向家坝水电站南干渠隧洞爆破开挖试验研究.pdf

第3 2 卷第3 期 爆破 V 0 1 ．3 2N o ．3 2 0 1 5 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 3 ．0 2 4 向家坝水电站南干渠隧洞爆破开挖试验研究术 景茂贵1 ，朱2 刘昆鹏1 ，王3 金潇男2 1 ．中国长江三峡集团公司向家坝工程建设部，宜宾6 5 7 8 0 0 ； 2 ．长江水利委员会长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉4 3 0 0 1 0 ； 3 ．长江三峡技术经济发展有限公司向家坝监理部，宜宾6 5 7 8 0 0 摘要向家坝水电站南干渠主隧洞的部分线路和观施工支洞穿过水富县高滩坝新区，为减少开挖爆破 对既有结构、设施和周边居民的不利影响，在正式施工前进行了爆破试验。研究了掏槽孔不同布孔方式和爆 破参数对振动效应的影响，证明采用多排斜孔掏槽相对其他掏槽方式能够有效降低周边保护对象处的振动 速度；同时通过工程类比、振动监测和现场调查，发现在制定控制标准时需要将周围居民的心理承受能力作 为重要参考依据。在此基础上提出了适用于南干渠与S 2 支洞工区的质点振动安全允许值，保证了后续爆破 施工不会对居民的正常生产生活产生较大干扰，可为类似条件下的地下空间微震控制爆破提供有益的参考。 关键词水工隧洞；城区环境；爆破试验；振动效应；控制标准 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 3 0 1 3 3 0 6 S t u d yo fB l a s t i n gE x c a v a t i o no fN a n g a n q uH y d r a u l i cT u n n e li n X i a n g j i a b aH y d r o p o w e rS t a t i o n J I N GM a o ．g u i l ，Z H UL i 2 ，L I UK u n - p e n 9 1 ，W A N GW e i 3 ，J I NX i a o ．1 7 , a n 2 1 ．X i a n gJ i a b aH y d r o p o w e ro fC h i n aT h r e eG o r g e sC o r p o r a t i o n ，Y i b i n6 5 7 8 0 0 ，C h i n a ； 2 ．K e yL a b o r a t o r yo fG e o t e c h n i c a lM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n go fM i n i s t r yo fW a t e rR e s o u r c e s ， Y a n g t z eR i v e rS c i e n t i f i cR e s e a r c hI n s t i t u t e ，W u h a n4 3 0 0 1 0 ，C h i n a ； 3 ．T h r e eG o r g e sT e c h n o l o g y E c o n o m yD e v e l o p m e n tC oL t d ，Y i b i n6 5 7 8 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t P a r to fm a i nt u n n e la n dt h eb r a n c ht u n n e la r el o c a t e di nt h eG a o t a nN e wT o w n ．A c c o r d i n gt ot h ed e 。 s i g n ，t h em a i nt u n n e la n db r a n c ht u n n e ls h o u l db ee x c a v a t e db yd r i l l i n g b l a s t i n gm e t h o d ．I no r d e rt oc o n t r o lt h eb i a s t i n gv i b r a t i o ne f f e c ta n dt om a k en od a m a g et op e o p l en e a r b y ，t h eb l a s t i n gt r i m sw e r ep e r f o r m e dj u s tb e f o r e t h ef u l l - S C a l ee x c a v a t i o n ．T h et r i a l ss t u d i e dt I l ev i b r a t i o ne f f e c t so fd i f f e r e n tc u t ．h o l el o c a t i o n sa n db l a s t i n gp a r a m e t e r s ．w h i c h s h o w e dt h a tm u l t i - r o w so fi n c l i n e dh o l e sr e d u c e dt h eb l a s t i n gv i b r a t i o ne f f e c t i v e l y ．M e a n w h i l e ，b ym e a n so fa n a l o g i c a l a r g u m e n t s ，v i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n df i e l di n v e s t i g a t i o n ，t h er e s u l t ss h o w e di tn e c e s s a r yt ot a k ep s y c h o l o g i c a le n d u r - a n c eo fl o c a lr e s i d e n ti n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h es a f e t ys t a n d a r d se s t a b l i s h m e n t ．O nb a s i so ft h em e t h o d ，t h et h r e s h o l d o fP P Vo fm a i nt u n n e la n db r a n c ht u n n e la r e aw a sp r e s e n t e d ．w h i c he n s u r e dt h ef o l l o w i n ge x c a v a t i o nm a d en od a m a g et ot h es u r r o u n d i n g s ． K e yw o r d s h y d r a u l i ct u n n e l ；u r b a nc i r c u m s t a n c e ；b l a s t i n gt e s t s ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；c o n t r o ls t a n d a r d s 收稿1 3 期2 0 1 5 0 7 0 6 作者简介景茂贵 1 9 8 1 一 ，男，硕士、工程师，研究方向为岩石动力 学， E m a i l 1 7 2 6 3 9 3 0 3 9 q q ．c o r n 。 基金项目中央级公益性科研院所基金项目 编号C K S F 2 0 1 5 0 3 4 ／ Y T ，单位代码1 2 6 2 0 2 0 0 5 1 工程概况 向家坝水电站灌区项目作为向家坝水电站综合 开发利用的配套工程，用于川南片区及云南省水富 万方数据 爆破2 0 1 5 年9 月 县约3 5 0 万亩耕地灌溉，以及保障自贡、内江等地 5 0 0 余万人口的生活用水，对建设川南粮仓，保障粮 食安全等起着举足轻重的作用。引水隧洞是该项目 的控制性工程，其取水口分别位于向家坝电站大坝 上游左右两侧，由两条长4 ．9k m 南总干渠 和 1 0k m 北总干渠 有压隧道组成。 南总干渠取水隧洞设置了2 条施工支洞 J s l 和 睨施工支洞 ，按照施工方案，主洞和支洞均采用钻 爆法开挖首先从施工支洞掘进至主洞的设计轴线， 然后展开上下游方向两个作业面同时全断面掘进。 舵支洞人口位于水富县高滩坝新区，直接面对高滩 坝小区，距居民楼最近仅9 3m ，人口5 0m 的地下埋 设有输电、供水、燃气等多种市政管线；主洞设计线 路下穿水富县高滩坝新区，与水富县人民医院直线 距离约2 0 0m ，距高滩村民居不足1 0 0m ，另外桩号 4 6 7 3 ．5 4 6 9 1 ．5m 洞段上穿水富隧道，主洞底 板与水富隧道顶拱最近处仅有1 6 ．5m 。南干渠爆 破施工环境见图1 。 2 爆破试验方案 ＼， 图1向家坝水电站南干渠工程线路图 F i g ．1 T h er o u t eo fN a n g a n q uP r o j e c t ，X i a n g j i a b aH y d r o p o w e rS t a t i o n 鉴于南干渠线路复杂的地质条件和周边环境， 为避免爆破施工对附近的建筑物、交通隧道、市政管 线和公用设施造成损伤，尽量降低对工区周边居民 正常生产生活产生的干扰，按照精细爆破的指导思 想’2o ，先期在．s 2 支洞内进行爆破试验，根据爆破 试验成果制定合理的控制标准；在爆破施工过程中 对作业面邻近区域的保护对象进行安全监测，对超 标现象进行分析研究，并优化调整爆破参数，完善施 工和防护方案。 南总干渠观施工支洞全长1 2 7 ．5m ，隧洞断面 为城门洞型，断面尺寸为5 ．0m 6 ．0m 宽高 。 支洞入口上覆岩体岩性为粉砂质泥岩与砂岩互层， 局部夹泥质粉砂岩，属平缓层状边坡，总体稳定性较 好，但受风化和卸荷作用影响，表层裂隙发育。围岩 类型为I V 类，局部V 类。 根据舵支洞的地质条件和施工环境，按照“短 进尺、低单段、高单耗”的原则制定爆破试验方案， 具体内容为旧引 1 每一循环进尺不大于2 ．0m ； 。＼． 2 采用中心直孔进行掏槽； 3 掏槽孔和辅助孔采 用西3 2 药卷连续装药，单孔药量1 ．4 1 ．8k g ；周边 孔采用咖2 5 药卷间隔装药，线装药密度3 0 0g ／m ，单 孔药量0 ．4k g ； 4 起爆网路采取非电毫秒雷管孔 内分段延时，电雷管起爆的方式，其中掏槽孔6 孔一 段，单段药量8 ．4k g ；辅助孔5 7 孔一段，单段药量 7 ．0 ～1 4 ．0k g ；周边孔1 8 2 2 孔一段，单段药量为 7 ．2 8 ．8k g ；每一循环总装药量8 0 ．0k g ，开挖方量 约为5 8 ．5m 3 ，设计单耗为1 ．4k g ／m 3 ； 5 装药完成 后必须使用河砂或黄泥按照设计长度 0 ．6 0 ．7m 堵塞炮孑L ； 6 为防止飞石飞出睨支洞，降低冲击波 和噪声的危害，在炮孔联网完成后用钢板将洞口完 全封闭； 7 根据有关规程规范，试验期间爆破振动 控制标准暂定为居民住宅和商铺基础处最大振动 速度不超过2 ．0c m ／s ，市政管线地表处最大振动速 度不超过1 ．5c m ／s ，爆破噪声控制标准暂定为 1 2 0d B 。爆破试验的主要设计参数见表1 ，起爆网路 布置图见图2 。 万方数据 第3 2 卷第3 期景茂贵，朱莅，刘昆鹏，等向家坝水电站南干渠隧洞爆破开挖试验研究 1 3 5 表l 舵支洞第一次爆破试验设计参数 T a b l e1 D e s i g np a r a m e t e r so f1 “f i e l dt e s t 。 b r a n c h J『／妣 { 主唑I j Q ．I j 磐1 ． 塑一． 兰 ．．} 王旦4 ．．磐掣J 罔25 2 支洞第一次爆破试验炮孔布咒图 单位F l i t l F i g ．2 T h el a y o u to fb l a s t i n gh o l e so f1 “f i e l dt e s t ， S 2b r a n c h u n i t m m 3 爆破试验 3 ．1 爆破振动监测 爆破试验时在J s 2 场区路面 1 测点 、市政管 道上方的水泥地面 2 测点 、城区道路 3 测点 、 居民楼基础 4 、5 测点 和商业网店基础表面 6 测点 布置了6 台爆破振动记录仪，测点布置见 图3 ，同时监测水平径向、水平切向和竖直向的质点 振动速度。在居民楼基础处同时布置1 个噪声测 点，用于监测爆破试验产生的噪声情况。爆破振动 监测数据见表2 。 3 ．2 振动特征分析 图4 为l 撑测点实测垂直向振动速度时程曲线。 由图中可以看出，初始振动呈现明显的阶跃特性，在 极短时间内突跃至峰值，波形极其陡峭，随后迅速衰 减。由波形对应时间判断最大振速出现在掏槽孔起 爆阶段，而辅助孔、底板孔和周边孔爆破产生的振动 迅速减弱。虽然掏槽孔单段药量与辅助孔、底板孔 的最大单段药量相近，但振动幅值相差数倍，这是由 于掏槽爆破受到岩体夹制作用，容易引起较强的振 动，在形成临空面后，后续炮孔起爆产生的振动效应 显著降低∞1 。 爆破在市政管线产生的最大振动幅值为 0 ．8 0c m ／s ，在城区道路产生的最大振动幅值为 0 ．5 3c m ／s ，在居民楼基础处产生的最大振动幅值为 0 ．4 5c r n ／s ，均低于试验确定的安全控制标准。现场 调查未发现路面下沉开裂、结构位移、墙体裂缝扩展 等震害现象，这表明爆破试验没有对附近的市政设 施、城区道路和结构物造成损伤。在高滩坝小区8 1 栋一楼 4 样测点 设置的噪声测点显示该处爆破噪 声为1 1 5d B ，未超过设计控制标准1 2 0d B 。但8 1 栋 4 测点 、6 2 栋 5 测点 居住在6 层以上的居 民反映，爆破时在家中能感觉到楼板和门窗发生轻 微晃动，老年人及婴幼儿有不适感。 前期对6 2 栋、8 1 栋居民楼进行了动力特性测 试，得到顶层的振动放大系数在2 ．0 ～2 ．5 。当一楼 基础振动速度为0 ．4 0c m ／s 时，七楼处可能产生的 最大振动幅值为0 ．8 0 1 ．0 0c m ／s 。为尽量减少爆 破对居民日常生活的干扰，南干渠爆破开挖在居民 楼基础产生的振动速度不宜超过0 ．3 0c m ／s 。 4 爆破方案优化 在第一次爆破试验的基础上，对爆破设计方案 进行了优化将掏槽方式由单排直孔掏槽改为双排 斜孔掏槽。第一排掏槽孔孔深较浅 约1 ．4 0m ，单 孔药量O ．9 0k g ，第二排掏槽孔单孔药量1 ．5 0k g 。 第一排掏槽孔使用M S l 段雷管首先起爆形成浅层 槽腔，削弱岩体的夹制作用，第二排掏槽孔使用M S 3 段雷管随后起爆，实现设计的掏槽效果，为辅助孔剥 离岩体创造良好的临空条件。改进后的爆破设计参 氍 Tl刘引l土 万方数据 爆破 2 0 1 5 年9 月 数见表3 ，起爆网路布置图见图5 。 表2 观施工支洞第一次爆破试验振动数据 T a b l e2T h ev i b r a t i o nd a t ao fl “f i e l dt e s t 。舵b r a n c h 图3 跎支洞爆破振动监测布置图 F i g ．3 T h el a y o u to fv i b r a t i o nm o n i t o rp o i n t so ft h ef i e l dt e s t ．S 2b r a n c h 。 J h 帅肌肿～砌邮矿加州Ⅵ扩一 3 一O ．20l 00 ．1O203 0 405 0607 O80 ．91 ．0 n m e ／s 图41 测点 s 2 工区 第一次爆破试验竖直向振动波形图 F i g ．4 n ew a v e f o r mo fv e a i c a lv i b r a t i o no ft h el “m o n i t o rp o i n t 5 2b r a n c ha r e a ，t h e1 “t e s t 第二次爆破试验时在相同位置布置了6 个振动 测点和1 个噪声测点，爆破振动监测数据见表4 ，典 型波形见图6 。 监测数据显示，第二次试验的振动效应比第一 次试验有明显降低，S 2 工区路面 1 测点 的振速峰 值速度降低幅度为2 0 ％，居民楼基础 4 样、5 } } 测点 的 振动峰值速度降低幅度为3 0 ％。从图6 的波形上看， 第二次试验的振速曲线相对平缓，未出现阶跃特征。 高楼层的居民反映门窗晃动幅度明显降低，这表明采 用双排斜孔掏槽能够起到较好的减振效果。 8 6 4 2 O 2 4 6 8 { O O O 0 0 O O 0 万方数据 第3 2 卷第3 期景茂贵，朱莅，刘昆鹏，等向家坝水电站南干渠隧洞爆破开挖试验研究 1 3 7 表3 支洞第二次爆破试验设计参数 T a b l e3T h ed e s i g np a r a m e t e r so f2 一f i e l dt e s t 。| s 2b r a n c h M S l 2 X 书卜瑾卜h ■瑾矗 4 一A ＼五堇整堕堡 } J 塑4 』盟斗上盟斗出卫斗骂 I 三1 2 I 簟 生I j 鞫． 塑一．1 墨斗旦q 三蛐 图55 2 支洞第二次爆破试验炮孔布置图 单位 l l n l F i g ．5 T h el a y o u to fb l a s t i n gh o l e so f2 一f i e l dt e s t ， 5 “ 2b r a n c h u n i t r a m 5 爆破试验成果应用 舵支洞的后续开挖及南干渠开挖均按照第二 次试验方案进行。在随后施工过程中，进行了爆破 振动安全监测。距离作业面最近的8 l 栋居民楼基 础处的振动监测数据如表5 所示。由此可见，改进 后的方案既能够有效减弱爆破振动幅值，又能够保 证爆破施工的质量与进度。 6 结语 通过向家坝水电站南干渠5 2 支洞爆破试验与 安全监测，可以得到以下结论 1 在复杂城区环境中进行地下工程爆破施工 时，制定的爆破振动安全控制标准应充分考虑人的 心理承受能力。 2 隧洞爆破开挖的质点振动速度幅值主要取 决于掏槽孔的爆破参数，而与辅助孔、周边孔的爆破 参数关联性不大。 3 掏槽孔采用多级斜孔的布孔方式能降低岩 体的夹制作用，提高炸药使用效率，有效降低爆破振 动效应，适用于城区环境下地下工程微震爆破的技 术要求。 表4 鸵施工支洞第二次爆破试验振动数据 T a b l e4T h ev i b r a t i o nd a t ao f2 一f i e l dt e s t 。驼b r a n c h 丁l引14 ▲．J 万方数据 1 3 8爆破2 0 1 5 年9 月 0 ．6 0 ．4 “0 ．2 S0 詹一0 ．2 怒_ 0 4 - 0 ．6 。 ／ 帆机胁州呻帆忡一 n m e ／s 图61 锄蛆点 S 2 工区 第二次爆破试验竖直向振动波形图 F i g ．6 T h ew a v e f o r mo fv e r t i c a lv i b r a t i o no fl “m o n i t o rp o i n t S 2b r a n c ha r e a ．t h e2 一t e s t 表58 1 栋居民楼爆破振动监测数据 T a b l e5T h ev i b r a t i o nd a t ao ft h es a f e t ym o n i t o r i n gi nt h e8 1 b u i l d i n g 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]谢先启，卢文波．精细爆破[ M ] ．工程爆破，2 0 0 8 ， 1 4 3 l - 7 ． [ 1 ] X I EX i a n - q i ，L UW e n - b o ．3 P p r e c i s e ，p u n c t i l i o u sa n d p e r f e c t b l a s t i n g [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 8 ， 1 4 3 1 - 7 ． i nC h i n e s e [ 2 ]张正宇，卢文波，刘美山，等．水利水电工程精细爆破 概论[ M ] ．北京中国水利水电出版社，2 0 0 9 ． [ 2 ] Z H A N GZ h e n g - y u ，L Uw e n - b o ，L I UM e i - s h a n ．I n t r o d u c - t i o nt of i n eb l a s t i n go fw a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e r p r o j e c t s [ M ] ．B e i j i n g C h i n aW a t e rC o n s e r v a n c ya n dH y - d r o p o w e rP r e s s ，2 0 0 9 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