胡云鹤，刘亚莲，王程鹏
（丰满大坝重建工程建设局，吉林省吉林市132000）
［摘 要］通过对丰满重建工程泄洪兼导流洞开挖过程中布置和埋设振动测点，对施工爆破监测结果进行回归分析，建立了开挖爆破振动传播的数学模型，确定了爆破地震波衰减和传播的规律，提出了满足设计开挖振动强度下的药量控制措施和建议，从而确保了开挖过程中爆破作业以及地面建筑物的安全。
［关键词］洞室开挖；衰减规律；爆破振动；监测分析；丰满重新工程
水电工程建设过程中大多涉及到洞室开挖，施工过程中，为确保施工安全和施工质量以及地面建（构）筑物的安全，尽量减小对周围环境的影响程度，必须对洞室开挖爆破所引起的爆破振动进行信息化施工监测，以此指导后续洞室开挖爆破参数的调整和施工。下面以丰满重建工程泄洪兼导流洞开挖施工为对象，对开挖过程中施工爆破地震波的振动监测及爆破药量控制进行了相关研究。
丰满重建工程左岸泄洪兼导流洞长848.96 m，出口采用挑流消能方式，泄洪兼导流洞工程设计开挖断面约为12 m×12 m，内径为10.5 m。进口段为城门洞型断面，闸门井采用竖井式。有压洞身段长769.96 m，为洞径10.50 m的圆形断面。泄洪兼导流洞一般埋深20～140 m。围岩为坚硬的变质砾岩和花岗岩，多呈微风化状态，隧洞沿线主要穿过 F2，F3，F4，F5，F16，F22，F24，F25，F26和 F85-1，F85-2等断层。
泄洪兼导流洞工程开挖工程量和施工强度较大，与原三期引水隧洞的最近距离为40～50 m，其进口闸门与三期引水隧洞的闸门最近距离约70 m。频繁的爆破振动很容易对原有隧洞和闸门造成损伤破坏，因此须借助爆破振动测试手段和控制爆破技术，分析研究最佳的爆破工艺及减振措施，做到既能满足施工强度要求，又能确保已有建筑物的安全。
爆破振动测试使用成都中科测控TC4850爆破振动监测仪及其配套速度传感器，该系统采用自触发式、分体式结构，测振仪经法定机构的校准并处于校准有效期内。
工作原理：振动信号
此工程爆破防护对象主要为三期引水发电洞及其金属结构、丰满三期发电厂房、原挡水坝、厂房，爆破振动监测同时测试切向、径向、垂直向3个分量的质点振动速度。在分析3个分量的同时，也分析3个分量的矢量和，以3个分量的矢量和作为测试点的合速度VTmax，VVmax，VLmax分别为切向、垂直向和径向最大质点振动速度[1]：
将采集仪所采集的数据传入计算机，使用专用软件进行处理与分析。判读各测试点数据，首先判断各不同类型爆破地震波（掏槽、主爆、光爆）是否可以区分，如可区分，则读取各监测点的3个方向质点振动速度；如无法区分，则说明爆破地震波叠加明显，监测点合成振动速度可能存在振动加强或振动减弱。根据实测质点振动速度拟合K和α值，结合允许爆破质点振动速度，确定各不同类型爆破地震波的最大单响药量。
泄洪兼导流洞洞身开挖分2层，上层开挖采用微差毫秒延时爆破开挖方式，爆破开挖岩体高度为7.00～9.96 m；下层开挖时有2个自由面，且爆破药量远小于上层开挖，爆破开挖引起的振动远小于上层开挖。因此，泄洪兼导流洞洞身段和三期引水隧洞闸门的爆破振动监测在泄洪兼导流洞上层开挖时进行。
1）三期引水隧洞闸门监测点布置
进口段开挖时，在三期引水隧洞闸门附近布置2个振动监测点。每个监测点安装1套三分量质点振动速度传感器，分别测试水平径向X、水平切向Y和铅直向Z3个方向的质点振动速度。
2）泄洪兼导流洞洞身测点布置
在泄洪兼导流洞上层爆破开挖时，沿洞轴线方向在洞壁上布置5个质点振动速度测试点，用于测试质点振动情况。出口段测点编号分别为S1～S5，进口段测点编号分别为S6～S10。试验点布置采用近密远疏原则，每个测点各安装1套三分量传感器。
3）传感器埋设要求
每个爆破振动测试点布置1套三分量传感器，水平径向指向爆心，水平切向垂直于爆心与测点连线，铅直向垂直地面方向，水平径向、水平切向和铅直向分别与空间坐标轴X，Y，Z对应。
传感器与测点表面紧密连接，用熟石膏将传感器粘结在地表或侧壁，熟石膏固化后粘结在建筑物或基岩表面，以便形成整体振动，确保测试结果正确。在传感器安装时，清除地表松散物体，测量地表平整度。
1）进口段
泄洪兼导流洞进口段岩性为变质砾岩。泄洪兼导流洞上层洞身开挖采用微差毫秒延时爆破，各爆破孔按照作用方式分为掏槽孔、主爆孔、缓冲孔和光爆孔。进口段爆破开挖时，开展泄洪兼导流洞洞身质点振动测试，共6炮，每炮5个测点，测试岩体为微风化～新鲜。历次测试爆心距范围为29～130 m，振动频率、速度数值汇总见表1，2。
表1 进口段爆破地震波主频汇总表
振动频率/Hz监测时间单段最大药量/kg爆区中心坐标（X，Y，Z）测点 水平切向Y 铅直向Z距离/m 05-09T19:4339.31234.88，0.202 05-10T20:3439.31227.28，0.202 05-11T20:1639.31220.38，0.202 05-13T06:5739.31216.88，0.202 05-13T18:3439.31213.38，0.202 05-14T06:5439.31209.88，0.202 S6 S7 S8 S9 S10 S6 S7 S8 S9 S10 S6 S7 S8 S9 S10 S6 S7 S8 S9 S10 S6 S7 S8 S9 S10 S6 S7 S8 S9 S10水平径向X 571 146 146 127 163 471 98 143/216 235 95 195 307 276 333 178 286 235 229 167 105 200 148 190 444 146 174 118 222 571 421 258 381 108 421 444 200 216 125 400 320 235 348 143 444 296 250 381 146 308 296 191 178 47 400 242 250 242 170 364 170 267 400 276 333 140 333 500 258 308 157 205 364 216 381 242 250 100 103 421 195 308 151 308 381 205 167 296/42.7 54.1 69.2 82.9 104.4 49.9 61.4 76.6 90.4 111.9 56.7 68.3 83.5 97.4 118.8 60.1 71.8 87.0 100.9 122.3 63.5 75.2 90.5 104.3 125.8 67.0 78.7 93.9 107.8 129.3
2）出口段
泄洪兼导流洞出口段岩性为花岗岩。出口段爆破开挖时，开展泄洪兼导流洞洞身质点振动测试，共4炮，每炮5个测点，测试岩体为微风化～新鲜。历次测试爆心距范围为29.0～89.4 m，振动频率、速度数值汇总见表3，4。
表2 进口段振动速度统计表
爆破型式掏槽主爆缓冲光爆0.528～2.668 0.381～2.668 0.278～3.129 0.155～1.729 1.16 1.02 0.85 0.64 0.419～4.565 0.320～5.515 0.294～3.445 0.198～2.481 1.99 1.96 1.44 1.08 0.406～1.661 0.316～1.870 0.242～2.406 0.193～1.396 1.00 0.98 0.82 0.65水平径向X范围 均值水平切向Y范围 均值铅直向Z范围 均值
表3 出口段爆破地震波主频汇总表
振动频率/Hz监测时间单段最大药量/kg爆区中心坐标（X，Y，Z）测点 水平切向Y 铅直向Z距离/m 01-17T18:2252.67 710.57，0，202 01-19T18:3752.67 707.18，0，202 01-21T18:4037.42704.35，0，202 01-22T18:1737.42 702.00，0，202 S1 S2 S3 S4 S5 S1 S2 S3 S4 S5 S1 S2 S3 S4 S5 S1 S2 S3 S4 S5水平径向X 119 93 82 97 89 191 98 87 73 41 186 131 105 80 111 123 163 205 63 11 154 100 88 73 70 191 136 131 88 87 151 167 143 104 77 222 105 119 87 94 191 119 93 70 65 123 105 99 78 96 195 182 103 73 163 99 190 129 101 93 29.0 38.9 53.1 64.0 80.7 32.5 42.5 56.7 67.5 84.2 35.3 45.3 59.5 70.4 87.1 37.6 47.7 61.9 72.7 89.4
表4 出口段振动速度统计表
爆破型式掏槽主爆缓冲光爆水平径向X范围0.216～3.981 0.088～1.767 0.033～0.740 0.023～0.820均值1.245 0.631 0.264 0.286水平切向Y范围0.151～2.610 0.137～2.213 0.058～0.804 0.032～0.628均值0.966 0.586 0.350 0.296铅直向Z范围0.231～2.674 0.168～2.755 0.061～1.932 0.034～1.105均值1.314 1.095 0.727 0.492
3）三期闸门
三期引水隧洞闸门附近布置2个振动监测点，监测点编号分别为JC1和JC2，每个监测点安装1套三分量质点振动速度传感器，在主洞上段、下段、井前有压段和竖井开挖时均进行了监测，爆心距为82.9～216 m，振动速度及频率见表5，6。
表5 JC1和JC2监测点振动速度统计表
爆区位置 爆心距/m单段最大药量/kg水平径向X/（cm·s-1）水平切向Y/（cm·s-1）铅直向Z/（cm·s-1）竖井井前有压段主洞上段主洞下段88.1～114.1 82.9～91.9 152.4～216 88.1～111.9 15.9～22.58 12.6 29.52～44.58 15.9～22.58范围0.023～0.188 0.095～0.119 0.036～0.465 0.062～0.185均值0.104 0.143 0.133 0.110范围0.052～0.212 0.112～0.226 0.062～0.306 0.073～0.275均值0.117 0.167 0.116 0.124范围0.050～0.249 0.090～0.195 0.058～0.480 0.099～0.217均值0.156 0.140 0.162 0.149
表6 JC1和JC2监测点地震波主频统计表
爆区位置水平径向X/（cm·s-1）水平切向Y/（cm·s-1）铅直向Z/（cm·s-1）竖井井前有压段主洞上段主洞下段范围25～138 27～129 28～228 27～186均值80 74 107 67范围49～167 25～186 30～200 29～242均值95 98 91 86范围32～145 40～80 32～178 29～81均值75 57 91 51
工程界普遍采用萨道夫斯基公式描述爆破地震波的衰减和传播规律[2，3]。根据GB6722-2003《爆破安全规程》，爆破振动的安全允许距离按下式计算
式中：R——爆破振动安全距离，m；v——保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm/s；Q——齐发爆破取总炸药量，延时爆破取最大一段药量，kg；K，a——与爆破点至保护对象间的地形、地质条件、爆破条件等有关的系数和衰减系数。
如观测位置位于高边坡，爆破点与监测点之间存在高差，则需在（2）式加入高程差修正项。由于导流洞与三期闸门高差基本不变，因此本高差分析爆破地震波的衰减和传播规律时不考虑高差修正项。K，a需要通过现场试验确定，（2）式经过变换即成为萨道夫斯基公式
式（3）提供了爆破地震波强度的预报方式，也表征了爆破地震波的衰减规律。式（2）和（3）中的质点振动速度是采用切向、径向、垂直向3个分量的矢量和，还是采用3个分量之一，目前在工程界尚未统一明确。
微差毫秒延时爆破时，在爆心距较大的情况下，爆破地震波相邻段爆破产生的地震波通常会叠加，峰值振动速度是多段药量综合爆破作用所致。监测结果表明，爆心距为42.7 m的爆破地震波各段别药量产生的爆破地震波清晰可辨，叠加作用小；随着爆心距的增大，各段分别产生的爆破地震波叠加作用愈加明显，爆破地震波峰值振动速度的时刻也向早期方向移动，在三期闸门监测位置，爆破地震波的峰值振动速度已不显著。
使用（3）式拟合 K，a需要振动速度、爆心距和药量和参数。根据DL/T5333-2005《水电水利工程爆破安全监测规程》，（3）式中Q在延时爆破时为峰值振动速度时刻的单段药量，与GB6722-2003取最大一段药量有所差别。在式（3）中，Q取单段最大药量，预报值可能偏小；取总药量预报的振动效应明显偏大。关于Q的取值，考虑到此爆破工程多种因素的复杂性及爆破振动实际数据的离散性，在爆心距较大的情况下，认为DL/T5333-2005规定的峰值振动速度时刻的单段药量、GB6722-2003规定的取最大一段药量，均忽视相邻段药包爆破的叠加作用，不符合该工程实际，显然存在欠缺，并有安全风险。
该工程采用毫秒延时爆破，使用（3）式拟合K，a时振动速度和药量按如下选取。
1）药量Q取值
在振动信号叠加的情况下，对幅值而言，最不利的情况为叠加段的幅值同相叠加，这涉及药量如何取值的问题。有关研究表明，毫秒延时爆破地震效应正向叠加合成的概率爆破段数越多，峰值全面叠加的概率越小，全面正向叠加的概率可以用Pn=0.5n-1来估计，其中n为段数。
对于各段别爆破地震波清晰可辨、叠加作用小的，可不考虑地震波的叠加，药量Q可以选取各爆破方式的最大一段药量。
对于该药量产生的叠加作用明显的爆破地震波，药量Q需要采用等效药量。根据该工程爆破网络选用8个段别药包爆破，11段爆破地震波全面正向叠加的概率小于1%。ms1，ms3，ms5，ms7段别为掏槽爆破，4个段别药包爆破地震波全面正向叠加的概率大致为12%，总时差为150 ms。根据本工程爆破地震波的特点，爆心距在100 m以上，质点峰值振动均由掏槽爆破引起，因此选取ms1，ms3，ms5，ms7段别药量的总和作为等效药量。根据该工程实际，爆心距大于100 m时，爆破地震波一般叠加作用明显，需要考虑等效药量。
2）振动速度v取值
不考虑叠加作用的爆破地震波，振动速度选取各爆破方式的峰值振动速度。考虑叠加作用的爆破地震波，振动速度选取爆破地震波峰值振动速度。根据工程实际，爆心距大于100 m时，爆破地震波一般叠加作用明显，振动速度也由早段别药量爆破引起。
根据质点振动速度、爆心距和药量，应用萨道夫斯基公式拟合分析泄洪兼导流洞进口段爆破地震波的衰减和传播规律。泄洪兼导流洞爆破防护对象主要为三期引水发电洞及其金属结构，设计提出允许安全振动速度为2.5 cm/s[4]。从工程安全角度考虑，以合速度作为安全振动速度控制更符合工程实际，因此该工程以合速度作为爆破控制药量。
三期引水发电洞闸门与泄洪兼导流洞进口段相近，最小水平距离约75 m，两者高差约35 m，最小直线距离约为85 m。此工程进口段的掏槽、主爆、缓冲（崩落）和光爆的地震波公式的应用条件为爆心距小于100 m，药量为各爆破方式的最大单段药量；爆心距不小于100 m的地震波公式有2个，分别为洞身段和闸门监测回归分析取得，药量为ms1～ms7药量的总和。以85 m和100 m为爆心距，应用上述地震波公式计算药量，结果见表7。
表7 不同爆心距最大控制药量一览表
爆破型式掏槽主爆缓冲（崩落）光爆微差毫秒延时α药量/kg爆心距85 m 44.01 38.91 95.96 69.98爆心距100 m洞身三期闸门衰减公式系数k 244 235 200 140 151 492 1.44 1.41 1.50 1.33 1.49 2.16 259 651
泄洪兼导流洞典型开挖爆破分段装药量及爆孔数见表8。
表8 导流洞典型开挖爆破分段装药量及爆孔数表
段别MS1 MS3 MS5 MS7 MS9 MS11 MS13 MS15单孔药量/kg 0.84 1.50 2.18 1.96 1.85/1.94 1.86/1.95 1.05～1.11 0.33～0.35孔数10 20 18 16 15 15 41 57单段药量/kg 8.40 30.02 39.31 31.36 28.48 28.51 44.38 19.31爆破方式掏槽掏槽掏槽掏槽主爆主爆缓冲光爆
以表8为爆破参数爆破的爆破效果来看，硐室轮廓成形比较规则，岩面平整，超欠挖量在允许的范围内，每次循环进尺约合理，渣石块度较小，周边炮孔的装药部位没有明显的爆破裂隙，围岩没有被破坏，岩面上的半孔率在75%以上，炮孔利用率较高，爆破效果较好。三期引水闸门在整个爆破过程中未出现运行故障，三期引水隧洞闸门结构混凝土未发现明显裂缝及其它损伤。
泄洪兼导流洞典型开挖爆破在确保安全的前提下，同时需要考虑硐室的超欠挖、块度、进尺和围岩的爆破损伤等。现场施工药量小于最大安全药量，爆破效果较好，因此在控制爆破药量的前提下，优化调整爆破参数是提高开挖效率的有效措施。同时也说明，虽然以洞身段地震波衰减公式计算取得的最大安全药量偏于保守，但以其计算的控制药量不至于影响工程效率和降低爆破开挖效果，相对于闸门监测地震波回归公式更有工程意义。对于防护距离小于100 m时，需要控制各段别的最大药量，防护距离大于100 m的情况下，控制爆破药量重点放在前4段即可。
1）泄洪兼导流洞振动测试结果表明，同一爆破型式，随着爆心距的增大质点振动速度和主频呈降低趋势，水平径向、水平切向和铅直向的爆破地震波的主频相近。
2）进口段各爆破型式中，光爆孔爆破产生的质点峰值振动速度相对最小，掏槽孔最大；总体上，铅直向Z质点峰值振动速度相对最小。出口段各爆破型式中，光爆孔爆破产生的质点峰值振动速度相对最小，掏槽孔最大。
3）三期引水隧洞闸门的40次爆破监测结果表明，主洞上段爆破产生的振动幅度相对最大。历次爆破中，各分量最大振动速度为0.48 cm/s，3个方向的矢量和振动速度范围为0.084～0.638 cm/s，均小于安全振动速度控制标准2.5 cm/s。
［参 考 文 献］
［1］孟吉复，惠鸿斌.爆破测试技术［M］.北京：冶金工业出版社，1992.
［2］GB13349-92，大爆破安全规程［S］.
［3］中华人民共和国水利部.SL-94，水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范［S］.北京：水利电力出版社，1994.
［4］中水东北勘测设计研究有限公司.丰满重建工程大坝坝基开挖技术要求［R］.2014.
［中图分类号］TV542；TV651
［文献标识码］A
［文章编号］1002—0624（2017）10—0066—05
［收稿日期]2016-12-13
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