因此地震波的波形結構十分復雜，差異很大，甚至在同一地區重復爆破測得的波形和振動幅值也不盡相同，由此通過對不同距離的地震強度的測量，建立描述地震強度隨炸藥量、藥包埋深和爆區介質特征隨距離因素的變化的數學表達式，了解地震波的傳播與衰減規律，同時對地震波傳播范圍內各種建（構）筑物等進行爆破振動強度、頻率和持續時間的監測，得出建（構）筑物等受破壞時相應的振動強度等參數。我國的《爆破安全規程》是以質點振動速度為判據，制定出不同建（構）筑物的安全允許標準，同時給出計算爆破振動衰減規律時，不同地質、地形條件下的數學表達式中的K和α的數值，用以預報爆炸源在一定藥量不同距離條件下，建（構）筑物所遭受破壞與不被破壞的狀態。

爆破開挖引起的地震波在介質中傳播，受場地巖石性質、斷層破碎帶分布、爆破藥量、起爆方式等因素影響，不同場地、部位，差異較大。通過對地震波進行監測，了解場地地震波衰減規律。

爆破質點振動速度主要與爆破單響藥量、爆破方式和爆源距有關。在理想介質中，其傳播規律符合薩道夫斯基公式，該公式如下。

公式（2）中：V為質點振動速度，單位為cm/s;Q為最大單響藥量，單位kg;R為藥量分布幾何中心至監測點距離，單位為m;H為監測點與爆源的高差，單位為m;K、a為與場地地質條件、巖體特性、爆破條件，以及爆破區與觀測點相對位置等有關的常數;β為高差影響指數[5]。

2 工程概況

某抽水蓄能電站樞紐工程主要由上水庫、下水庫、水道系統和地下廠房系統等部分組成。輸水系統建筑物包括上下庫進/出水口、引水洞、上游調壓井、鋼岔管、高壓引水支洞、尾水洞等;輸水系統總長度為3 616.1 m（①機），輸水系統長度與發電額定水頭比7.09。

引水主洞采用一洞兩機布置方式，主洞洞徑為6.0 m，鋼岔管;尾水系統采用一洞一機的布置方式，洞徑為4.4 m。

廠房系統由地下廠房系統建筑物和地面廠房系統建筑物兩個部分組成。下廠房系統建筑物主要包括主副廠房洞、主變洞、母線洞、排風平洞、排風豎井、500 kV電纜出線平洞、500 kV電纜出線豎井、進廠交通洞、主變運輸洞、通風兼安全洞、電纜交通洞、排水廊道、自流排水洞等洞室;地面廠房系統建筑物主要由GIS開關站、出線平臺、繼保樓等地面建筑物組成;中控樓放置業主營地內。主廠房長156.50 m，寬23.50 m（巖壁吊車梁以上寬25.00 m），高55.00 m，包括安裝場段、主機段和副廠房段;主變洞長154.92 m，寬20 m，高21.3 m。

工程區出露的基巖地層主要為下元古界片麻巖和中條期片麻狀花崗巖，塊狀結構，巖體完整、強度高，圍巖類型主要為I-II類，隧洞進出口附近和構造帶部位圍巖為III-IV或V類。區內局部分布有燕山晚期侵入巖花崗巖，第四系松散巖類主要分布在河床及次一級沖溝內。

工程區總體地質條件優越，有利于工程建設。地下廠房系統埋深較大，開挖出露的巖體完整堅硬，未見大的裂隙破碎帶、斷層、滲水等不良地質情況。

通過對主副廠房開挖爆破進行監測，達到以下目的。

（1）監測主副廠房開挖爆破對圍巖及附屬設施產生的質點振動速度，并根據監測成果，得到主副廠房開挖爆破振動衰減規律，以作為爆破振動振速預報和安全校核的依據。

（2）通過爆破試驗監測，調整爆破有關參數，不斷優化爆破設計，改進施工方法和安全措施，以滿足防護目標的安全要求。

3 控制標準

（1）監測工作應貫穿施工開挖全過程，以爆破振動監測的反饋分析為主，及時調整爆破參數和施工工藝并對爆破進行跟蹤監測，監測數量應滿足工程規定的要求。

（2）監測工作的重點是控制最大段單響藥量、確定合理的微差延期和裝藥結構等一系列問題。

（3）分析監測成果時，以質點振動速度為主，位移和加速度為輔。對試驗獲得的控制標準進一步驗證或修訂，隨著爆破開挖施工的開展，對爆破振動衰減規律計算公式進行修正。

（4）爆破振動引起的建（構）筑物或巖土體的破壞受到許多復雜因素的影響，例如破壞過程的復雜性和巖土介質的多變性等，因此關于爆破振動的允許標準，目前還沒有統一規定，一般是根據目前的研究成果與具體工程的實際情況綜合確定。

根據設計要求，對爆破點附近的建（構）筑物進行爆破振動控制。爆破振動速度允許值見表1。

4 監測試驗

按照近密遠疏的原則，在廠房已開挖部分的上下游邊墻分別布設監測點，分別對最大單響為56 kg、50 kg、30 kg的爆破開展監測工作。

對監測數據進行垂向、水平切向、水平徑向三矢量振動速度、振動頻率和振動持續時間進行統計。選取垂向、水平切向、水平徑向中速度最大者為該測點的振動速度。其中：監測點距離爆破中點的范圍為17.2～71.1 m;最大速度范圍為2.872 4～13.32 cm/s;振動主頻率為91.5～396.7 Hz，主頻大部分為100～150 Hz;振動時間為0.129 1～0.407 9 s。監測的15個數據點中有4個數據點超過允許值，占26.7%。爆破振動監測試驗數據統計見表2。

5 回歸分析

為了解地震波在介質中的轉播規律，確保回歸方程式的準確性，根據測區的地形情況，爆破點與監測點高差不大，數據回歸不考慮高差效應。對監測到的質點振動速度數據進行回歸分析，得出以下衰減規律。質點振動速度監測試驗數據回歸分析如圖1所示。

即K=91.85，α=1.238。

數據擬合相關系數為0.945，相關度較高。

6 爆破監測

根據前期的監測成果，并進行振動數據回歸分析。指數α=1.238，該值較大，反映巖石堅硬，與場地為完整性好的花崗巖相符。本測區爆破振動主頻大部分分布在100～150 Hz。高頻率所占比例較大。說明在場地巖石完整，頻率衰減較慢。

前期最大單響太大，其中4點超過控制標準，達到26.7%的數據點超標。根據公式換算，后期應減小最大單響藥量。后期采用最大單響為32 kg、16 kg、20 kg，共采集到39個監測數據。其中，最大單響為32 kg時有3個監測數據超標（允許速度均為10 cm/s），占總數據點的7.7%，并且這些監測點的距離都小于21.2 m。其余測點均滿足設計要求。說明利用前期的回歸公式進行爆破設計后建（構）物的爆破振動得到了有效的控制。爆破振動監測數據統計表見表3。

7 回歸優化

經過后期監測成果，積累大量監測數據，并根據監測數據持續進行回歸分析。對監測到的質點振動速度數據進行回歸分析優化，得出以下衰減規律。質點振動速度數據回歸分析優化如圖2所示。

即K=133.76，α=1.238 7。

數據擬合相關系數為0.877，相關度較高。

8 成果分析

通過現場爆破振動的測試和數據分析，可得出如下結論。

（1）對監測試驗所得質點振動速度數據進行回歸分析，得出以下衰減規律。

采用薩道夫斯基公式回歸，客觀地反映了質點峰值速度隨單響最大藥量和爆破中心距的變化而變化。指數α=1.238，該值較大，反映巖石堅硬，與場地為完整性好的花崗巖相符。本測區爆破振動主頻大部分分布在100～150 Hz。高頻率所占比例較大。說明場地內巖石完整，頻率衰減較慢。

（2）利用回歸分析成果對爆破設計開展設計優化，從試驗階段的最大單響藥量為56 kg、50 kg、30 kg調整至32 kg、16 kg、20 kg，爆破超標率從26.6%降低至7.7%。爆破振動控制效果得到顯著提升。

（3）經過后期爆破振動監測，積累大量的監測數據。根據監測數據持續開展回歸分析，得出以下衰減規律。

即K=133.76，α=1.238 7。

數據擬合相關系數為0.877，相關度較高。

（4）監測數據呈喇叭狀分布。監測點距離爆破點越遠，振動速度值越靠近擬合曲線。監測點距離爆破點越近，振動速度值越遠離擬合曲線，離差越大。說明地震波在近場點波動更復雜，受干擾因素多。

（5）測試點附近有部分測點超標，但距離都太近（約20 m）。30 m以外的振動速度均未超過相關技術控制要求。經過宏觀調查，爆破未對構（筑）物產生破壞作用，說明利用爆破振動監測試驗進行回歸分析，進而調整爆破設計，同時隨著監測數據累計持續開展回歸分析優化的爆破振動控制方式有效。

9 結語

本研究結合某抽水蓄能電站地下廠房開挖對爆破開挖形成的巖面進行爆破振動監測，總結了爆破地震波的傳播規律并持續優化，指導工程爆破參數設計和后續施工，取得了較好的應用效果。

參 考 文 獻

[1]劉美山.特高陡邊坡開挖爆破技術及其對邊坡穩定性的影響[D].合肥：中國科學技術大學，2007.

[2]嚴鵬，盧文波，單治鋼，等.深埋隧洞爆破開挖損傷區檢測及特性研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28（8）：1552-1561.

[3]唐海，李海波，周青春，等.預裂爆破震動效應試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29（11）：2277-2285.

[4]李勇泉，吳亮.三峽地下廠房爆破開挖振動衰減規律研究[J].工程爆破，2009，15（2）：7-10.

[5]徐成光.向家壩電站地下廠房開挖爆破振動控制關鍵技術[J].四川水力發電，2009，28（4）：27-30.