翟利軍，吉曉紅

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 鄭州450003）

1 概述

大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)站土建配套工程位于深圳大鵬半島南側(cè)、大亞灣核電站以及嶺澳核電站的北部中低山-丘陵區(qū)，地面高程一般為60～450 m，實(shí)驗(yàn)站由5個(gè)地下實(shí)驗(yàn)大廳和連接這些廳室的隧道組成。

圖1 中標(biāo)出了核電站位置，1#和2#實(shí)驗(yàn)廳分別離大亞灣核電站和嶺澳核電站最近，稱作近點(diǎn)；3號(hào)實(shí)驗(yàn)廳距2 個(gè)核電站最遠(yuǎn)，又稱遠(yuǎn)點(diǎn)。連接隧道按功能分為進(jìn)入隧道、施工隧道和主隧道，總長(zhǎng)度約3 152 m。4#廳（水凈化廳）設(shè)在主隧道交會(huì)處。在1#、2#實(shí)驗(yàn)廳各放置2個(gè)中微子探測(cè)器，3號(hào)實(shí)驗(yàn)廳放置4個(gè)中微子探測(cè)器。5 號(hào)實(shí)驗(yàn)廳用于實(shí)驗(yàn)用的液體閃爍體混制、灌裝，以及其它潔凈處理［1］。

本工程不同于一般的地下工程，它是作為測(cè)量世界上最小粒子中微子的振蕩參數(shù)θ13的實(shí)驗(yàn)室［2］，對(duì)安全、環(huán)境等要求很高，并且中微子實(shí)驗(yàn)站工程距離大亞灣核電站及嶺澳一期、二期核電站核島最近僅幾百米，因此研究如何在施工中保證核電站的安全運(yùn)行［3］，保證實(shí)驗(yàn)站工程順利進(jìn)行，使中微子實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙M早、順利地進(jìn)行具有十分重要的意義。

圖1 大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)站布局示意圖Fig.1 Layout of Daya Bay Reactor Neutrino Experimental Station

本文對(duì)核島等建筑物的爆破振動(dòng)控制和輸水管線的安全防護(hù)措施2個(gè)主要問題進(jìn)行研究。

2 核電站振動(dòng)安全要求

核電站核島以質(zhì)點(diǎn)峰值加速度為控制標(biāo)準(zhǔn)，核電站其它地面建筑物以質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度為控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)大亞灣核電站相關(guān)資料，核電站核島允許質(zhì)點(diǎn)峰值加速度0.01g；根據(jù)該工程附近地面建筑物結(jié)構(gòu)情況，依據(jù)《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，結(jié)合已建水電站地下廠房、核電站、地鐵等工程爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果［4-7］，按照核電運(yùn)營(yíng)單位提供的資料，極易遭受爆破振動(dòng)影響的核電設(shè)施為：核島、TB廠房、SEP水箱、觀景平臺(tái)、洞頂水管以及高壓輸電線塔等。根據(jù)嶺澳核電站一期、二期工程爆破施工振動(dòng)控制要求以及爆破試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合核電運(yùn)營(yíng)單位提出的安全指標(biāo)，爆破監(jiān)測(cè)的控制標(biāo)準(zhǔn)［2］為：

⑴核島：振動(dòng)加速度不超過(guò)0.01g；

⑵TB廠房：振動(dòng)速度不超過(guò)0.2 cm/s；

⑶通訊發(fā)射站：振動(dòng)速度不超過(guò)1.5 cm/s；

⑷觀景平臺(tái)：振動(dòng)速度不超過(guò)2.5 cm/s；

⑸醫(yī)療中心和行政中心辦公樓：振動(dòng)速度不超過(guò)2.5 cm/s；

⑹北區(qū)變電站：振動(dòng)速度不超過(guò)0.5 cm/s；

⑺SEP水箱：振動(dòng)速度不超過(guò)1.5 cm/s；

⑻微波站：振動(dòng)速度不超過(guò)1.5 cm/s；

⑼水管支墩：振動(dòng)速度不超過(guò)12 cm/s。

3 開挖爆破控制措施研究

在核電站這個(gè)特殊地理環(huán)境中進(jìn)行地下工程爆破，核島對(duì)爆破振動(dòng)有更高和更特殊的要求。為絕對(duì)保證爆破振動(dòng)不引起核島的停堆事故和對(duì)其他核電建筑物的損害，對(duì)施工爆破控制措施進(jìn)行了研究，通過(guò)爆破試驗(yàn)得到適合該工程條件的地震波最大峰值加速度、速度轉(zhuǎn)播衰減規(guī)律和合理的起爆段間時(shí)差，據(jù)此確定本工程的施工爆破實(shí)施方案，按照核電的要求，嚴(yán)格控制振動(dòng)影響在安全閾值的70%以下［8］。

3.1 爆破安全試驗(yàn)

爆破安全試驗(yàn)的主要目的為通過(guò)對(duì)本次爆破試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到適合該工程條件的3條測(cè)試方向地震波最大峰值加速度和速度轉(zhuǎn)播衰減規(guī)律和合理的起爆段間時(shí)差，為爆破方案的制定提供初步依據(jù)。爆破試驗(yàn)提供的工程區(qū)衰減規(guī)律如下：

加速度衰減規(guī)律：

α水平=20.26（Q3/R）1.75，r2=0.95

α垂直=13.86（Q3/R）1.66，r2=0.94

速度衰減規(guī)律：

V水平=199.53（Q3/R）1.75，r2=0.93

V垂直=87.56（Q3/R）1.56，r2=0.92

式中：V為質(zhì)點(diǎn)峰值速度（cm/s）；α為質(zhì)點(diǎn)峰值加速度（g）；Q為最大段藥量（kg）；R為測(cè)點(diǎn)到藥包中心距離（m）；r為相關(guān)系數(shù)。

3.2 施工爆破振動(dòng)控制設(shè)計(jì)

為了確保核電站及其建構(gòu)筑物的絕對(duì)安全，在施工前依據(jù)試驗(yàn)提供的工程區(qū)衰減規(guī)律對(duì)爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行爆破振動(dòng)計(jì)算和校核，確定安全的單響藥量，并根據(jù)每天、每次的監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整裝藥量。

運(yùn)用衰減規(guī)律公式對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行反算，檢驗(yàn)其對(duì)核電各關(guān)鍵點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度或振動(dòng)速度，對(duì)進(jìn)入主隧道Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖全斷面爆破安全進(jìn)行了分析。根據(jù)分析結(jié)果，所有關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)加速度或速度均在安全允許范圍內(nèi)，能夠滿足核電安全要求。

4 核電站供水管線保護(hù)措施研究

在進(jìn)入隧道洞口正上方有一輸水管線橫穿隧道拱頂。水管距隧道洞口18 m，其4#水泥鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)正坐于隧道拱頂3.2 m 處。進(jìn)入隧道洞口段施工可能對(duì)輸水管道安全構(gòu)成威脅。

影響輸水管道變形的主要因素為，由于洞內(nèi)爆破振動(dòng)和水管正下方因隧道開挖形成臨空面后可能引起的地表下沉，如果振動(dòng)和下沉超過(guò)水管接頭的允許范圍，接頭處將會(huì)開裂漏水。管線破壞的可能形式主要是因變形過(guò)大造成水管開裂漏水。在方案研究中主要從爆破振動(dòng)藥量控制和防止水管下沉控制方面采取了謹(jǐn)慎的措施。

根據(jù)核電運(yùn)行提出的安全指標(biāo)，水管的振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)為振速小于12 cm/s；水管鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)的沉降標(biāo)準(zhǔn)為不超過(guò)3 mm。

4.1 施工方案及措施

遵循“預(yù)支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破、快封閉，嚴(yán)控制，勤觀測(cè)”的原則，分臺(tái)階打小導(dǎo)洞開挖進(jìn)入隧道過(guò)供水管線段［1］。

4.1.1 加強(qiáng)洞內(nèi)支護(hù)

采用復(fù)合式襯砌，爆破開挖前用直徑φ42，長(zhǎng)度3.5 m，間排距0.4 m的超前小導(dǎo)管注漿，沿開挖輪廓線以14°的外插角，向開挖面前方較差圍巖中打入小鋼管并進(jìn)行注漿，形成對(duì)前方圍巖的預(yù)錨固。在提前形成的圍巖錨固圈的保護(hù)下進(jìn)行爆破開挖，各項(xiàng)爆破參數(shù)嚴(yán)格按照制定的爆破方案進(jìn)行確定。掛鋼筋網(wǎng)并初噴混凝土，架立縱向間距0.5 m 的鋼拱架，最后在隧道開挖一定里程后進(jìn)行鋼筋混凝土襯砌施工。

4.1.2 加強(qiáng)鎮(zhèn)墩位移監(jiān)測(cè)和洞內(nèi)圍巖沉降收斂觀測(cè)

為了隨時(shí)掌握供水管線鎮(zhèn)墩沉降數(shù)據(jù)，在鎮(zhèn)墩附近布設(shè)9個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。每天對(duì)爆破前后的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)分析，為下一次的爆破開挖提供設(shè)計(jì)依據(jù)，動(dòng)態(tài)掌控鎮(zhèn)墩沉降情況。

在隧道內(nèi)開挖初支護(hù)表面每3 m斷面沿洞壁設(shè)置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)量圍巖沉降和水平收斂并及時(shí)分析，如圍巖變形速度過(guò)快，則應(yīng)及時(shí)修改支護(hù)方案。

4.1.3 供水管線鎮(zhèn)墩加固

首先在進(jìn)入隧道洞內(nèi)拱頂向上打φ45 注漿小導(dǎo)管，間排距0.8 m×0.8 m，沿洞軸方向水平傾角70°～80°。水泥漿液的水灰比取1∶2，注漿壓力控制在1 MPa，在超前小導(dǎo)管尾部焊接直徑6 mm 的鋼筋加勁，確保注漿效果。通過(guò)洞內(nèi)注漿小導(dǎo)管加固拱頂較深范圍的巖層，提高鎮(zhèn)墩底部地基的整體強(qiáng)度。

其次在洞外供水管線鎮(zhèn)墩下部坡面上打φ45 注漿小導(dǎo)管，間排距為0.8 m×0.8 m，水平傾角30°，垂直坡面，基本能夠達(dá)到阻止鎮(zhèn)墩產(chǎn)生位移的目的。

4.2 隧道圍巖穩(wěn)定計(jì)算分析

采用彈塑性有限元法對(duì)進(jìn)入隧道過(guò)供水管線段進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，同時(shí)模擬隧道開挖支護(hù)過(guò)程［9］。計(jì)算模型邊界采用5 倍的洞徑長(zhǎng)度。隧道覆蓋層厚僅為4.7 m，左右兩側(cè)巖層厚取38 m，下部巖層厚取40 m。模型考慮隧道頂部鎮(zhèn)墩及其兩側(cè)各2 個(gè)支墩，核電站供水管線的作用折算為荷載直接加在鎮(zhèn)墩及支墩上。

計(jì)算工況考慮未支護(hù)和支護(hù)后，由計(jì)算結(jié)果可知，如果開挖時(shí)不進(jìn)行支護(hù)，拱頂兩側(cè)將形成較大范圍的塑性區(qū)，并一直延伸至地面，因此拱頂可能發(fā)生坍塌危險(xiǎn)，鎮(zhèn)墩也將發(fā)生沉陷，直接影響到拱頂核電站供水管線的安全。隧道開挖過(guò)程中同時(shí)按設(shè)計(jì)進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿和支護(hù)，圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小，僅在拱腳部位出現(xiàn)較小范圍塑性區(qū)。

4.3 保護(hù)措施實(shí)施效果評(píng)價(jià)

進(jìn)入隧道施工后對(duì)鎮(zhèn)墩及洞內(nèi)圍巖的觀測(cè)分析表明大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站工程在淺埋土質(zhì)軟巖隧道穿越供水管線鎮(zhèn)墩施工中，很好地應(yīng)用了爆破振動(dòng)控制、測(cè)量監(jiān)測(cè)控制、鋼拱架支撐及噴錨支護(hù)、注漿小導(dǎo)管加固等多種控制技術(shù)措施。充分發(fā)揮并有機(jī)結(jié)合各種施工工藝的不同優(yōu)點(diǎn)，抑制供水管線鎮(zhèn)墩產(chǎn)生毫米級(jí)位移，確保核電供水管線鎮(zhèn)墩的安全，順利通過(guò)了進(jìn)入隧道供水管線段施工。

5 結(jié)論

⑴爆破試驗(yàn)監(jiān)測(cè)初步確定中微子試驗(yàn)站隧道爆破開挖振動(dòng)衰減規(guī)律，為隧道爆破設(shè)計(jì)提供了初步依據(jù)。根據(jù)嶺澳核電站一期、二期工程經(jīng)驗(yàn)，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站隧道爆破開挖時(shí)，核島主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)定為0.01g，TB 廠房的振動(dòng)速度不超過(guò)0.2 cm/s，同時(shí)提出了其他部位適合本工程的開挖爆破監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足核設(shè)施的安全要求，并獲得了國(guó)家核安全局的批準(zhǔn)。

⑵通過(guò)對(duì)大亞灣核電站、嶺澳一期、二期核電站核島附近的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站工程地下隧道及實(shí)驗(yàn)廳施工爆破中對(duì)核電站安全運(yùn)行的影響進(jìn)行研究，確定了合適的爆破參數(shù)和技術(shù)措施，運(yùn)用衰減規(guī)律公式對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行反算，檢驗(yàn)其對(duì)核電各關(guān)鍵點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度或振動(dòng)速度，根據(jù)分析結(jié)果，所有關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)加速度或速度均在安全允許范圍內(nèi)，能夠滿足核電安全要求。

⑶對(duì)淺埋土質(zhì)進(jìn)入隧道穿越核電站技術(shù)供水管線鎮(zhèn)墩技術(shù)措施進(jìn)行了研究，提出了爆破振動(dòng)控制、測(cè)量監(jiān)測(cè)控制、鋼拱架支撐及噴錨支護(hù)、注漿小導(dǎo)管加固等多種控制技術(shù)措施，實(shí)際施工中根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，鎮(zhèn)墩最大累計(jì)下沉量3 mm，隧洞內(nèi)拱頂下沉量2 mm，最大水平收斂值0.14 mm，掌子面爆破對(duì)鎮(zhèn)墩的振動(dòng)影響不超過(guò)規(guī)定閾值的10%，確保了核電供水管線鎮(zhèn)墩的安全，表明技術(shù)措施是有效和可靠的。

⑷在隧道爆破施工過(guò)程中，對(duì)隧道內(nèi)圍巖及隧道外鎮(zhèn)墩、邊坡和核島等主要建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)和爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，確保施工引起的變形和振動(dòng)影響在安全范圍以內(nèi)，嚴(yán)格控制了振動(dòng)影響在安全閾值的70%以下。

⑸目前國(guó)內(nèi)外很少有在已運(yùn)行核電站附近進(jìn)行地下工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)可循，本工程的順利實(shí)施為此類工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為中國(guó)開展中微子實(shí)驗(yàn)研究提供了一個(gè)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行以來(lái)取得了重大成功，大亞灣中微子團(tuán)隊(duì)獲得了“基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)”［10］。