抽水蓄能电站地下洞室开挖爆破振动监测研究

李克友 许慧玺

【摘 要】抽水蓄能电站一般设计有大量地下洞室。用爆破方式进行地下洞室开挖是当前工程建设最主要的方式。爆破对周围建（构）筑物产生振动是影响爆破安全的重要因素。为有效控制爆破振动对爆破周边建（构）筑物的破坏，保证施工安全和质量，对爆破开挖引起的振动进行监测控制十分必要。文章结合某抽水蓄能电站地下厂房开挖情况，分析地震波的传播规律，并指导工程爆破参数设计和后续施工，同时开展爆破振动规律持续性优化分析，取得了较好的应用效果。

【关键词】抽水蓄能电站;地下洞室;爆破开挖;振动监测

【中图分类号】TV52 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）02-0062-04

0 引言

爆破开挖工程在水电站建设阶段被广泛应用。爆破振动是影响爆破安全的重要因素。近年来，因爆破振动引起建（构）筑物破损、边坡垮塌等现象十分常见，严重影响工程建设的进度、质量和安全，使得工程建设的社会效益和经济效益大打折扣。与常规水电站相比，抽水蓄能电站有大量的洞室群。例如：地下厂房、主变洞、引水洞、尾水洞、调压井、进厂交通洞、施工支洞、上下水库连接道路隧洞等。由于工作面较多，爆破开挖与喷射混凝土、锚杆注浆、基础灌浆、大体积混凝土浇筑等工序往往需要交叉进行。若在爆破开挖过程中不进行有效控制，就会严重影响锚杆的锚固质量、喷射混凝土与岩石的黏结强度、导致新浇混凝土开裂等，严重影响工程质量。地震波的能量一般随传播距离呈指数衰减。但受到岩石类型、岩石风化程度、场地类型、地质构造等因素影响，衰减规律又各不相同。因此，对具体的工程场地需要进行地震波传播规律研究。为保证施工安全、施工质量，需对爆破开挖引起的振动进行监测，分析场内地震波的传播规律，并以此指导后续工程爆破参数设计和施工[1-2]。

本研究以某抽水蓄能电站地下厂房爆破开挖为研究对象，开展爆破地震监测。了解开挖爆破对周围岩体的影响程度，研究场内地震波传播规律。并依据监测成果，不断优化爆破设计，调整爆破参数[3-4]。

1 方法原理

采用质点振动实时监测法。爆破地震效应是爆炸时起爆区一定范围内，地表及建筑物振动现象的一种反映。振动能量超过一定限度时，会对地表及建筑物产生一定的破坏作用。工程爆破在取得巨大的经济效益的同时，也会产生一系列的危害。爆破安全至关重要，爆破的整个过程必须严格执行国家《爆破安全规程》的规定。除布置合理的监测仪外，还应对爆破的危害效应如冲击波、地震波、飞石等加以控制与防护，应对冲击波、地震波等不良影响的参数进行测定，准确分析与研究这些参数的变化与分布规律，进而确定相应的控制方法和措施。

爆破地震波在不同的介质中传播，既受介质性质的影响，又受地质构造、爆破药量和起爆方式等诸多因素的影响，因此地震波的波形结构十分复杂，差异很大，甚至在同一地区重复爆破测得的波形和振动幅值也不盡相同，由此通过对不同距离的地震强度的测量，建立描述地震强度随炸药量、药包埋深和爆区介质特征随距离因素的变化的数学表达式，了解地震波的传播与衰减规律，同时对地震波传播范围内各种建（构）筑物等进行爆破振动强度、频率和持续时间的监测，得出建（构）筑物等受破坏时相应的振动强度等参数。我国的《爆破安全规程》是以质点振动速度为判据，制定出不同建（构）筑物的安全允许标准，同时给出计算爆破振动衰减规律时，不同地质、地形条件下的数学表达式中的K和α的数值，用以预报爆炸源在一定药量不同距离条件下，建（构）筑物所遭受破坏与不被破坏的状态。

爆破开挖引起的地震波在介质中传播，受场地岩石性质、断层破碎带分布、爆破药量、起爆方式等因素影响，不同场地、部位，差异较大。通过对地震波进行监测，了解场地地震波衰减规律。

爆破质点振动速度主要与爆破单响药量、爆破方式和爆源距有关。在理想介质中，其传播规律符合萨道夫斯基公式，该公式如下。

公式（2）中：V为质点振动速度，单位为cm/s;Q为最大单响药量，单位kg;R为药量分布几何中心至监测点距离，单位为m;H为监测点与爆源的高差，单位为m;K、a为与场地地质条件、岩体特性、爆破条件，以及爆破区与观测点相对位置等有关的常数;β为高差影响指数[5]。

2 工程概况

某抽水蓄能电站枢纽工程主要由上水库、下水库、水道系统和地下厂房系统等部分组成。输水系统建筑物包括上下库进/出水口、引水洞、上游调压井、钢岔管、高压引水支洞、尾水洞等;输水系统总长度为3 616.1 m（①机），输水系统长度与发电额定水头比7.09。

引水主洞采用一洞两机布置方式，主洞洞径为6.0 m，钢岔管;尾水系统采用一洞一机的布置方式，洞径为4.4 m。

厂房系统由地下厂房系统建筑物和地面厂房系统建筑物两个部分组成。下厂房系统建筑物主要包括主副厂房洞、主变洞、母线洞、排风平洞、排风竖井、500 kV电缆出线平洞、500 kV电缆出线竖井、进厂交通洞、主变运输洞、通风兼安全洞、电缆交通洞、排水廊道、自流排水洞等洞室;地面厂房系统建筑物主要由GIS开关站、出线平台、继保楼等地面建筑物组成;中控楼放置业主营地内。主厂房长156.50 m，宽23.50 m（岩壁吊车梁以上宽25.00 m），高55.00 m，包括安装场段、主机段和副厂房段;主变洞长154.92 m，宽20 m，高21.3 m。

工程区出露的基岩地层主要为下元古界片麻岩和中条期片麻状花岗岩，块状结构，岩体完整、强度高，围岩类型主要为I-II类，隧洞进出口附近和构造带部位围岩为III-IV或V类。区内局部分布有燕山晚期侵入岩花岗岩，第四系松散岩类主要分布在河床及次一级冲沟内。

工程区总体地质条件优越，有利于工程建设。地下厂房系统埋深较大，开挖出露的岩体完整坚硬，未见大的裂隙破碎带、断层、渗水等不良地质情况。

通过对主副厂房开挖爆破进行监测，达到以下目的。

（1）监测主副厂房开挖爆破对围岩及附属设施产生的质点振动速度，并根据监测成果，得到主副厂房开挖爆破振动衰减规律，以作为爆破振动振速预报和安全校核的依据。

（2）通过爆破试验监测，调整爆破有关参数，不断优化爆破设计，改进施工方法和安全措施，以满足防护目标的安全要求。

3 控制标准

（1）监测工作应贯穿施工开挖全过程，以爆破振动监测的反馈分析为主，及时调整爆破参数和施工工艺并对爆破进行跟踪监测，监测数量应满足工程规定的要求。

（2）监测工作的重点是控制最大段单响药量、确定合理的微差延期和装药结构等一系列问题。

（3）分析监测成果时，以质点振动速度为主，位移和加速度为辅。对试验获得的控制标准进一步验证或修订，随着爆破开挖施工的开展，对爆破振动衰减规律计算公式进行修正。

（4）爆破振动引起的建（构）筑物或岩土体的破坏受到许多复杂因素的影响，例如破坏过程的复杂性和岩土介质的多变性等，因此关于爆破振动的允许标准，目前还没有统一规定，一般是根据目前的研究成果与具体工程的实际情况综合确定。

根据设计要求，对爆破点附近的建（构）筑物进行爆破振动控制。爆破振动速度允许值见表1。

4 监测试验

按照近密远疏的原则，在厂房已开挖部分的上下游边墙分别布设监测点，分别对最大单响为56 kg、50 kg、30 kg的爆破开展监测工作。

对监测数据进行垂向、水平切向、水平径向三矢量振动速度、振动频率和振动持续时间进行统计。选取垂向、水平切向、水平径向中速度最大者为该测点的振动速度。其中：监测点距离爆破中点的范围为17.2～71.1 m;最大速度范围为2.872 4～13.32 cm/s;振动主频率为91.5～396.7 Hz，主频大部分为100～150 Hz;振动时间为0.129 1～0.407 9 s。监测的15个数据点中有4个数据点超过允许值，占26.7%。爆破振动监测试验数据统计见表2。

5 回归分析

为了解地震波在介质中的转播规律，确保回归方程式的准确性，根据测区的地形情况，爆破点与监测点高差不大，数据回归不考虑高差效应。对监测到的质点振动速度数据进行回归分析，得出以下衰减规律。质点振动速度监测试验数据回归分析如图1所示。

即K=91.85，α=1.238。

数据拟合相关系数为0.945，相关度较高。

6 爆破监测

根据前期的监测成果，并进行振动数据回归分析。指数α=1.238，该值较大，反映岩石坚硬，与场地为完整性好的花岗岩相符。本测区爆破振动主频大部分分布在100～150 Hz。高频率所占比例较大。说明在场地岩石完整，频率衰减较慢。

前期最大单响太大，其中4点超过控制标准，达到26.7%的数据点超标。根据公式换算，后期应减小最大单响药量。后期采用最大单响为32 kg、16 kg、20 kg，共采集到39个监测数据。其中，最大单响为32 kg时有3个监测数据超标（允许速度均为10 cm/s），占总数据点的7.7%，并且這些监测点的距离都小于21.2 m。其余测点均满足设计要求。说明利用前期的回归公式进行爆破设计后建（构）物的爆破振动得到了有效的控制。爆破振动监测数据统计表见表3。

7 回归优化

经过后期监测成果，积累大量监测数据，并根据监测数据持续进行回归分析。对监测到的质点振动速度数据进行回归分析优化，得出以下衰减规律。质点振动速度数据回归分析优化如图2所示。

即K=133.76，α=1.238 7。

数据拟合相关系数为0.877，相关度较高。

8 成果分析

通过现场爆破振动的测试和数据分析，可得出如下结论。

（1）对监测试验所得质点振动速度数据进行回归分析，得出以下衰减规律。

采用萨道夫斯基公式回归，客观地反映了质点峰值速度随单响最大药量和爆破中心距的变化而变化。指数α=1.238，该值较大，反映岩石坚硬，与场地为完整性好的花岗岩相符。本测区爆破振动主频大部分分布在100～150 Hz。高频率所占比例较大。说明场地内岩石完整，频率衰减较慢。

（2）利用回归分析成果对爆破设计开展设计优化，从试验阶段的最大单响药量为56 kg、50 kg、30 kg调整至32 kg、16 kg、20 kg，爆破超标率从26.6%降低至7.7%。爆破振动控制效果得到显著提升。

（3）经过后期爆破振动监测，积累大量的监测数据。根据监测数据持续开展回归分析，得出以下衰减规律。

即K=133.76，α=1.238 7。

数据拟合相关系数为0.877，相关度较高。

（4）监测数据呈喇叭状分布。监测点距离爆破点越远，振动速度值越靠近拟合曲线。监测点距离爆破点越近，振动速度值越远离拟合曲线，离差越大。说明地震波在近场点波动更复杂，受干扰因素多。

（5）测试点附近有部分测点超标，但距离都太近（约20 m）。30 m以外的振动速度均未超过相关技术控制要求。经过宏观调查，爆破未对构（筑）物产生破坏作用，说明利用爆破振动监测试验进行回归分析，进而调整爆破设计，同时随着监测数据累计持续开展回归分析优化的爆破振动控制方式有效。

9 结语

本研究结合某抽水蓄能电站地下厂房开挖对爆破开挖形成的岩面进行爆破振动监测，总结了爆破地震波的传播规律并持续优化，指导工程爆破参数设计和后续施工，取得了较好的应用效果。

参 考 文 献

[1]刘美山.特高陡边坡开挖爆破技术及其对边坡稳定性的影响[D].合肥：中国科学技术大学，2007.

[2]严鹏，卢文波，单治钢，等.深埋隧洞爆破开挖损伤区检测及特性研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28（8）：1552-1561.

[3]唐海，李海波，周青春，等.预裂爆破震动效应试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（11）：2277-2285.

[4]李勇泉，吴亮.三峡地下厂房爆破开挖振动衰减规律研究[J].工程爆破，2009，15（2）：7-10.

[5]徐成光.向家坝电站地下厂房开挖爆破振动控制关键技术[J].四川水力发电，2009，28（4）：27-30.