水下鉆孔爆破振動對橋梁的影響分析

彭力，肖敏

（長江宜昌航道工程局，湖北 宜昌 443003）

1 研究背景

長江上游干線存在較多以礙航礁石為主的急流淺險灘，需要開展航道整治工程清除礙航礁石。由于機械清礁效率緩慢，一般采用水下爆破的方式對礙航礁石予以清除。水下爆破作業(yè)在給工程建設(shè)帶來方便的同時，產(chǎn)生的振動響應(yīng)會對周邊橋梁造成不利影響[1-2]。因此開展水下爆破振動監(jiān)測，分析爆破振速的傳播規(guī)律可為水下爆破災(zāi)害的有效控制及橋梁的安全防護提供依據(jù)。

2 工程概況

2.1 工程簡介

長江干線朝天門至涪陵段地處長江上游，是長江干線航道的重要組成部分，整個河段處于三峽庫區(qū)變動回水區(qū)中下段，河道走向呈“Z”字型，河床以窄深河段為主，其航道水深不足、彎曲狹窄，礁石礙航等特點造成船舶航行困難，海損事故頻發(fā)等問題[3]。為確保該航段通航安全，主要采用水下爆破清礁的方式對礙航礁石予以清除，但該航段位于重慶市主城區(qū)，分布有多座大型橋梁，為分析水下爆破振動對橋梁影響，在其南北橋墩不同位置處布置監(jiān)測點，其中南橋墩中心點距爆源區(qū)166m，北橋墩中心點距爆源區(qū)228m，如圖1 所示。

圖1 清礁區(qū)與橋梁位置示意圖

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計

本次清礁爆破采用水下鉆孔爆破方式進行，炸藥選用1#巖石乳化炸藥，用碎石堵塞炮孔，堵塞長度為0.5～0.8m。炮孔為小孔徑的垂直孔，直徑為110mm，各排炮孔呈梅花形交錯布置，炮孔間距和排距均為2.0m，深度為2.5～4.5m。

單孔裝藥量計算公式如下[4]：

Q=q0·a·b·H0

式中：Q 為單孔裝藥量，kg；q0為水下鉆孔爆破單位炸藥消耗量，kg/m3，根據(jù)前人爆破清礁工程經(jīng)驗[5]取1.0～1.5kg/m3；a 為炮孔間距，m；b 為炮孔排距，m；H0為最大鉆孔深度，m。

3 測點布置

為全面研究水下爆破振動對橋梁的影響，本次爆破振動監(jiān)測的測點布置有如下原則：

（1）測點布置在保護物附近，且盡量測得振源近處的地表質(zhì)點振動速度；

（2）為確保測振設(shè)備的安全性和數(shù)據(jù)的準確性，測振點盡量布置安全且容易測得數(shù)據(jù)的地方；

（3）測振點基本反映振動情況。

根據(jù)上述原則，確定在大橋南岸主橋墩為一測點，大橋北岸主橋墩為二測點，共布置2 個拾振器，每個測點包括水平橫向1 個、水平徑向1 個、垂直向1 個。爆破振動檢測點的傳感器用石膏粉牢固粘結(jié)，傳感器至記錄儀的傳輸信號線長度小于1m，以避免長距離的信號衰減。

4 現(xiàn)場測試結(jié)果及分析

4.1 公式與實測數(shù)據(jù)對比

根據(jù)水下爆破振動監(jiān)測結(jié)果得到大橋南岸主橋墩測點在不同距離和不同炸藥量下的水平橫向（X）、水平徑向（Y）、垂直向（Z）振動速度數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 大橋南岸主橋墩測點振速結(jié)果

由表1 可知，測點在水平橫向上振速最大，垂直向振速次之。爆破距離225m、單段最大藥量60kg 時得到測點水平橫向上的最大振速值為0.91cm/s。本研究重點分析水平橫向上振速的傳遞規(guī)律，同時將橋梁歸于工業(yè)和商業(yè)建筑物保護對象類別，根據(jù)爆破安全規(guī)程（GB6722-2014）[6]得出工業(yè)和商業(yè)建筑物的安全允許振速范圍為2.5～5.0cm/s。因此，本試驗中測點任意方向上的最大振速值均小于爆破安全規(guī)程中建筑物的安全允許振速，如表2 所示。

表2 爆破振動安全允許標準

由薩道夫斯基公式可得，測點振速除了與爆心距和炸藥量有關(guān)系外還與場地地質(zhì)、地形條件等因素密切相關(guān)[7]。因此，確定薩道夫斯基參數(shù)還需要依據(jù)現(xiàn)場振動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合得到具體值。薩道夫斯基公式如下所示：

式中：v 為振動速度，cm/s；Q 為單段最大藥量，kg；R 為距爆破的距離，m；K 和α 為地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，需根據(jù)實際工況確定。

通過對10 組振速監(jiān)測數(shù)據(jù)的擬合，得到適合長江上游橋梁的振速隨距離和藥量變化的經(jīng)驗公式為v=149.45(Q1/3/R)1.33，如圖2 所示。其中經(jīng)驗系數(shù)K 為149.45，經(jīng)驗系數(shù)α 為1.33，擬合系數(shù)R2為0.75，表明擬合公式與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較好相關(guān)性，同時擬合得到的經(jīng)驗系數(shù)符合爆破安全規(guī)程（GB6722-2014）中爆區(qū)不同巖性下K、α 建議取值范圍，如表3 所示。

表3 爆區(qū)不同巖性K、α 取值范圍

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合示意圖

通過以上的薩道夫斯基公式可以預(yù)測大橋南岸主橋墩測點水平橫向上的振動速度，為了進一步驗證擬合公式結(jié)果的準確性，以大橋北岸主橋墩測點為依據(jù)采用現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)與預(yù)測值進行對比。數(shù)據(jù)如表4 所示，盡管預(yù)測值與實測值之間存在細微差異，但大部分仍較為接近，而造成細微差異的原因主要是由于現(xiàn)場爆破過程中場地有較強的復(fù)雜性。

表4 大橋南岸主橋墩測點振速結(jié)果及對比

因此，通過爆破安全規(guī)程及北岸主橋墩測點監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析，本公式可較為準確地反映長江上游地區(qū)水下爆破產(chǎn)生的振速隨距離及藥量的傳遞與變化規(guī)律。

4.2 最大段藥量控制

根據(jù)水下爆破振動監(jiān)測結(jié)果得到大橋南、北岸主橋墩兩個測點在水平橫向上的頻率范圍為7～333Hz，結(jié)合國家爆破安全規(guī)程（GB6722-2014) 和大量水下爆破清礁工程實踐經(jīng)驗[8-9]，本研究對于橋梁的安全允許振速取值為 2.5 cm/s。

通過薩道夫斯基公式結(jié)合現(xiàn)場試驗計算出爆破點距橋梁不同距離R 處單次爆破允許的單段最大裝藥量Qmax，結(jié)果如表5 所示。

表5 不同距離單段最大爆破藥量控制標準

5 結(jié)論

（1）通過大橋南岸主橋墩測點監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合得到了薩道夫斯基公式，與大橋北岸主橋墩測點實測數(shù)據(jù)對比得出了該公式具有較高的準確性。

（2）依據(jù)爆破安全規(guī)程和預(yù)測公式得到了橋梁不同距離范圍內(nèi)單段最大炸藥量的控制標準。