緊鄰橋梁水下鉆孔爆破安全防控技術(shù)研究

覃振洲，蘇 瑩

(1.貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽 550014；2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

水下鉆孔爆破是水下基坑基槽開挖的主要手段，在緊鄰橋梁區(qū)域進(jìn)行水下鉆孔爆破，爆破產(chǎn)生的地震不可避免地會對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性造成影響[1]。采用合理的控制措施減少爆破振動有害效應(yīng)，保證橋梁安全性能是水下精細(xì)爆破的關(guān)鍵性技術(shù)。

水下鉆孔爆破施工期過程中確保緊鄰爆區(qū)橋梁安全是工程順利進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)。本文針對水下鉆孔爆破特點，提出了主動與被動爆破安全防控技術(shù)，從爆破器材、減振孔、爆破監(jiān)測和起爆方式等方面對爆破振動效應(yīng)進(jìn)行有效控制，并將防控技術(shù)應(yīng)用于實際工程，取得了較好的爆破控制效果。

1 主動控制技術(shù)

1.1 限制最大藥量

單段最大藥量是控制爆破效果和爆破有害效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)：若取值過大，會產(chǎn)生較大的地震波，從而引發(fā)橋梁強(qiáng)烈的爆破振動，同時也會使得巖塊拋擲距離增大，不利于后期清渣；若取值過小，則達(dá)不到爆破效果。

《爆破安全規(guī)程》[2]中規(guī)定，質(zhì)點峰值振速可按薩達(dá)夫斯基公式計算，其表達(dá)式為：

(1)

式中：K和α均為地質(zhì)系數(shù)；R為爆心距；單段最大藥量Q與質(zhì)點峰值振速V成正比。為保證在爆破全過程中爆破振動速度始終處于可控范圍內(nèi)，則需要限制單段裝藥量Q的取值。對公式(2)進(jìn)行等效變形可以得出：

(2)

1.2 優(yōu)化炮孔布置與起爆

傳統(tǒng)水下鉆孔爆破通常采用直線型起爆方式，該方法的爆破設(shè)計、施工過程均較為簡單，對爆破技術(shù)要求較低，但是存在許多缺點：起爆后形成的爆堆位移較大；爆破振害較為嚴(yán)重，后沖破壞大，將直接影響下一爆區(qū)的爆破效果；爆破塊度較大，爆堆比較分散，清渣難度大。

緊鄰橋梁水下鉆孔爆破振動控制要求高，為了降低爆破振動強(qiáng)度，提出了“V”型起爆方式。同段炮孔之間呈折線型分布，加強(qiáng)了同段巖石間的碰撞擠壓，巖石破碎效果較好；同時也為后段的爆破創(chuàng)造了較長的自由面，后沖力較小，避免了段間爆破的相互影響?！癡”型起爆炮孔布置，如圖1所示。

圖1 “V”型起爆炮孔布置

1.3 采用微差爆破

爆破設(shè)計過程中所涉及的藥量、孔距與排距在內(nèi)的孔網(wǎng)參數(shù)、所采用的爆破形式及微差起爆的延遲間隔都會對爆破振動效應(yīng)產(chǎn)生較大影響。在上述因素中微差起爆延遲間隔對爆破振動效應(yīng)的影響最為顯著。微差爆破的作用主要在于改變爆破總體能量在各爆破頻帶范圍內(nèi)的分布規(guī)律，分散爆破能量使鄰近橋梁結(jié)構(gòu)不致產(chǎn)生共振。因此，水下鉆孔爆破必須采用微差爆破方式。

2 被動控制技術(shù)

2.1 減振孔減振

在爆源與被保護(hù)區(qū)域之間設(shè)置減振孔可使爆破振動減少30%～50%。爆破施工前，在掏槽區(qū)及爆破區(qū)域附近鉆鑿減振隔離帶，從而使爆破過程中所產(chǎn)生的振動能量在臨空面及隔離帶被大量消耗吸收，用以保證隔離帶后方對象的安全性能[3]。

由于爆破臨空面中充滿水體或空氣，其波速遠(yuǎn)小于巖石波速，在爆破時所傳遞的振動能量遠(yuǎn)小于無裂隙的巖石直接傳遞的振動能量。當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ帘婆R空面時傳播介質(zhì)發(fā)生了改變，爆破振動能量被大量消耗，從而達(dá)到對隔離帶后方區(qū)域的保護(hù)作用。減振孔的減振效果主要與減振孔深度及爆源中心距離減振孔的距離有關(guān)。在減振孔深度一定的情況下，減振孔距爆源越近效果越好；在爆源中心相對減振孔位置一定的情況下，減振孔越深減振效果越好。

2.2 氣泡帷幕控制

氣泡帷幕就是控制水擊波的一種有效措施[4]，其作用原理在于：在水下鉆孔爆破過程中，通過在爆區(qū)周邊預(yù)埋的管道裝置噴射高壓氣體，在水中形成一堵密實的帷幕狀空氣墻，由于氣泡具有可壓縮性，當(dāng)水擊波波峰傳播至氣泡帷幕墻時，水擊波動能部分轉(zhuǎn)化為氣泡壓縮所需的內(nèi)能，氣泡中的能量一部分以熱能的形式散發(fā)到水中，另一部分則是在氣泡膨脹過程中被不斷消耗，通過氣泡的“卸載”作用，水擊波壓力得到衰減，從而起到保護(hù)周邊建(構(gòu))筑物的作用。

2.3 試爆與監(jiān)測

在開始爆破之前，應(yīng)在待爆區(qū)域附近實施多次試爆，以保證爆區(qū)地形地質(zhì)條件的一致性。在試爆過程中分別采用設(shè)計藥量的50%，60%，70%，80%進(jìn)行爆破，同時在爆區(qū)周邊布設(shè)多個監(jiān)測點，用以監(jiān)測爆破過程中地面質(zhì)點的振動速度，進(jìn)一步保證周邊建(構(gòu))筑物在設(shè)計藥量作用下的安全性能。

為保證爆破安全，應(yīng)在試爆過程中在橋墩及橋身布置多個測點，用來監(jiān)測爆破過程中質(zhì)點各個方向的振動速度、振動頻率值，并依據(jù)監(jiān)測獲得的爆破振動數(shù)據(jù)修正爆破藥量，確保橋梁在爆破振動作用下的安全性能。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

重慶萬州長江公路大橋全長為856.12 m，其中主跨長達(dá)420 m，是一座特大跨度的鋼筋混凝土箱形拱橋。由于橋梁橋身及拱圈的防撞能力差，當(dāng)船舶失控或走偏航道碰撞拱圈和立柱時，易引發(fā)重大安全事故，需要修建防撞設(shè)施保護(hù)橋梁安全。

防撞設(shè)施的水下基坑及基槽施工采用水下鉆孔爆破進(jìn)行，爆區(qū)距橋梁近(最近距離56 m)。爆破施工既要保證爆破效果又要確保萬州長江公路大橋及導(dǎo)向井的安全，施工難度大?？傮w布置，如圖2所示。

圖2 橋梁防撞設(shè)施平面布置

3.2 爆破控制技術(shù)

3.2.1 藥量控制

基于瑞典法爆破炸藥單耗設(shè)計計算結(jié)果，本工程應(yīng)將最大單段藥量控制為12.5 kg，并且還應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境條件及地質(zhì)條件調(diào)整爆破參數(shù)。當(dāng)實際所需藥量大于該值時，必須采用分段起爆方式進(jìn)行爆破，使振動強(qiáng)度符合實際安全施工要求，保證施工安全及周邊水域、環(huán)境的安全。

3.2.2 起爆方式

在萬州長江公路大橋防撞帶基槽爆破開挖工程中，由于節(jié)理裂隙發(fā)育，且具有一定傾角，采用“V”型爆破方式能達(dá)到更好的爆破效果；由于“V”型爆破抵抗線方向遠(yuǎn)離橋墩，爆破對橋梁影響較小，能起到更好的減震效果。

3.2.3 微差爆破

采用毫秒延期雷管進(jìn)行微差爆破能夠有效減小爆破地震效應(yīng)。爆破施工時，延期段別應(yīng)根據(jù)起爆炮孔數(shù)確定，1孔1段，因此最大單段藥量即單孔藥量。毫秒延期爆破能將一次起爆的總藥量分散在不同的時間段(毫秒級)爆破，避免了爆破地震波的疊加。

3.2.4 減振孔

減振孔深度應(yīng)當(dāng)大于炮孔深度，同時孔間距不應(yīng)大于500 mm。爆破設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮實際情況，在本工程中可設(shè)置兩組減振孔，組距5.5 m，每組兩排，排距1.5 m；一排設(shè)置5個減振孔，孔距300 mm。減振孔直徑為110 mm，距炮孔最優(yōu)距離為15 m。

3.2.5 爆破監(jiān)測

爆區(qū)與橋梁最近距離僅56 m，為了掌握爆破作用橋梁振動情況，在橋墩、橋面分別布設(shè)了監(jiān)測點，如圖3所示。

圖3 橋梁振動監(jiān)測點布置

施工順序遵循由遠(yuǎn)及近原則，向橋梁方向推近，隨著爆心距減小調(diào)整單段最大藥量，確保實測橋梁爆破峰值振速控制在1.5 cm/s。

3.3 爆破效果

水下爆破試驗完成后，采用4 m3鏟斗挖泥船進(jìn)行清渣施工，將水下破碎礁石挖起，以達(dá)到設(shè)計標(biāo)高，從而滿足設(shè)計要求。爆破完成后的清渣結(jié)果顯示：礁石直徑小于700 mm，松散系數(shù)為1.10～1.20，爆破粉碎效果較好，滿足清渣要求。清渣施工效果，如圖4所示。

圖4 爆后清渣效果

同時，施工期內(nèi)所有橋梁爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)均小于1.5 cm/s，處于安全范圍內(nèi)，確保了萬州長江公路大橋安全。

4 結(jié)語

本文從爆破方式、減振孔、氣泡帷幕和爆破監(jiān)測措施等方面提出了水下鉆孔爆破主被動聯(lián)合防控技術(shù)。將主被動防控技術(shù)應(yīng)用于重慶萬州長江公路大橋防撞帶建設(shè)項目，對工程實際的爆破控制技術(shù)進(jìn)行了介紹，優(yōu)化了爆破方案，獲得較好的爆破效果，有效降低了爆破有害效應(yīng)，確保了橋梁結(jié)構(gòu)安全，研究成果對類似的緊鄰建(構(gòu))筑物水下鉆孔爆破工程具有一定借鑒意義。