取水隧洞内外爆破振动安全分析

王晓炜

(中广核工程有限公司，广东 深圳 518031)

钻爆法是核电工程中取水隧洞开挖施工的常用手段，相比人工开挖，具有施工速度快、人力资源消耗少等优点[1]。取水隧洞由于其上层覆盖浅，开挖距离短，属于典型的浅埋式隧道开挖，在整个施工过程中受爆破荷载的冲击作用，易对隧道围岩、衬砌、临近附属岩基以及地表建(构)筑物产生不同程度的影响，比如引起隧洞失稳塌方、地表不均匀沉降、建(构)筑物破坏等[2]。一般采用爆破区域的质点峰值振动速度是否超过相应安全阈值来判定其对周围环境的影响[3]。然而，水工隧洞围岩自身稳定的安全阈值为7～15 cm/s[4]，周围地表建(构)筑物的振动安全阈值则为5 cm/s[5]，由于传播机理的不同，爆破产生的地下振动与地表振动在监测系统、预测公式等方面有明显的差别[6]。在满足围岩自身稳定时，地表建筑物的振动超过安全阈值可能发生破坏，或者以地表建筑物安全标准作为判据，在建筑物振动满足要求时，围岩自身却发生失稳垮塌现象。另外，地下爆破与周围环境的相互作用是一个复杂的系统，按照单一的地下振动监测标准来控制爆破振动具有明显不足。因此，进行浅埋隧道爆破开挖振动效应研究及监测系统与控制标准的确定具有十分重要的意义。

为研究地下工程爆破开挖过程中振动速度的传播规律，一些学者对爆破过程的振动进行了现场试验与数值模拟研究[6-11]。任仕国[12]通过对地铁车站开挖爆破施工过程中的地震波进行监测并分析其衰减规律，计算得到了施工安全许可的单段最大起爆药量；高峰等[13]采用灰色关联法对梅山铁矿井下爆破振动影响因素进行了系统分析，得到了6个影响因素指标的关联度排序，为控制矿山爆破对地表构建物的振动影响提供了依据。张俊兵[14]对地铁暗挖隧道爆破过程中，临近次高压燃气管线的振动进行了监测，得到并验证了有利于保护燃气管线的爆破参数。赵春生[15]采用ANSYS数值模拟软件对新建隧道爆破施工过程中的振动进行了模拟，通过将数值模拟结果与实测结果进行比较，研究了新建隧道的施工对既有隧道的影响。梁瑞等[16]采用ANSYS/LS-DYNA建立了地铁隧道的管土耦合模型，分析了隧道掘进爆破对既有埋地管道的动力影响，为爆破作业过程中临近管道的安全控制提供了一定的依据。郑爽英等[17]结合西安成都客运专线仙女岩隧道爆破工程，采用ANASYS/LS-DYNA对爆源附近石油管道的振动效应进行了模拟，对管道与土体的动力响应进行分析，进而对管道的安全性进行了评估。尽管上述研究对隧道爆破过程中的振动效应进行了一定的研究，但对于核电工程这种具有多项控制要求的地下爆破研究仍然较少。

笔者以广东台山核电站取水隧洞爆破工程为背景，通过在开挖面附近的隧道内部与地表共布置6个振动监测点，分析了爆破荷载下地表及地下的振动传播规律。结合爆破安全规程和核电站爆破安全规定，分析所得结果为具有多项控制要求的核电地下工程爆破监测提供了有效的工程依据。

1 工程概况与测点布置

1.1 工程概况

广东台山核电站位于广东省江门市辖台山市赤溪镇腰古村，项目建设地点距台城约44.5 km，其东面为黄茅海，其余三面环山，东南方向约5 km处为大襟岛。该项目中大襟岛取水隧洞0+90～0+200 m段采取钻爆法进行开挖施工，开挖方量为20万m3。台山核电站1号取水隧洞为中国越海盾构第一隧，开挖面试验爆破过程中共进行7次爆破，爆源区距离监测点约30～100 m。爆破开挖区域基岩主要为中粒斑状黑云母二长花岗岩，地勘资料显示场区内构造节理较为发育，岩体较为破碎，主要矿物成份为石英、长石。岩体中主要节理优选方位为走向351°～360°，倾角65°～85°，平均频度4.4条/m，最大节理密度大于6%(见图1)。北西象限的圆周上单位面积的节理密度最大，其次为南西象限，南东象限和中心较稀疏，说明场区节理大多数为北东东向，其次为北北西向，其它方位的节理发育较弱。

注：数字1～9分别表示节理密度大于6%，6%～5%，5%～4%，4%～3%，3%～2%，2%～1%，1%～0.5%，0.5%～0%，0%。图1 爆破开挖区岩石节理密度Fig.1 Rock joint density in blasting area

1.2 测点布置

为确保钻爆法开挖施工过程中隧道围岩的稳定与地表建筑物的安全，开挖面7次爆破的过程中，监测了隧道内部以及地表不同位置处的质点峰值振动速度。沿隧道方向共布置了6个测点(见图2)，其中1#～3#为地表监测点，4#～6#为隧道内部监测点，地表监测点与隧道内部监测点大致处于同一垂直线上，且各监测点沿隧道方向与开挖面的距离分别为30、70、100 m。根据监测点与开挖面水平距离的不同，将上述6个监测点所处的位置分为3个区域；其中，1#与4#监测点为I区，其与开挖面的距离较近；2#与5#监测点为II区，其与开挖面的距离处于中等水平；3#与6#监测点为III区，其与开挖面的距离较远。

图2 振动监测点布置Fig.2 Layout of vibration monitoring points

2 结果与分析

2.1 爆破振动速度

根据我国现行的《爆破安全规程》(GB 6722-2014)，爆破过程中的质点峰值振动速度可采用萨道夫斯基公式进行回归分析[18-21]：

(1)

为研究不同距离下不同位置的质点峰值振动速度的衰减规律，将6个监测点的参数代入式(1)即可得到7次爆破开挖过程中各监测点的质点峰值振动速度。不同区域下地表及隧道内部比例药量与质点峰值振动速度的衰减规律如图3所示。

图3 比例药量与质点峰值振动速度的衰减规律Fig.3 Attenuation law of the proportional charge and the particle peak vibration velocity

当监测点与爆源距离增大时(监测点从I区测点变为III区测点)，各测点的质点峰值振动速度整体呈减小的变化趋势；当比例药量增加时，地表测点与隧道内部测点处的质点峰值振动速度均呈增加的变化趋势。对于距离爆源较近的I区测点而言(见图3a)，隧洞内部测点处的质点峰值振动速度整体大于地表测点的监测结果，该结果主要与爆源近区受爆破振动波的影响较大有关，此时爆源距对质点峰值振动速度影响占主导作用，爆破对隧洞内部的破坏效应大于其对地表建筑物的影响。

与I区监测结果不同，II区地表测点处的质点峰值振动速度整体大于隧洞内部测点，该结果可能与隧洞内部质点受环向“夹置作用”，自由度少于地表有关，此时爆源距对质点峰值振动速度的影响较小，差异不再明显。相类似，对于距离爆源较远的III区测点而言(见图3c)，地表测点处的质点峰值振动速度大于隧洞内部测点且其两者的差距进一步增大，此时地表振动呈现“鞭梢效应”。因此，由上述两种情况可知，隧洞爆破过程中对距离爆源较远的区域进行监测时，仅仅监测隧洞内部的峰值振动速度不足以保证地表建筑物的稳定与安全，需同时建立监测地上与地下爆破振动的系统。

2.2 不同区域爆破衰减规律

采用规范中推荐的萨道夫斯基公式对图 3中的数据进行回归分析，可得到不同区域测点的爆破振动衰减规律。不同区域下地表和隧洞内部地形系数及衰减系数如图4所示。

图4 地形系数及衰减系数Fig.4 Terrain coefficients and attenuation coefficients

由图4可知，不同区域的地形系数与衰减系数k,α相差较大，在I区与II区，地表振动的衰减指数α略大于隧洞内部，且地表振动随爆源距的增加呈减小趋势，故呈现出隧洞内部的振动速度大于地表振动；然而，随爆源距增加，隧洞内部的振动衰减系数整体呈增加的变化趋势，且III区隧洞内部的衰减系数远大于地表，约为地表部分的2倍，故出现地表振动速度大于隧洞内部振动速度的现象。

传统的隧洞开挖监测系统是通过单一的监测隧洞自身内部的振动速度来控制其不超过相应安全判据。然而，由上述试验结果可知，在距离爆源较近的的I区区域，隧洞内部的振动大于地表振动；当围岩满足自身稳定性7 cm/s的要求时，地表建筑物不一定完全满足安全判据5 cm/s；对于II区而言，二者振动速度相差不大，故可以通过监测地表振动来同时控制隧洞和地表建筑物的安全；在距离爆源较远的III区区域，地表振动速度大于隧洞内部振动，只需要监测地表建构筑物使其不超过控制标准5 cm/s即可。由此可见，对于核电取水隧洞的钻爆开挖安全控制系统的建立，仅仅监测隧洞内部围岩稳定是不够的，因而全方位的分区域建立地上地下监测系统就显得至关重要。

2.3 隧洞爆破不同区域频谱特征

试验表明，爆破产生的振动灾害不仅体现在质点峰值振动速度上，其频谱特性也是决定灾害程度的重要因素。在此，以地面2#监测点和隧洞内部5#监测点为例，对比分析了单孔装药量条件下上述两点的振动波形(见图5)。尽管2#测点比例距离大于5#测点，但其峰值振动速度仍大于隧洞内部。应力波传至地表，因反射应力波作用，测点速度出现叠加，且叠加区只出现在波尾时刻。

图5 单孔装药量条件下5#和2#监测点的振动波形Fig.5 Vibration wave form of monitoring point 5 and point 2 under single hole charge

对于某质点速度时程曲线v(t)，可通过傅里叶变换将其转换为频域空间曲线F(ω)

(2)

式中：ω为振动波的圆频率。

通过变换得到不同位置的频谱(见图6)。结果表明，隧洞内部测点的振动频率普遍高于地表测点，主振频率范围为50～100 Hz，在1～2 s内普遍处于该水平。而地表点的主振频率约为50 Hz，主要局限在波尾段，是由入射波和反射波叠加造成，在0～2 s内，主振频率要小于隧洞内测点振动，因此在评估爆破的破坏作用时，需综合考虑不同测点的频谱差异进行分析。

图6 单孔装药量条件下5#和2#监测点的振动波频谱Fig.6 Vibration frequency spectrum of monitoring point 5 and point 2 under single-hole charge

3 结论

1)地下爆破引起的地下振动与地表振动差异较大，且该差异与爆源距具有较大关系。

2)在距离爆源较近的I区区域内，地下振动速度明显大于地表振动速度，此时仅监测隧洞内部振动不一定完全保证地表建筑物的安全，需要同时在地下及地表部分布设监测点。

3)在II区区域内，地下振动速度与地表振动速度振动差异较小，原则上可以通过监测地表振动来控制地上及地下岩体稳定性，为安全起见，建议地上地下均布设相应监测点。

4)在距离爆源较远的III区区域，地表振动大于地下振动，由于地上部分的控制标准严于隧洞稳定性控制标准，可以通过监测地表振动来同时控制二者安全。