复杂地下洞室群爆破地震波传播的现场试验研究+BRBR(1)

第 24 卷 增 1 岩石力学与工程学报 Vol.24 Supp.1 2005 年 8 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2005 收稿日期：2005–04–02；修回日期：2005–05–30 作者简介：李新平(1963–)，男，博士，1990 年于中国科学院武汉岩土力学研究所获工学博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事岩土工程、爆 破工程方面的教学与研究工作。E-mail：xinpingli@mail.whut.edu.cn。 复杂地下洞室群爆破地震波传播的现场试验研究 李新平 1，张成良 1，陈先仿 2，李友华 2，郭运华 1，代翼飞 1 (1. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070；2. 中国葛洲坝集团公司，湖北 宜昌 443002) 摘要：溪洛渡水电站右岸平行开挖 3 条大断面近距离的导流洞，形成了多个工作面平行和交叉作业，致使爆破开 挖干扰大，安全问题突出。通过对复杂地下导流洞群爆破振动现场试验，研究了导流洞群爆破地震波在开挖主洞 和邻近导流洞的传播规律。研究结果显示在爆破作业条件相同的情况下，在其中一条导流洞进行爆破开挖时，其 洞内爆破质点振动速度传播规律与与之相邻导流洞的振动速度传播规律存在较大差别，相邻导流洞内的爆破质点 振动速度传播具有放大效应，且距爆破点近的内侧壁比外侧壁的放大效应在爆源近场弱，远场强。这为复杂地下 洞室群爆破施工的围岩稳定性和施工、支护的设计和安全性提供指导。 关键词：爆炸力学；水电站；复杂洞室群；相邻隧洞；爆破振动；现场试验研究；放大效应 中图分类号：TD 235.39 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)增 1–4700–05 IN-SITU EXPERIMENTAL STUDY ON TRANSMISSION OF BLASTING VIBRATION WAVE IN GROUPS OF TUNNELS UNDER COMPLICATED CONDITIONS LI Xin-ping1，ZHANG Cheng-liang1，CHEN Xian-fang2，LI You-hua2，GUO Yun-hua1，DAI Yi-fei1 (1. Institute of Architecture and Civil Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China； 2. China Gezhouba Group Corporation，Yichang 443002，China) Abstract：During the construction of Xiluodu hydroelectric station，three parallel training tunnels with great height and span shape are excavated in the right bank，and those tunnels are close with each other. It is inevitable for many work faces to operate at the same time. Thus，the important problem of safety is presented by blasting interference and complicated constructing conditions. Based on maintaining stabilization of rock mass and reducing the cost of support，in-situ experiments of blasting vibration are carried out in the groups of tunnels. According to test data，the rules of transmission of blasting vibration wave are studied in the excavating own and adjacent tunnel. The results show that there are some differences in the rules of transmission of blasting vibration between own and adjacent tunnels when excavating own tunnel，in which the vibrating velocities of particles in the adjacent tunnel hold magnifying effect. Moreover，the velocity magnifying effects between inside and outside walls of the adjacent tunnel are different，and the velocity magnifying effect of inside wall is weaker in the near zone and stronger in far zone compared with the outside wall. The studying results offer the guidance to the construction and design of complicated groups of tunnels and will be useful for the similar projects. Key words：mechanics of explosion；hydroelectric station；groups of tunnels under complicated conditions； adjacent tunnel；blasting vibration；in-situ experimental study；magnifying effect 第 24 卷 增 1 李新平等. 复杂地下洞室群爆破地震波传播的现场试验研究 • 4701 • 1 引 言 岩石作为一种脆性损伤材料[1]，存在着大量裂 隙、微裂纹等缺陷，爆破对岩体破坏和损伤的过程 是由于爆炸载荷作用下岩石内部大量微裂纹的成 核、长大和贯穿而导致岩石宏观力学性能的劣化乃 至最终失效或破坏的一个连续损伤演化累积过程， 其损伤机制可归结为岩石内部微裂纹的动态演化过 程导致岩体破坏失效。在地下工程中，尤其是在水 电工程建设中经常碰到大断面多工作面平行和交叉 作业的格局，构筑物在重复爆炸荷载作用下，爆炸 应力波会使导流洞群的岩体力学性能劣化，造成岩 石强度和力学性能降低；或者使围岩内产生裂纹或 使原有裂纹扩展，影响岩体的完整性，增加了支护 和衬砌费用。如何合理地确定各作业面的作业间距， 最大限度地减少爆炸荷载对围岩的破坏作用，保证 构筑物的稳定，是地下工程多工作面作业所面临的 共同问题。试验作为一种对未来工程实际情况的预 测方法，在实际工程中得到了广泛的应用。文[2]对 备用料开采爆破对百色地下厂房安全影响进行了试 验研究；文[3]在柴石滩水库进行了大爆破对开挖水 工隧洞影响的现场模拟试验，通过对基岩及隧洞的 应力应变、振动速度等观测，研究了隧洞在条形药 室自上而下的爆炸荷载作用下的受力特征及破坏准 则；文[4]等观测发现爆破振动作用下不同部位质点 振动加速度分布规律各异，并统计分析得到爆破地 震波作用下土岩介质质点振动速度与比例距离、介 质动力特性、药量和爆破方式的经验关系式和地下 洞室受邻洞爆炸影响的振动衰减规律经验公式；文 [5]用动光弹试验模拟爆炸应力波与地下结构的相 互作用；文[6]研究了邻近爆破对地下煤矿的损伤问 题。但对于复杂地下洞室群爆破，洞群之间地震波 的传播研究较少，本文采用现场试验，研究地下洞 群爆破地震波的传播规律。 2 工程概况及试验目的 2.1 工程概况 溪洛渡水电站施工期坝址右岸布置了 3 条(4#～ 6#)导流洞。导流洞平面呈单弯道布置，洞身断面为 城门洞型，衬砌后净断面尺寸均为 18 m×20 m(长× 宽)。右岸导流洞布置于金沙江右岸山体内，进口高 程在 368～380 m 之间，出口高程在 362～364.5 m 之间。4#～6#导流洞洞身长分别为 1 258，1 435 和 1 697 m。导流洞洞身主要为 P2β4～P2β6 层致密状 玄武岩、斑状玄武岩及角砾(集块)熔岩岩性坚硬， 单轴抗压强度大于 100 MPa，属坚硬–极坚硬岩类。 工程区无断层分布，主要结构面为层间、层内错动 带和节理裂隙。导流洞部位层间错动带总体不发育， 其中 C3 层间错动较弱，多 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为顺层缓倾剪切裂 隙密集带，一般带宽 5～30 cm，局部最宽可达 50 cm(包括影响带)，断续延伸。C4 层间错动带断续延 伸，主错面波状起伏、粗糙，主错带宽度一般 5～ 10 cm，主要由角砾及少量岩屑组成，影响带宽 10～ 30 cm，结构紧密，工程类型以裂隙岩块型为主，部 分为含屑角砾型。C5 层间错动带分布连续，错动面 舒缓波状起伏，光滑，见倾向擦痕，主错带宽 5～ 15 cm，主要由角砾及少量岩屑组成，影响带宽 30～ 50 cm，局部可达 1 m，总体产状 NE30～50°/SE∠ 3°～8°，工程类型以含屑角砾型为主，部分裂隙岩 块型。 2.2 试验目的 由于导流洞开挖跨度大、高度高，进行开挖的 4#～6#导流洞为 3 条平行隧洞，3 条导流洞洞壁之间 净距离仅 30～40 m，开挖爆破干扰大，安全问题突 出。因此，进行复杂地下导流洞群的爆破地震波传 播规律的现场试验，研究导流洞室群之间爆破地震 波在近区和远区的传播规律，研究导流洞群爆破地 震波在开挖主洞和邻近导流洞的传播规律，这可以 指导大断面、近距离多条导流洞平行和交叉作业的 施工组织设计，确定合适的相邻导流洞的工作面距 离，并将为复杂导流洞群爆破施工的围岩稳定性和 施工安全性提供保证。 3 爆破与现场试验 在爆破开挖施工中，采用中导洞先行，两侧扩 挖跟进的施工方法。中导洞开挖断面为 12.5 m× 9 m(长×宽)，中导洞设于顶拱层中部，中导洞超前 于两侧扩挖 3 个循环，即超前 10 m 左右。开挖主要 采用在自制钻爆作业平台上 20 台气腿钻同时造孔， 斜眼掏槽、垂直崩落和周边光爆的爆破方式[7，8]，4 排掏槽孔对称起爆，其他崩落孔和周边孔按顺序对 称起爆，掏槽孔孔深 4.5～5.0 m，倾角 60°～75°， 崩落孔和周边孔孔深 4.0～4.5 m，孔径φ 42；掏槽孔 间排距 0.5×0.7 m 或 0.6×0.8 m，爆破单耗为 1.0～ 1.2 kg/m3；崩落孔间排距 0.6×1.0 m，单耗为 0.6 kg/m3 • 4702 • 岩石力学与工程学报 2005年 左右；周边孔线装药密度为 130～150 g/m。装药采 用在自制钻爆作业台车上人工装药，炸药采用φ 32 乳化药卷和φ 25 光爆药卷，微差起爆。采用以上的 爆破参数，爆破效果良好，工序也较快，爆破块度 均匀，大块率较小。光爆孔孔痕在开挖轮廓面上均 匀分布，半孔率在 85%以上，相邻 2 孔间的岩面平 整，孔壁没有明显的爆振裂隙。为研究导流洞群之 间的爆破地震波传播规律，试验部位选在开挖爆破 的 5#洞和邻洞 4#和 6#进行，测点布置沿着 4#～6#导 流洞轴线走向进行布置，测点布置如图 1，2 所示， 共获取试验资料在导流洞主洞内 12 组和邻洞内外 侧壁 27 组，试验数据见表 1～3。 图 1 导流洞爆破洞内振动测点布置示意图 Fig.1 Layout of blasting vibration in own tunnel 图 2 导流洞邻洞振动测点布置示意图 Fig.2 Layout of blasting vibration in adjacent tunnel 4 试验研究与结果分析 4.1 试验研究 根据我国爆破安全规程及国内外研究成果，爆 破振动传播与衰减规律一般采用萨道夫斯基的经验 表 1 导流洞爆破洞内试验测试数据 Table 1 Test data of blasting vibration in own tunnel 序号 爆破部位 爆心距 R/m 最大单响药量 Q/kg 振速 V/(cm·s−1) 1 4# 26.8 64.8 4.43 2 4# 32.4 64.8 3.73 3 4# 40.6 64.8 2.68 4 4# 46.2 64.8 2.18 5 4# 53.5 64.8 1.70 6 4# 60.1 64.8 1.24 7 4# 65.7 64.8 1.02 8 4# 71.8 64.8 0.98 9 4# 75.2 64.8 0.87 10 4# 86.0 64.8 0.73 11 4# 91.0 64.8 0.61 12 4# 103.0 64.8 0.46 表 2 导流洞邻洞内侧试验测试数据 Table 2 Test data of blasting vibration in inside wall of the adjacent tunnel 序号 爆破部位 爆心距 R /m 最大单响药量 Q /kg 振速 V/(cm·s−1) 1 5# 33.0 64.8 4.02 2 5# 37.5 64.8 3.67 3 5# 41.0 64.8 3.12 4 5# 47.0 64.8 2.51 5 5# 50.0 64.8 2.34 6 5# 54.3 64.8 2.01 7 5# 61.0 64.8 1.53 8 5# 66.6 64.8 1.27 9 5# 75.1 64.8 1.02 10 5# 83.0 64.8 0.88 11 5# 96.0 64.8 0.81 12 5# 103.0 64.8 0.71 13 5# 109.0 64.8 0.62 14 5# 119.0 64.8 0.54 15 5# 123.0 64.8 0.49 表 3 导流洞邻洞外侧爆破试验测试数据 Table 3 Test data of blasting vibration in outside wall of the adjacent tunnel 序号 爆破部位 爆心距 R/m 最大单响药量 Q/kg 振速 V/(cm·s−1) 1 5# 38.0 64.8 3.25 2 5# 41.8 64.8 2.88 3 5# 47.8 64.8 2.35 4 5# 51.1 64.8 2.12 5 5# 53.4 64.8 1.86 6 5# 57.6 64.8 1.58 7 5# 60.4 64.8 1.47 8 5# 65.0 64.8 1.23 9 5# 70.0 64.8 1.09 10 5# 76.0 64.8 0.93 11 5# 85.0 64.8 0.80 12 5# 90.0 64.8 0.76 第 24 卷 增 1 李新平等. 复杂地下洞室群爆破地震波传播的现场试验研究 • 4703 • 公式[9～14]： 1/ 3( / )a aV K Q R Kρ= = (1) 式中：K 为与地质、爆破方法等因素有关的系数；a 为与地质条件有关的爆破地震波衰减系数；Q 为与 振速 V 值相对应的最大一段起爆药量(kg)；R 为测 点与爆心的直线距离(m)， ρ = Q1/3/R 为比例药量。 通过对导流洞群爆破振动现场试验，利用萨道夫斯 基经验公式对试验数据进行研究分析，得出导流洞 爆破时，导流洞主洞内和邻洞内外两侧壁的爆破振 动传播与衰减规律中 K 值为 131.94，136.52，157.79， a 值为 1.71，1.68，1.73，它们的线性相关性在 96% 以上。因此导流洞主洞内、邻洞内外侧爆破振动速 度衰减公式可用式(2)～(4)来表示，导流洞主洞、邻 洞内外两侧壁质点振动速度变化如图 3 所示。 V = 131.94(Q1/3/R)1.71 (2) V = 136.52(Q1/3/R)1.68 (3) V = 157.79(Q1/3/R)1.73 (4) 4.2 结果分析 根据复杂地下导流洞群动态响应特点，结合本 项工程现场试验，可以得出结论： (1) 爆破对岩体稳定性的影响主要体现在对岩 体力学性能劣化和岩体完整性降低两方面，其影响 程度与距爆破点的距离、导流洞群地质地形分布、 装药条件和爆破参数等密切相关。随着离爆源距离 的增加，对岩石强度和力学性能的影响逐步减弱， 即围岩受损伤或受爆破影响的程度减弱，在不同的 爆破条件下都体现了这样一个规律。但在复杂导流 洞室群的地形地质条件下(本文研究的导流洞洞壁 之间距离为 30～40 m)，在其中一条导流洞进行爆 破开挖时，通过现场爆破振动试验和研究结果显示， 由于洞室群之间距离相距较近，爆炸应力波通过洞 壁会发生反射和拉伸作用，从而使邻洞的质点振动 效应放大。根据公式V = K(Q1/3/R)α，对于一定的药 量，药量可以简化为一个常数，Q1/3 b= (常数)； b = (V/K)1/αR。在 R = 20～50 m，邻洞内侧壁的质点 振动速度比导流洞开挖主洞内的大 8%左右，外侧 壁则大 10%左右；在R = 50～100 m 时内侧壁大 12% 左右外侧壁则大 7%左右；在 R = 100～200 m 时， 内侧壁大 15%左右，外侧壁则大 6%左右。 (2) 爆破产生的爆炸应力波造成岩石损伤区主 要在近区，与近区相比，中远区的损伤影响明显减 弱；爆生气体造成岩石损伤与强度降低程度，与爆 炸应力波作用相比，明显减弱；加大不偶合装药系 数或减弱炮孔的填塞会减弱爆破对围岩的影响程 度。 (3) 岩石的爆破损伤主要为拉伸断裂破坏形 式，爆破中产生的裂纹主要以径向为主，爆破对岩 石的损伤具有方向性。不同的分段方式和起爆顺序 对导流洞群影响差异很大，合理的分段方式和起爆 顺序可以有效的降低爆破作对导流洞群围岩的影 响。 (4) 根据现场试验研究，导流洞群的爆破振动 频率为 60～150 Hz，与该构筑物的结构频率相差较 大，不会产生共振。将一次爆破的所有炮孔分成多 段起爆，选择合理的分段方式和起爆顺序，可减弱 爆破作用对导流洞群的影响，为避免微差爆破延时 时间不够延时误差造成应力波叠加，使振动加强， 在选择雷管段数时，应加大相邻段别的段位差。 (5) 由于缓冲孔和光爆孔对邻近隧洞影响相对 于崩落孔对邻近隧洞的影响要小得多，故在崩落孔 中采用不偶合装药能明显降低邻近隧洞的振动强 度。 5 结 语 地下导流洞群的开挖爆破需要对围岩和近爆点 的构筑物进行保护，最大限度地减少爆破对围岩的 损害作用、降低成本，以保证工程的顺利施工，这 是复杂导流洞群爆破开挖中最为重要也是最为困难 的部分。尤其是本文工程中 3 导流洞相距较近、导 流洞断面大、两洞壁之间的距离仅在 1.5 倍洞径左 右时，地下导流洞室群将面临爆破干扰大，安全问 图 3 导流洞主洞、邻洞内外两侧质点振动速度变化图 Fig.3 Particle velocity change between own and adjacent tunnels 0.2 0.4 0.6 0.8 本洞 内侧 外侧 −1.6 −1.4 −1.2 −1.0 lgp lg V 0.0 −0.2 −0.4 • 4704 • 岩石力学与工程学报 2005年 题突出的情况。通过对导流洞群进行爆破振动现场 试验研究，分析研究了导流洞主洞和相邻导流洞内 外侧壁的爆破地震波的传播衰减规律，讨论分析了 它们在爆源近场和远场的传播特性，发现相邻导流 洞的爆破质点振动速度具有放大效应作用，具体表 现为：在 R = 20～50 m，邻洞内侧壁的质点振动速 度比导流洞开挖主洞内的大 8%左右；外侧壁则大 10%左右；在 R = 50～100 m 时内侧壁大 12%左右； 外侧壁则大 7%左右，在 R = 100～200 m 时，内侧 壁大 15%左右；外侧壁则大 6%左右。但由于导流 洞群之间爆破地震波传播受多种因素影响，因此其 传播规律需要做进一步的理论和计算研究工作。 参考文献(References)： [1] 杨小林，员小有，吴 忠，等. 爆破损伤岩石力学特性的试验研 究[J]. 岩石力学与工程学报，2001，20(4)：436–439.(Yang Xiaolin， Yuan Xiaoyou，Wu Zhong，et al. 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