本发明涉及一种核电工程基础爆破开挖分层控制方法。
背景技术：
为满足核电站主体建筑物(包括核岛、常规岛等)在自重和地震荷载作用下变形要求，我国核电站绝大部分选择相对完整岩体作为核岛等主体建筑物基础，基础开挖一般均采用爆破方式进行。在基础爆破开挖过程中，伴随岩石爆破破碎过程，爆炸冲击波在岩体介质中传播，不可避免地对下卧岩体造成不同程度的损伤。由于核电工程对建基面完整性要求很高，必须严格控制爆破施工，确保爆破荷载作用下下卧岩体损伤深度在允许范围内。
目前，核电站核岛等基础爆破开挖一般分三层进行，各层控制标准主要根据由现场爆破振动试验、声波测试和数值模拟建立的距爆源30m处质点峰值振动速度和岩体损伤深度的关系确定。2011年日本福岛核泄漏事故后，国内新建核电反应堆型大都采用三代堆型，基础开挖深度较二代堆型加深，分三层开挖难以有效控制损伤深度。此外，现有方法基于现场爆破振动试验和声波测试建立距爆源一定距离(如30m)处质点峰值振动速度和岩体损伤深度的关系来实现对爆破损伤深度的控制。但由于声波试验测试周期较长，工作量大，且与现场正常爆破施工交叉进行，而现场施工工期较紧，使得声波试验数据往往非常有限。由于数值模拟可以方便、经济、快速地模拟不同爆破规模、最大段装药量、开挖深度工况下的场地衰减规律与损伤特征，可以弥补现场声波试验数据不足的缺陷，但现有方法在确定模型爆炸输入荷载时均做单孔单段简化处理，即假设现场爆破所有爆孔装药量集中在一个爆孔内一次起爆，无法考虑群孔效应，与现场多排多孔分段延时、一次起爆的实际情况出入较大。
此外，现有的控制标准严格以距爆源30m处质点峰值振动速度来界定，现场地质条件复杂时往往不容易布设监测点，使用不便；与此同时，现有的控制标准与方法均针对台阶爆破方式提出，而现场预裂爆破为取得较好预裂效果需要多孔同时起爆，产生的振动较大，往往超过该控制标准，但对下卧基岩的实际损伤不大(即“伪超标”)；若严格以该标准来控制预裂爆破则必导致预裂效果不理想，因此，采用台阶爆破控制标准来控制预裂爆破使得“伪超标”与良好的预裂效果之间的矛盾难以协调，很大程度上不适合预裂爆破。而根据《核电中长期发展规划(2011-2020年)》，到2020年我国的核电装机规划将达到8600万千瓦(占总电力装机的5％)，在建规模约4000万千瓦。可以预见，未来5-10年，我国核电工程将迎来建设高峰期。因此，这些问题亟待解决。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种能综合考虑群孔效应、同时适用于台阶爆破与预裂爆破的核电工程基础爆破开挖分层控制方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种核电工程基础爆破开挖分层控制方法，其特征在于，分别针对台阶爆破和预裂爆破进行以下步骤：
步骤一、根据基础负挖深度H确定开挖层数及开挖深度；
步骤二、针对不同最大段装药量Qx、Qx+1···Qy的爆破炮次，在场地开展爆破振动测试，针对每个炮次获取距爆源R1、R2...Rn米处质点峰值振动速度的实测值V测，然后采用萨道夫斯基公式进行回归分析，得到场地三向爆破振动衰减规律；
步骤三、针对不同最大段装药量Qx、Qx+1···Qy的爆破炮次分别开展爆前、爆后的声波测试，所述声波测试包括单孔和跨孔超声波测试，绘制爆前爆后声波波速变化率k随钻孔深度H的变化关系曲线，选定声波波速变化率k为10％时对应的深度为损伤深度hD，由所述关系曲线确定损伤深度hD；
步骤四、采用显式动力有限元程序软件AUTODYN建立分析模型，计算最大段装药量为Qx时，距爆源R1米处质点峰值振动速度V的模拟值；
步骤五、将最大段装药量为Qx时对应的质点峰值振动速度实测值V测和模拟值V模进行比较，当V测和V模的差值小于阈值时执行步骤六，否则重新执行步骤四；
步骤六、通过数值模拟，计算不同最大段装药量工况下岩体的损伤特征并绘制损伤云图，根据损伤云图确定损伤深度，并分别计算出距爆源30、40和50米处质点峰值振动速度，综合声波测试结果和爆破振动监测结果，分别建立距爆源30、40和50米处质点峰值振动速度随爆破损伤深度的变化规律；
步骤七、根据建立的台阶爆破和预裂爆破两种方式下距爆源30、40和50米处质点峰值振动速度随爆破损伤深度的变化规律，由各层爆破开挖允许损伤深度确定不同爆破方式下三种距离处的分层爆破开挖控制标准，并结合场地垂直向、水平径向和水平切向振动速度衰减规律分别反演最大段药量，取三者最小值作为各层爆破开挖设计允许最大段药量，根据所述允许最大段药量指导爆破设计与施工指导爆破设计与施工。
本发明的有益效果是：现有技术开展声波试验测试周期较长，工作量大，且与现场正常爆破施工交叉进行，而现场施工工期较紧，使得声波试验数据往往非常有限，采用本发明提出的数值模拟技术可以部分替代现场声波试验，减少现场试验次数从而降低外业工作量，提高施工效率。
现有技术在确定模型爆炸输入荷载时均做单孔单段简化处理，即假设现场爆破所有爆孔装药量集中在一个爆孔内一次起爆，无法考虑群孔效应，与现场多排多孔分段延时、一次起爆的实际情况出入较大，本发明采用有限元程序AUTODYN精确模拟了现场爆破实际采用的多排多孔毫秒延期的爆破过程，可有效考虑群孔效应，获得了更符合现场实际的爆炸输入荷载。
提出了距爆源不同距离处核电基础分层控制标准，解决了现有的控制标准严格以距爆源30米处质点峰值振动速度来界定导致的标准单一、使用不便的缺陷；
分别提出了台阶爆破和预裂爆破分层开挖控制标准与方法，从根本上解决了以往采用基于台阶爆破方式确定的控制标准来控制预裂爆破而引起的“伪超标”与良好的预裂效果之间的矛盾，显著加快了施工进度，并产生了较好的经济效益和社会效益。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述确定开挖层数及开挖深度的具体操作包括：当H≤10米时，分三层开挖，各层开挖深度从上至下依次为0.5H，0.35H和0.15H；当10米＜H≤15米时，分四层开挖，各层开挖深度从上至下依次为0.35H，0.35H，0.2H和0.1H；当H＞15米时，分五层开挖，各层开挖深度从上至下依次为0.3H，0.3H，0.2H，0.12H和0.08H。
采用上述进一步方案的有益效果是，针对当前普遍采用的开挖深度较深的三代核电机组堆型提出，可以有效控制损伤深度。
进一步，所述步骤二中，获取距爆源R1、R2···Rn米处质点峰值振动速度的实测值的具体步骤为：
在距爆源R1、R2···Rn米处各布置一台三向速度传感器，所述三向包括垂直方向、水平径向和水平切向，每台三向速度传感器与振动信号记录仪相连，爆后将所述信号记录仪与计算机相连，通过计算机读取并分析记录仪拾取的振动信号。
采用上述进一步的有益效果是，可以同时获取场地三向峰值振动速度。
进一步，所述步骤三中跨孔声波试验，具体是通过以下方式进行：
在爆区中心区域选择5个爆孔兼做声波孔，声波孔深度比爆孔设计深度超深2-3米，选择中心爆孔作为发射孔，选择所述发射孔周边4个爆孔作为接收孔，4个所述接收孔到发射孔的距离相等，4个孔同时接收信号，同步工作。
采用上述进一步方案的有益效果是，现场的孔超声波试验中，由于孔数繁多，如果一个孔发射信号，一个孔采集信号，必然导致跨孔试验程序繁杂，且容易出错。采用上述一孔发射信号，4孔同步接收信号的试验方法，可以大大提高跨孔测试的效率，且能保证试验数据的准确性。
进一步，所述步骤三中，通过单孔和跨孔声波测试得到基岩爆前声波波速值，然后将声波孔孔底超深部分填塞细沙至装药设计标高，装填炸药实施爆破，在爆后清渣完毕并清除声波孔孔底填塞物后，进行爆后声波实验，得到相应爆前各测点基岩声波波速值，并由此绘制爆前爆后声波波速变化率随深度的变化关系曲线。
进一步，所述步骤四中采用显式动力有限元程序软件AUTODYN建立分析模型的具体步骤包括，分别建立炸药和岩石单元，岩石材料本构模型选用RHT材料模型，该模型选用的材料参数包括：密度、剪切模量、体积模量、压缩强度和压缩应变率指数，其值由现场和室内试验确定；乳化炸药和空气材料状态方程分别采用标准JWL状态方程和线性多项式状态方程；模型边界条件采用Flow_out无反射边界。
采用上述进一步方案的有益效果是可以合理考虑群孔效应并准确计算质点振动速度。
进一步，所述步骤六中通过数值模拟计算不同最大段装药量工况下岩体损伤特征的具体步骤包括，计算爆炸荷载作用下岩石累计塑性应变∑ΔεP，以及岩石材料破坏时的塑性应变εp，failure，在此基础上定义损伤量D，并绘制损伤云图，其中εp，failure≥εf，min，εf，min为材料破坏时的最小塑性应变。
采用上述进一步方案的有益效果是可以合理考虑群孔效应、准确模拟岩体爆破损伤特征并绘制损伤云图，从而准确确定爆破损伤深度。
进一步，步骤七中所述确定分层爆破开挖控制标准方法为：将各层爆破开挖允许损伤深度，分别带入到建立的台阶爆破和预裂爆破两种方式下距爆源30米、40米和50米处质点峰值振动速度随爆破损伤深度的变化关系式中，获得不同爆破方式下三种距离处的分层爆破开挖控制标准。
采用上述进一步方案的有益效果是获得了多个控制标准，使用方便。
进一步，步骤七中所述确定各层爆破开挖设计允许最大段药量方法为：将不同爆破方式下各层分层爆破开挖允许质点峰值振动速度分别代入步骤二中所述场地垂直向、水平径向和水平切向振动速度衰减公式，分别计算最大段药量，取三者最小值作为各层爆破开挖设计允许最大段药量。
采用上述进一步方案的有益效果是可以快捷、准确指导爆破设计与施工。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为现场测得的台阶爆破垂直向峰值振动速度衰减规律图；
图3为现场测得的台阶爆破水平径向峰值振动速度衰减规律图；
图4为现场测得的台阶爆破水平切向峰值振动速度衰减规律图；
图5为现场测得的预裂爆破垂直向峰值振动速度衰减规律图；
图6为现场测得的预裂爆破水平径向峰值振动速度衰减规律图；
图7为现场测得的预裂爆破水平切向峰值振动速度衰减规律图；
图8为本发明跨孔声波试验布置俯视图；
图9为本发明跨孔声波试验布置剖视图；
图10为本发明爆前爆后声波波速变化率随深度的变化关系图；
图11为本发明台阶爆破数值分析模型图；
图12为本发明预裂爆破数值分析模型图；
图13为本发明台阶爆破损伤模拟云图；
图14为本发明预裂爆破损伤模拟云图；
图15为本发明台阶爆破方式下距爆源30米处质点峰值振动速度随爆破损伤深度的变化关系图；
图16为本发明台阶爆破方式下距爆源40米处质点峰值振动速度随爆破损伤深度的变化关系图；
图17为本发明台阶爆破方式下距爆源50米处质点峰值振动速度随爆破损伤深度的变化关系图；
图18为本发明预裂爆破方式下距爆源30米处质点峰值振动速度随爆破损伤深度的变化关系图。
图19为本发明预裂爆破方式下距爆源40米处质点峰值振动速度随爆破损伤深度的变化关系图。
图20为本发明预裂爆破方式下距爆源50米处质点峰值振动速度随爆破损伤深度的变化关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1，如图1所示，一种核电工程基础爆破开挖分层控制方法，分别针对台阶爆破和预裂爆破进行以下步骤：
步骤一、根据基础负挖深度H，确定开挖层数及开挖深度。取H为16.12米，则分五层开挖，计算出第一层至第五层(由上至下)的允许开挖深度分别为：4.8米，4.8米，3.2米，2.0米和1.32米。
最后一层(即保护层)开挖深度不宜超过1.50m。
但最后一层爆破开挖时，在炮孔底部预留0.25m的空气柱或锯末等柔性垫层，不装药，因此容许爆破损伤影响深度为0.25米。
步骤二、针对最大段装药量范围为8-40kg的爆破炮次，在场地开展爆破振动测试，其中爆破炮次为34次；针对每个炮次获取距爆源不同距离处质点峰值振动速度的实测值，然后采用萨道夫斯基公式进行回归分析，得到场地爆破振动衰减规律。
每次爆破时，在爆破抛掷方向后方区域内距爆源30、40和50米处布设3个测点，每个测点布置一台三向(垂直向、水平径向和水平切向)速度传感器，每台速度传感器分别与振动信号记录仪相连，所述振动信号记录仪记录爆破引起质点的振动情况，爆后将信号记录仪与计算机相连，读取并分析记录仪拾取的振动信号，并采用萨道夫斯基公式，针对台阶爆破和预裂爆破两种方式，分别对现场实测垂直向、水平径向和水平切向峰值振动速度进行回归分析，得到场地三向振动速度衰减规律，该规律如下式及图2-7所示：
台阶爆破：
垂直向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.821；
水平径向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.876；
水平切向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.852。
预裂爆破：
垂直向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.877；
水平径向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.883；
水平切向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.895。
式中：V为峰值振动速度，cm/s；Q为最大段药量，kg；R为爆源距，m。
步骤三、针对最大段装药量为8、14、15、18、22和24kg的爆破炮次分别开展爆前、爆后的超声波测试，所述超声波测试包括单孔和跨孔超声波测试。绘制爆前爆后声波波速变化率k随钻孔深度H的变化关系曲线，选定声波波速变化率k为10％对应的深度为损伤深度hD，由所述关系曲线确定损伤深度hD。
如图8所示，在爆区中部区域选择5个爆孔兼做声波孔(声波孔深度比爆孔设计深度超深2-3米)。选择中心爆孔作为发射孔，选择所述发射孔周边4个爆孔作为接收孔，4个所述接收孔到发射孔的距离相等。爆破前进行单孔和跨孔声波测试，沿爆孔每间隔20cm进行声波测试得到基岩爆前声波波速值。然后将声波孔孔底超深部分填塞细沙至装药设计标高，装填炸药实施爆破。如图9所示，在爆后清渣完毕并清除声波孔孔底填塞物后，进行爆后声波实验，得到相应爆前各测点基岩声波波速值，并绘制爆前爆后声波波速变化率随深度的变化关系曲线。根据《水工建筑物岩石基础开挖工程技术规范》(SL47-94)，当爆破前后波速变化率大于10％即认为岩体产生损伤，由此初步确定爆破开挖时岩体损伤深度，如图10所示。
步骤四、采用显式动力有限元程序软件AUTODYN建立分析模型，计算最大段装药量为15Kg时，距爆源40米处质点峰值振动速度V的模拟值；
步骤五、将最大段装药量为15Kg时对应的质点峰值振动速度实测值V测和模拟值V模进行比较，当V测和V模的差值与V测的比值小于10％时执行步骤六，否则重新执行步骤四。
采用AUTODYN软件分别建立台阶爆破和预裂爆破两种方式数值分析模型，如图11，12所示。建模时分别建立炸药和岩石单元，岩石材料本构模型选用RHT材料模型，该模型选用的材料参数包括：密度、剪切模量、体积模量、压缩强度和压缩应变率指数，其值由现场和室内试验确定；乳化炸药和空气材料状态方程分别采用标准JWL状态方程和线性多项式状态方程。模型边界条件采用Flow_out无反射边界。模拟不同爆破方式(台阶爆破和预裂爆破)下现场实际爆破时爆破过程，计算场地质点振动速度，并与现场振动监测结果进行对比，当V测和V模的差值小于阈值时执行步骤六，否则对所述数值分析模型参数进行调整，重新执行步骤四。
步骤六、通过数值模拟，计算不同最大段装药量工况下岩体的损伤特征并绘制损伤云图，如图13，14所示，根据损伤云图确定损伤深度。同时计算出距爆源40m处质点峰值振动速度，综合声波测试结果和爆破振动监测结果，分别建立台阶爆破和预裂爆破两种方式下距爆源30、40和50米处质点峰值振动速度随爆破损伤深度的变化规律，如下式及图15-20所示。
台阶爆破：
预裂爆破：
式中，V30m、V40m、V50m分别为距爆源30m、40m、50m处的允许质点峰值振动速度，cm/s；hD为影响深度，m。
步骤七、根据建立的台阶爆破和预裂爆破两种方式下距爆源30、40和50米处质点峰值振动速度随爆破损伤深度的变化规律，由各层爆破开挖允许损伤深度确定不同爆破方式下三种距离处的分层爆破开挖控制标准，并结合场地垂直向、水平径向和水平切向振动速度衰减规律分别反演最大段药量，取三者最小值作为各层爆破开挖设计允许最大段药量，根据所述允许最大段药量指导爆破设计与施工。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。