秦山核电站大型基坑开挖爆破技术
完成时间：1997年3月～1998年10月
工程地点：浙江海盐秦山核电三期厂区
完成单位：核工业华东地质局二七二大队(核工业南京建设公司)、南京工程兵工程学院
项目主持人及参加人员：余五一、林爱民、徐全军、毛志远、龙 源、胥传辉、杨海明、
季茂荣、温尊礼、陈国祥、韩文红、骆守林、方 向、欧阳春、
高振儒
撰稿人：余五一、陈国祥、韩文红
1 工程概况
秦山核电三期工程位于浙江省海盐县城东南11km处秦山脚下，东南方0.8km有正在运行发电的一期核岛，西南1.5km为正在建设的核电二期工地。岩性为上侏罗纪中酸性火山碎屑岩系的英安质熔结凝灰岩，岩石坚固性系数f=12。容重2.5g／cm3。，抗压强度10～12MPa。
基坑场地东西长460m，南北宽170m。基坑深8～24m不等、开挖面积4．5万m2，开挖方量65万m3。，预裂爆破3.0万m2。工期14个月。各种要求极为严格。
核工业南京建设公司承担了其中的大型基坑的开挖爆破，有些标准要执行国际标准，对工程质量和爆破振动的要求很高，国外核电站运行后基坑周围不允许有新的爆破开挖，秦山核电三期工程的基坑要在正处于运行发电的秦山一期附近进行爆破开挖。为高质、安全、按期完成基坑开挖爆破任务，我们同南京工程兵工程学院共同承担了由核工业地质总局下达的“大型基坑开挖爆破技术研究”的课题，与工程的施工进度同步。
2 水孔法压力量测及其解决的问题
为了确定各种爆破的有关参数，采用了水孔法压力量测对深孔爆破应力场进行研究和分析。
2.1 试验现场布置
图l标明了测压试验炮孔和测压孔的相对位置，被测孔距测压孔4m。
图1 被测炮孔与测压孔的位置布置
2.2 测量仪器及现场试验方法
现场试验使用的是北京理工大学研制的HB-96型数字存储压力计，系统基本配置如图2所示。
图2 测压系统基本配置
现场测压试验原理如图3所示。
图3 现场测压试验原理
工地的爆破台阶高8.5～9.5m，有两个自由面，炮孔孔径76mm，孔深9.5～10.5 m，填塞长度2.5～3.0m。量测孔深9.0m，测试时用水灌满，探头设在离孔口6～7m，量测孔的位置要避开裂隙发育之处，以免漏水过多。
水孔法压力测试解决的问题：
(1)通过对水孔法测试结果的分析和爆破实测得到深孔爆破破坏范围的估计，考虑到孔间应力波的迭加，采用F76mm的炮孔，孔网参数可取a=2～2.5m，b=1.8～2.0m。
(2)从单孔爆破范围可推知，保证最后一排炮孔与预裂面间的岩体的破碎，最后一排孔预裂面的距离应为1.0～1.2程中多采用1.0别地段取1.2m
(3)通过深孔爆破孔底部应力场分析得到凝灰岩中孔底的状态，提出了凝灰岩中的孔岩体保护层为30cm，底板保护技术提供了理论依据。
(4)通过对波形持续时间的分析，对于近场爆破振动的预报研究，可以单个炮孔生的振动预报为主。
3 基坑底板保护层的处理
该工程对基坑底板的要求是：标高欠挖控制在+7cm以内，超挖控制在-20cm以内底板不得有因施工原因造成的新裂隙，超挖超过规定限度，由施工方自费用规定标号的混凝土填平。
3.1 基坑底板保护层
根据国际惯例，对于核电站这样极重要部位的基坑底板，在开挖过程中，一般是将爆破孔穿至设计标高以上30cm处爆，爆破至设计标高以上30cm处不再爆破，留此厚度作为基坑底板的保护层。不再允许履带式机械进入现场，也不再允许用机械的方法进行铲装，而改为轮胎式凿岩机和风镐破岩，人工方法装料，以确保基坑底部岩石的完整性和足够的承载能力。
通过建立孔底应力分析模型，征得加拿大爆破顾问的同意，对底板做了再次爆破试验，采用了钻孔一次到位法进行施工，即将炮孔落在设计的底板标高，将未爆到建基面的厚度作为保护层。
3.2 基坑底板处理
根据国际惯例，核电基坑的底板保护应该用机械凿岩或人工凿岩的方法进行处理。但是，本工程的特点，一是基坑大坑套小坑，窄小沟槽纵横交错，凿岩机械无法进入，只能采用风镐进行人工凿岩，效率极低；二是施工场地有限，不可能投人大量人工和风镐，与正常爆破、铲装同时作业，限制了进度。在进行爆破试验的基础上，征得加拿大爆破顾问的同意，我们采取以下措施：风钻穿孔，咖32mm的乳化炸药爆破，适当的超深。但是，对于高出建基面5cm以内的部分，不允许再用爆破的方法，而只能采用风镐或大锤凿除。采用这种方法处理保护层，只用了两个月，确保了工期。
3.3 效果
工程验收采用了5m×5m的方格网，各个基坑开挖的方格网数值表明，施工中对底板的控制是成功的，除了在标高边缘处(此处标高相差30～50cm，无法进行预裂爆破处理)发生部分坍塌和因岩石的集块产生的“锅底”现象外，最终标高和设计标高基本吻合，加拿大方和业主方均十分满意。经济上，原计划底板处理费用250万元，采用爆破的方法处理，实际消耗150万元。
4 基坑中的预裂爆破
该基坑结构十分紧凑，所有边帮均为垂直壁，形状复杂(有长方形、正方形、三角形、梯形、圆形和弧形)。负挖边帮预裂线有直线、折线，还有曲线，深浅不一，尤其是深坑中的窄巷道处的边帮保留部分岩体的稳定十分重要，必须保证石方开挖阶段和几年的土建施工来往车辆、行人的安全，于是便给出了约3万m3的边帮预裂爆破，对施工质量提出了更高的要求。
4.1 爆破参数
根据地层条件，通过对几个计算公式的比较和过去该地区取得的经验，以及水孔法的资料，并经现场爆破试验和修改，最终得出表l所示的预裂爆破参数。
表1 基坑爆破参数
|
岩石 种类 |
孔深 ／m |
孔径 ／mm |
孔距 ／cm |
填塞长度 ／m |
顶部减弱装药 |
底部加强装药 |
中部正常线装药 | ||
|
长度／m |
装药量／g |
长度／m |
装药量／g |
密度／g*m-1 | |||||
|
火 山 角砾岩 |
7～11 |
76 |
70 |
2.5～3.0 |
1.0 |
1.70 |
0.8 |
850 |
309 |
|
火 山 角砾岩 |
5.0以下 |
64 |
60 |
1.0 |
O |
O |
0.6 |
510 |
212.5 |
|
火 山 集块岩 |
7～11 |
76 |
70 |
1.6～1.8 |
2.55 |
1.35 |
0.6 |
870 |
340 |
4.2 几个问题的处理
根据水孔测试法得出的数据和实地做标记的方法所得出的数据，取值为1.0m，效果良好。
解决这个问题，一是要合理地确定装药结构和装药量；二是要合理地确定最后一排主爆孔的装药量(一般为正常装药量的1／2～1／3)，负挖中，将正常的2.5m填塞改为3.5～4.0m，效果很好；三是要选择较的台阶，犹如光面爆破一样形成自由面，台阶愈窄，这种效果愈明显。一般将台阶留成5～6m宽，布置2～3排主爆孔。
深基坑巷道多，故常出现图4a所示的阳角，在四边形坑中往往又常遇到如图46所示的阴角，统称为拐角。这种拐角成型很困难，爆破后往往按图中虚线成型，出现超、欠挖，甚至使保留岩体不稳定。为防止AO面对BO面O点附近产生破坏使得BO面在D点附近无法成孔而影响预裂质量，在施工AO面时，必须在BO面上少量钻几个孔与AO面同时点火，分段起爆。
图4 拐角的龟裂处理法
a-阳角； b-阴角
为使预裂爆破能沿设计的轮廓线充分成缝，利用相邻两孔越接近，应力集中越明显的空孔效应原理，在装药孔距不变的情况下，间隔5个如图4所示的比装药孔浅一半的空孔作导向，用龟裂的方法使之成型。
4.3 质量评价
尽管岩层x节理很多，预裂面被节理裂隙频繁切割，且顶部岩石松散，但保留岩体稳定性仍很好，预裂面光滑，最终预裂面与设计开挖面误差一般在15cm以内，少数在20cm左右，半孔率90％以上，得到了加拿大爆破专家和业主的高度赞扬。
5 爆破振动的预报与减振措施
秦山核电三期负挖对爆破振动提出了两个要求：即距负挖区800m处正在运行发电的一期核岛的允许振动加速度峰值不大于0.03g；现场交叉作业的现浇混凝土不产生振动破坏，其指标为，混凝土浇筑4h以内和7d以后，振动粒速n≤5cm／s，4h至7d以内n≤1.0cm／s。
5.1 爆破振动预报
对于远场的爆破振动(如对正在运行发电的一期核岛的振动)，我们采用神经网络模拟方法进行预报；对于近场的爆破振动(如现场交叉作业的现浇混凝土的振动)，采用数字模拟的方法预报。
具体方法是：在进行爆破之前，根据周围的爆破振动监测数据或进行较小规模的试验炮得到一定数量的数据建立模型，进而把将要进行的炮次输入模型进行预报。根据峰值判断下一炮次是否落在振动的阈值范围内，然后调整各个参数，如段药量、总药量、延期时间等参数。再输入模型进行判断，反复多次，直至达到目的为止。
在大型基坑爆破工地的交叉施工中，在处于养护期的混凝土结构物附近进行诸如沟槽的开挖爆破时，往往担心距离太近会振坏结构物而放弃并行作业的机会，从而导致工期的紧张或延期。根据水孔法的实验结果，近场爆破振动问题可归结为单孔爆破问题。
预报主要采取以下方法：
(1)首先进行单孔爆破试验，在保护目标物处进行振动监测；
(2)分析单孔爆破的波形持续时间，决定延期雷管的段别；
(3)根据延期雷管的段别，用ANSYS／LS—DYNA3D软件对爆破地震波在岩体中传播过程进行数值模拟，判断在保护目标可能出现的最大振动幅值；
(4)根据被保护目标的振动阈值调整药量与时间，确保爆破振动峰值在阈值范围内。效果很好。
5.2 爆破振动测试
测试目的：一是取得爆破振动预报的资料；二是对施工中爆破振动的监测。
远场爆破振动测试选用了DASP大容量数据采集分析系统(国产)作为一期核岛的加速度测量仪，传感器均采用891-Ⅱ型。
近场爆破振动速度测试采用从美国进口的Mini-seis小型数字便携式地震仪。
5.3 减振措施
在正常情况下，将拟爆破的各参数输人神经网络系统或数值模拟中去，确保预报值在振动阈值内方可实现爆破。
亦即控制爆破规模。此外，要合理地安排爆破时间，在近距离的情况下，尽可能避开
混凝土4小时以后至7天以内的养护期，因为此期的阈值太小，n≤1．0cm／s 。
为了既不减小爆破规模，又不超过爆破振动阈值，采用分散装药的方法，即分若干个小片装药一次点火起爆的方法，加快了施工进度。
爆破中，尽可能采用铵油炸药，既降低成本，也减少振动。
施工中应尽可能将抛掷方向调整到正向被保护目标，避免背向。
当爆破点的标高低于测点时，更要精心做好防振减振工作，利用一切可利用的条件进行减振，确保被保护物的安全。
5.4 效果
利用人工神经网络对远场的爆破振动和数值模拟作为基础对近场的爆破振动的预报，通过精心的方案设计(即减振措施)，加之爆破监测的监督、验证，工程圆满地达到了业主和加拿大方的要求。整个负挖爆破340余次，无一次超过规定的振动阈值，同时，很好地解决了防振减振与工期之间的矛盾。
6 成果推广应用
该课题已于