陶岔渠首枢纽工程新老闸衔接段开挖控制爆破及振动监测技术研究
【摘 要】 本文结合作者实际工程经历与经验，就南水北调工程陶岔渠首枢纽工程新老闸衔接段开挖控制爆破及振动监测技术进行相关研究，以期对以往工程进行总结。
【关键词】 南水北调 衔接 爆破 震动监测
1 工程概况
陶岔渠首枢纽工程位于丹江口水库东岸的河南省淅川县九重镇陶岔村，既是南水北调中线输水总干渠的引水渠首，也是丹江口水库副坝，初期工程于1974年建成，渠首闸顶高程162m，承担引丹灌溉任务。南水北调中线一期工程建成后，该枢纽担负着向北京、天津、河北、河南等城市输水的任务，是南水北调中线工程的重要组成部分。陶岔渠首枢纽位于原渠首闸下游约70m，由引水闸和电站等组成，电站装机容量50MW。水闸上游为长约4km的引渠，与丹江口水库相连，水闸下游与总干渠相连。闸坝顶高程176.6m，轴线长265m，共分15个坝段。包括左、右岸各5个非溢流坝段，安装厂坝段、电站厂房坝段，三孔2个坝段的引水闸。
2 新老闸衔接段爆破开挖
由于新、老闸相距较近，为抢新闸主体施工及不影响老闸正常稳定运行，将基坑厂房坝段及引水闸坝段上游侧部分石方开挖作为二期进行施工。新老闸衔接段石方开挖项目是在新枢纽主体建筑物已基本施工成型的复杂环境条件下实施。爆破开挖对新闸会造成结构和设备的损坏，对混凝土产生振动影响，因此，新老闸衔接段爆破开挖需确保新闸安全。在新老闸衔接段石方爆破开挖前，进行爆破试验。试验目的是寻求科学的控制爆破方法与工艺，为施工方案选取及钻爆参数的确定提供依据，并全面研究不同爆破条件下的爆破振动特性及振动传播规律。试验针对新老闸衔接段开挖爆破方案、爆破工艺及参数进行调整与优化，进行相应的爆破振动观测与分析；通过岩体弹性波检测评估爆破影响范围。
3 试验及监测工程实施基本情况
新老闸衔接段石方爆破试验及监测工作从2012年7月1日开始准备，7月8日试验人员及仪器设备到达现场，爆破试验工作选定在引水闸坝段上游EL150m平台岩石开挖部位进行，便于试验并使试验结果具有代表性。按照计划，试验重点研究闸室进口坡面轮廓控制爆破方法。本阶段试验工作主要结合引水闸上游EL150m平台爆破开挖进行，通过生产性试验，对爆破工艺及参数进行调整与优化，确定经济、合理的钻爆参数；同时进行相应的爆破振动观测与分析，研究当前地质及爆破条件下的爆破振动特性及振动传播规律。另外，还对使用的雷管、炸药、导爆索等爆破材料进行相关性能的检测。
4 爆破振动监测方案
4.1 原理
目前，爆破界一般通行使用前苏联M.A萨道夫斯基经验关系式作为质点振动速度衰减规律的回归方程：
式中：V—峰值质点振动速度，cm/s；Q—单响最大药量，kg；R—爆心距或波行距，m；K，α—回归系数，与地形地质条件及爆源类型有关。
然后再通过允许的建筑物和保护对象的安全质点振动速度，反求今后每次爆破时的允许最大装药量，从而使每次在构筑物和保护对象附近爆破时，将其质点振动速度控制在允许范围内。
4.2 监测方法与技术
在进行现场常规爆破监测的同时，需在爆区（源）附近和敏感区域附近布置宏观调查区，进行爆破施工前后的宏观调查。具体在邻近爆区的敏感部位布设观察点，先对观测点进行冲洗，然后喷涂标志进行爆破前后的宏观调查，综合分析该部位爆破受振情况。通过跟踪调查，及时反馈调查结果，调整爆破参数，以达到减小爆破地震效应的目的。陶岔渠首枢纽主体工程新老闸衔接段爆破施工区域周边环境复杂，施工干扰大、需监测保护对象分布较分散。在具体监测过程中，根据爆区位置，合理安排爆破振动监测点的布设。
4.3 爆破振动监测依据
我国现行的有关国家标准和行业标准也都采用质点振动速度作为安全控制标准，本标段监测工作选用质点振动速度—频率的控制标准。结合类似工程的实践经验综合分析研究确定各动态监测部位（保护对象）的允许最大质点振动速度安全控制标准，根据《爆破安全规程》规定的爆破振动安全允许标准，参照大体积混凝土、钢筋混凝土结构房屋的要求，将新老闸坝、新浇混凝土和帷幕灌浆（坝基灌浆均超28d龄期）的安全标准分别定为：爆破振动频率为f>50 Hz时，安全允许振速为10cm/s、5cm/s和2.5cm/s。
5 监测成果分析
5.1 工作布置
根据现场开挖爆破施工实际情况，以及结合工区周边具体环境分析，相关监测工作布置情况如下：在起爆前2小时进入指定点埋设监测仪器，进行爆破振动监测数据采集工作，爆破结束后收集监测设备数据，分析数据做资料初步处理。具体监测点布置采用动态布置，具有不固定性，根据现场监理指定或实际爆破施工部位及爆破规模合理选择监测（保护）对象进行质点振动速度监测。在进行爆破监测时，测点选择原则为：选择距爆区近、具有控制性作用的重要建（构）筑物，在关键部位布置测点进行爆破质点振动速度监测。根据现场实际情况及相关文件要求，具体监测保护对象：主厂房；引水闸； 帷幕灌浆部位。
根据确定的本二期工程爆破作业重要安全保护对象，在引水闸坝段、主厂房坝段坝顶、坝踵、灌浆廊道内分别布设六个监测点，进行质点振动速度安全监测。
5.2 监测数据
现场生产性试验爆破振动监测共计监测爆破2次，共布置7个监测点，采集现场爆破监测数据30点·次。各监测部位实测爆破质点振动峰值速度统计见表1。
5.3 成果分析
本监测区主要对新闸主厂房、引水闸、帷幕灌浆廊道等部位进行振动监测，爆心距40～60m，单响药量20Kg，单次起爆总药量364～800Kg。由新老闸衔接段开挖爆破试验质点振动峰值可见，最大振速发生在10#坝段帷幕灌浆廊道监测点，水平X方向2.35cm/s，接近坝基灌浆（7～28天）2.5cm/s安全标准。总体上振动数值在现行振动安全控制标准范围内，因此振动不会对混凝土建筑结构安全产生影响。根据各监测部位振动峰值来看，陶岔渠首枢纽新老闸衔接段开挖爆破试验产生振动，符合爆破振动传播理论的一般规律，真实反映了客观实际。
6 爆破试验结论及建议
根据本阶段试验及监测工作，可以得出如下结论及建议：（1）引水闸上游EL150.0m平台及电站进口上部岩石爆破开挖可以按照单耗0.35～0.4kg/m3、间排距按1.5～5.0m×1.5～2.5m来控制炮孔布置及装药，在钻孔过程中遇到岩石风化程度变化较大时，适当调整间排距；在爆破装药、联网过程中，要保证各炮孔雷管段别正确，联接可靠，并注意不得损坏导爆管。（2）当岩性条件发生改变，或施工部位靠近陶岔新闸枢纽时应加强爆破振动观测。（3）施工过程中使用的火工品性能是基本满足要求的，但也有个别雷管延时误差较大。在新老闸衔接段爆破开挖中，建议雷管跳段使用，防止因雷管延时误差出现串段现象，从而影响爆破效果，并出现前后段爆破震，动波形叠加现象。（4）为了保证爆破网路准爆和施工安全，建议起爆雷管使用瞬发电雷管。（5）对引水闸上游EL150.0m平台上部强风化层边坡，从试验来看，无論是采用预裂还是光面爆破均难以达到理想效果，建议边坡处理采用预留50cm保护层，在出渣时挖掘机直接进行修坡的方法。
7 结语
通过对爆破试验及大规模爆破振动监测相关数据资料的整理分析，综合得出以下结论：
（1）陶岔渠首枢纽工程新老闸衔接段爆破施工过程中开展了科学规范的爆破振动监测工作。从新老闸衔接段爆破监测情况来看，最大振速发生在8月28日8#坝段坝踵混凝土监测点，垂直Z方向 6.00cm/s，该混凝土龄期超过28天，振动数值在现行振动安全控制标准范围内；7月20日灌浆廊道10#坝段振动数值X方向2.35cm/s，接近坝基灌浆（7～28天）2.5cm/s安全标准，完全满足技术要求。监测成果表明本次爆破施工引起建（构）筑物振动符合国家现行振动安全控制标准，不会对工区周边建（构）筑物安全产生影响。（2）通过监测点部位附近爆破试验前后宏观调查，结果表明开挖爆破施工对周边区域环境及建（构）筑设施未造成不利影响。（3）在研究爆破设计的同时，通过振动监测，达到不采取特殊措施，只控制单响药量的方法来进行控制爆破，舍弃了以往破碎锤开挖及静态爆破剂开挖的措施，节约施工时间，降低施工难度，节约施工成本；同时也为是否对新闸建筑物及新闸帷幕安全产生危害提供了评判依据，即使老闸因年久老化或新枢纽轻微振动，个别构件和部位出现异常情况，此次监测的翔实数据也为评判提供了有力的证据，减少不必要的经济损失。