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核电站基岩爆破开挖中的岩石损伤控制
关键词：
爆破开挖
峰值质点速度
岩石损伤
安全阈值
摘要
钻爆法是核电站工程基岩开挖的主要方法。爆破开挖时，爆破振动在岩体中传播，对围岩产生损伤。研究波的传播特性和爆炸对岩体的损伤特性是限制损伤扩展的关键。本文以临澳核电站基岩爆破开挖为背景，通过现场地震勘探和声波测试，研究了岩体的波传播特性和爆破损伤。利用商用软件对爆炸载荷、岩石损伤特性和峰值颗粒速度衰减规律进行了数值模拟研究。数值模拟结果与现场监测结果吻合较好。在现场监测和数值模拟的基础上，建立了距装药孔30m处PPV与岩体损伤深度的关系。提出了一种基于岩体振动速度安全阈值的控制爆破开挖岩体损伤深度的简便方法。根据损伤控制方法和提出的岩体振动速度安全阈值，可以简单有效地保护爆破开挖过程中残留的基岩。
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1.简介
钻爆法是核电站工程中广泛采用的基岩开挖技术。爆破开挖过程中，诱发振动在岩体中传播，对围岩造成破坏。研究岩体中的波传播特性和爆破损伤特性，对于限制爆破开挖对岩体的损伤程度具有重要意义。
在这种情况下，在过去的三十年里，许多研究人员已经进行了大量相关的研究工作，涉及爆炸载荷、波传播和爆炸引起的图像的特征。例如，基于弹性动力学的最新研究，Henrych[1]提出了一个简单的计算峰值的方法，提出了用三维模型研究炸药短柱和长柱在爆炸荷载作用下的应力和应力瞬变及超位置的计算公式。切内塔。[4]，LiandSwoboda[5]、SwobodaandZenz[6]和Wangetal。[7]使用数值模拟方法研究了爆炸荷载的特性。KorichiandBachir[8]在含水砂岩井中进行了一系列的爆破试验，指出峰值压力与总荷重的比例会发生变化，电荷耦合将显著降低冲击波的峰值，类似的研究工作也有雅可比金属的夹带。[9]，即注意到爆炸引起的脉冲会增加电荷的直径和高度，从而减小电荷直径的高度。
通过现场监测和数值模拟，研究了爆炸波在岩体中的传播规律。例如，Kahriman[10]和Chen、Huang[11]在现场爆破振动监测的基础上，建立了不同方向的振动加速度、速度、位移随装药距离和重量的变化规律。通过数值模拟，吴等。[12] ，Ma等人。[13] 以及Chen等人。[4] 结果表明，电荷附近的粒子峰值速度（PPV）下降很快，而远离电荷区的粒子峰值速度下降很慢。Haoetal[14]和Ma等人[13]也研究了岩石节理对爆破波传播的影响，他们发现，在垂直于岩石节理的方向上，波衰减更快，而在平行于岩石节理的方向上，衰减变慢。
此外，还研究了岩体欠持久的损伤特征，例如，Grady[15]、Grady和Kipp[16,17]、Kipp和Grady[18]提出了一个损伤模型来描述拉伸裂纹扩展引起的岩石刚度和强度退化。在此基础上，分析了油页岩的破碎动态过程。根据Budiansky和OConnell[19]提出的有效体积模量、泊松比和裂纹密度之间的关系，Taylor等人提出了损伤模型。[20] 并结合岩石的动态本构关系来研究岩石在动态拉伸载荷下的行为。通过进一步修改Grady[15]、Grady和Kipp[16,17]、Kipp和Grady[18]和Taylor等人提出的裂纹密度分布和损伤变量的定义。[20] ，Liu和Katsabanis[21]，Yang等人。[22]和Hao等人。[23]提出了一个岩石损伤模型来描述损伤的起始和积累，以及装药孔附近岩体的损伤特征。此外，还进行了现场监测，以研究爆破对岩体的破坏。例如，基于爆破前后岩体的声波测试，以及三峡工程爆破诱发振动的监测，蔡等。[24]和Zhang[25]提出，当PPV在13.8～16.6cm/s之间时，爆破岩体破裂带深度在0.2～0.7m之间，半径破裂带深度在1.4～2.0m之间。同样，Huang和Song[26]发现当岩石PPV小于3.5cm/s时，残留的基岩受到了轻微的破坏。
图1是对某核电站基岩爆破开挖示意图，在爆破开挖的基础上，爆炸诱导波传播，从岩体中产生岩体，并对周围的岩石和径向方向产生破坏。对地基基础层应予以严格的保护。在这种情况下，诱发的损伤破坏应集中在有限的范围内。在工程实践中，不能保证基岩基础层的完整性，保护层的厚度为1.5-2.0m深，我一直在进行基岩开挖。根据这一变化，岩块保护层是由液压锤开挖的。另外，通过对基岩基础层的损伤层和结果的传播层和爆破波的传播，提出了一种有效控制爆炸诱发破坏的方法。
本文通过现场调查和数值模拟，研究了河里核电站工程（LNPP）的爆破开挖、波传播特性和爆破诱发图像。在距离装料孔30m处和由此确定的破坏深度之间的关系；相应地，作为一种简单的方法，提出了一种基于该方法的岩体下部开挖的森林破坏深度，如图1所示，因此，当在距装药孔30m远的地方，当充放电油不足以承受爆炸引起的损伤时，应严格按照要求的值进行。在此方法的基础上，我们可以随时提出基于爆破诱导波传播规律的爆破设计，并从装药机处记录30毫米炮检距，以确保爆破对岩体的破坏。
图1.限制爆破开挖条件下岩体损伤深度的方法示意图
本文首次提出了岩体的场地地震调查和声波测试，研究了岩体的地震波传播和最后诱发的地震波特征，建立了相应的数值模拟，并以现场监测和数值模拟为基础，提出了控制方法和爆破条件下爆破块体的极限破坏概率。
2.现场描述和现场试验
力瑙核电站项目（LNPP）位于中国深圳，其容量为2000兆瓦，该工程的基岩为风化花岗岩，塔岩爆破开挖量为，如图2所示，总的基岩爆破开挖体积约为。根据设计，基坑深度约为，并分三层开挖，如图3所示。第二爆破开挖层均为4 m深度。为了保护地基平面下的剩余岩体，计划使用液压锤开挖深度为2 m的第三层，也称为保护层。从图3可以看出，在第一爆破开挖层中，装药孔的底部与基础平面之间的距离约为6m。由于在第一爆破开挖层中，爆破引起的岩体损伤深度通常不能达到6m的深度，因此无需控制爆破开挖。对于第二爆破开挖层，由于装药孔的底部距离地基平面2m，并且爆破引起的破坏深度有可能达到该值，因此应严格控制爆破开挖，以确保爆破开挖的完整性。基础平面下方的剩余岩体。
2.1.地震勘测
地震勘测在现场进行，研究地震衰减规律。采用数字催化和分析系统记录地震历史。该系统由速度传感器，信号电缆，信号放大器，信号调节器和激光打印机组成。对于PPV，该系统具有从的平坦频率响应，并且能够打印地面运动历史和频率图。在调查中，在距装料孔不同距离处安装了几台速度传感器，
其灵敏度约为，可测范围约为，以记录PPV的历史记录。获得的速度历史和PPV衰减规律可以在下面的数值模拟部分看到。
图2. LNPP项目中基础开挖的示意图
图3.核岛基坑开挖层
2.2.声波测试
对爆破开挖过程中的岩石损伤进行了声波测试。在测试过程中，选择了炸药装药区的4～5个装药孔作为声波测试孔，比常规装药孔透支约3m。为了研究爆破开挖前超采区岩体的声波速度，首次进行了单孔声波测试。爆破后，清除声波测试孔过冲段堵塞的岩屑，恢复声波测试，获得爆破开挖后过冲段岩体的声波速度。
通过对爆破前后岩体声波速度的比较，确定了爆破前后岩体声波速度的变化率为
（1）
其中和c分别为爆破前后岩体的声波速度，单位为m/s。
根据我国《水电站工程岩石地基开挖技术规范》，当声波速度变化大于10%时，认为岩石破坏严重，岩体完整性受到严重破坏。在这种情况下，通过对声波速度变化率的分析，可以得到爆破开挖下岩体的损伤状态。图4列出了四组不同装药重量的声波测试结果，如表2所示。图中横坐标表示声速的变化率，与炮孔底部的深度（也称为过冲段深度）相对应。岩体的损伤深度如表2所示，从图4中直线的交点纵坐标获得。例如，对于第4组声波测试，爆破岩体的损伤深度约为2.3m。
图4.声波速度变化率随深度的变化
3.数值模拟
根据项目监测的研究结果，采用对称的数值模拟方法，对车辆的防护和损伤进行研究。在数值模拟中，使用LS-DYNA软件对爆炸载荷进行研究，利用软件DYNA获得的靶孔冲裁区边界处的压力，对岩石的波传播和损伤进行了研究。
3.1.爆破荷载分析
采用LS-DYNA软件模拟基岩爆破开挖中的爆炸荷载。在模拟中，炸药的JWL状态方程定义为[27]
（2）
式中，为捐赠产生的压力（Pa），为初始体积内能（Pa），V为相对体积（），为用户定义的与炸药装填相关的输入参数。参考了Lu等人的作品。[28]，Yu等人。[29]和Chen等人。[30]，模拟中用户定义的输入参数由给出。
炸药引爆后，装药孔附近的岩石瞬间进入高压大应变状态。考虑了岩石的塑性硬化和应变速率效应。在这种情况下，可描述岩石应变率效应和塑性硬化的Cowper和Symonds模型被用于分析[27]：
（3）
（4）
其中P和C是用户定义的输入常数，值分别为4.0和；为应变率；和分别为当前和初始屈服强度。在这种情况下，花岗岩的静态屈服强度为75MPa。参数的范围从0到1，分别表示运动硬化和各向同性硬化。参数，表示塑性硬化模量、杨氏模量和切向模量。本文中，E和分别为68.69和40gpa。是有效塑性应变，由
（5）
式中t为塑性应变开始后的累积时间，为塑性偏应变率。
由于装药孔附近岩石材料的应变率可能在到之间，应考虑岩石抗压和抗拉强度的应变率依赖性。基于[31]，应变率范围内的动态抗压和抗拉强度可以通过
（6）
其中，表示岩石的动态抗压和抗拉强度（Pa），表示岩石的静态抗压和抗拉强度，分别为150和10.2MPa。据此，在花岗岩静载试验的基础上，得到不同应变速率下岩石的动强度，并应用von Mises破坏准则模拟装药孔爆破近区岩石的破坏。
在力瑙核电站项目（LNPP）场地，基岩爆破开挖采用垂直圆筒形不耦合装药。装药孔半径为89m m，装药长度为0.5～4.0m，为减少爆破震动和岩石损伤，采用微差爆破，一个爆破段只起爆一个装药孔。在这种情况下，忽略了其它装药孔爆破的叠加作用，建立了简化的1/4柱面岩石爆破模型。1/4圆柱体的半径和高度均为9m。在垂直和左侧设置了正常约束边界条件。外圆表面被视为一个安静的边界，以减少应力波的反射效应[32]。
图5.通过数值模拟获得的破碎区边界处的压力历史
图5显示了通过数值模拟获得的装料重量为29.7kg时破碎区边界处的压力历史。可见，这次爆炸的峰值压力约为450兆帕。Henrych[1]，Wang[33]和Dai[34]提出了一个简单的分析公式来估计爆炸破碎带的边界为
（7）
（8）
式中，为破碎带（Pa）边界处的最大压力，为装药孔（Pa）内边界处的压力，为炸药和岩石的密度，分别为1310和。D为炸药爆速，取4000m/s；为岩体纵波速度，取3600 m/s；为膨胀绝热指数，通常取3。d为破碎区半径与装药孔半径之比（mm）。数值模拟结果表明，破碎区半径约为111mm，参数d为2.5。相应地，通过公式（6） 和（7）可以得到破碎区边界处的压力为435MPa。在这种情况下，可以说破碎带边界处的模拟压力与分析研究结果吻合得很好。然后，将获得的不同装药量的爆炸荷载作为输入荷载，模拟基岩爆破开挖下的岩石损伤和爆破振动，如下两节所述。
3.2.岩石损伤特征
根据文献[21,22]，采用连续均匀损伤模型模拟了爆破开挖过程中的岩石损伤。公式（9）给出的损伤变量定义为裂纹密度下的断裂概率：
（9）
式中，是裂纹密度，并且可通过
（10）
此处为材料常数，采用试错法[21,22]估为和2，为主应变，为等效拉伸应变在均匀条件下，由
式中，是方向上的主应变，表示只有当括号中的变量大于0以及满足时，它才有效。是相应的临界拉伸应变，可以通过
（12）
式中，n和E分别是岩石的泊松比和杨氏模量，为岩石材料的静态抗拉强度。
通过式（10），如果对应于断裂应力的拉伸应变和裂纹密度分别表示为，则得到
（13）
式中，t是岩体达到断裂应力的总时间，由计算，是拉伸应变达到临界值的持续时间，由
（14）
式中是单轴拉伸状态下的应变率。
因此，式（13）还可以写成
（15）
岩体断裂临界损伤之间的时间间隔由
（16）
断裂应力与应变的关系
（17）
其中是断裂状态下的损伤变量。
提交方程式。由（12）和（17）到式（13），得到
（18）
岩体的应变率相关本构关系（17）可以改写为
（19）
损伤分析中使用的其他参数如下：粘聚力C=27.7MPa、摩擦角和膨胀角。基本上，损伤模型是通过一个用户自定义的子程序插入来模拟爆破作用下岩体的动态特性。此外，数值模拟中还采用了莫尔-库仑岩石塑性流动
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