西江航道內(nèi)河段疏浚水下爆破設(shè)計(jì)及減振分析

經(jīng)民富，黃賢智，張利洪，陳 藝

(1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.長江重慶航道工程局，重慶 400012；3.廣西壯族自治區(qū)梧州航道養(yǎng)護(hù)中心，廣西 梧州 543001)

0 引言

近年來，在國家海上絲綢之路、“一帶一路”倡議和西部陸海新通道建設(shè)的大戰(zhàn)略背景下，各地相應(yīng)地推出水陸聯(lián)運(yùn)、水鐵聯(lián)運(yùn)和海鐵聯(lián)運(yùn)等一系列促進(jìn)交通運(yùn)輸發(fā)展的措施，隨之而來的各種港航新建工程和改擴(kuò)建工程陸續(xù)開展。水下爆破以其作業(yè)高效、成本低廉的優(yōu)勢仍是目前港航建設(shè)中航道疏浚的主要手段。但水下爆破作業(yè)也有其不利的一面，由于爆破作業(yè)在短時(shí)間內(nèi)釋放能量巨大，在爆破區(qū)域周邊易引起沖擊波、地震波和爆破飛石等危害，其中又以爆破地震波帶來的振動(dòng)影響最難控制，危害最大，因此振動(dòng)控制是水下爆破作業(yè)面臨的重大難題[1]。本文將通過分析研究水下爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、爆破減振機(jī)理，探討可操作的減振措施。

1 工程概況

西江航運(yùn)干線貴港至梧州3 000噸級航道工程二期工程位于梧州市長洲樞紐壩下航段，全長 24 km，設(shè)計(jì)范圍為：起點(diǎn)位于長洲樞紐下引航道終點(diǎn)(里程樁號為 0+000)，終點(diǎn)位于界首灘。航槽內(nèi)巖石層從長洲樞紐壩下往下游逐漸由深變淺，礙航礁石分布較為分散。整個(gè)炸礁區(qū)的礁石主要為中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化花崗巖，其余為風(fēng)化砂巖和全風(fēng)化花崗巖。根據(jù)勘察試驗(yàn)結(jié)果，炸礁區(qū)主要巖層巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度為6.85～81.85 MPa。爆破作業(yè)區(qū)域周邊遍布河堤、道路、民房、橋梁和學(xué)校等建筑物，距離為114～650 m。爆破施工作業(yè)地段為市區(qū)內(nèi)河航道，周邊復(fù)雜的實(shí)際情況對爆破振動(dòng)危害控制要求較高，在尋求合適的爆破參數(shù)獲得理想的爆破效果的同時(shí)還要滿足振動(dòng)要求，是本項(xiàng)目的重要任務(wù)。

2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)與減振分析

2.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)[2-7]

2.1.1 鉆孔間距、排距

根據(jù)各施工區(qū)域擬投入的清渣設(shè)備，結(jié)合排距通常小于孔距的原則，清渣設(shè)備投入為4 m3以上的抓斗挖泥船的區(qū)域，炮孔間距為2.5 m，炮孔排距為2.0 m；清渣設(shè)備投入為4 m3及以下的抓斗挖泥船的區(qū)域，炮孔間距為2 m，炮孔排距為1.8 m，各排炮孔交錯(cuò)布置呈梅花形。

2.1.2 鉆孔直徑、超深

鉆孔直徑的選擇主要取決于鉆孔設(shè)備型號規(guī)格，但水下鉆孔作業(yè)相對于陸地作業(yè)難度大，一般盡量采用大直徑鉆孔。另一方面，由于水下裝藥的需要，炸藥和孔壁之間有一定的空隙，即徑向不耦合，而小孔徑裝藥在此情況下易引起炸藥爆轟中斷造成盲炮等安全事故。結(jié)合實(shí)際取水下爆破孔徑為110 mm。

鉆孔超深即施工時(shí)的超出爆破設(shè)計(jì)底部標(biāo)高的深度值。基于爆破漏斗理論，爆破后相鄰炮孔底之間會(huì)留下一個(gè)突出的三角形 “殘坎”，達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)高，設(shè)置鉆孔超深將炮孔底部標(biāo)高下移可解決此問題(見下頁圖1)，而且水下爆破環(huán)境復(fù)雜，泥沙易沉積在炮孔內(nèi)造成孔底標(biāo)高增大，因此有必要設(shè)置鉆孔超深。超深一般取1～2 m，國外也有研究建議取2 m以上，但是國內(nèi)有研究基于我國實(shí)際認(rèn)為，過大的超深會(huì)引起大的振動(dòng)。根據(jù)不同區(qū)域孔排距的布置等參數(shù)，超深Δh按1.5～2.0 m取值，可根據(jù)實(shí)際爆破效果進(jìn)行調(diào)整。

圖1 鉆孔超深與爆破漏斗碎巖作用示意圖

2.1.3 單孔裝藥量計(jì)算

單孔裝藥量由式(1)計(jì)算：

Q=q0abH0

(1)

式中：Q——單孔裝藥量(kg)；

q0——水下鉆孔爆破單位炸藥消耗量(kg/m3)，根據(jù)巖石硬度等因素確定；

a——炮孔間距(m)；

b——炮孔排距(m)；

H0——包括鉆孔超深值在內(nèi)的設(shè)計(jì)爆破層厚度(m)。

對本工程距離建筑物、構(gòu)筑物200 m范圍內(nèi)和魚類產(chǎn)卵區(qū)內(nèi)的礁石采用控制爆破的情況下，河段采用控制爆破區(qū)域單孔裝藥量減半。單孔裝藥量計(jì)算也有其他經(jīng)驗(yàn)公式，但無論采用哪種計(jì)算方法，在實(shí)際施工中，單孔裝藥量一般都要根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

2.1.4 裝藥結(jié)構(gòu)及炮孔堵塞

采用連續(xù)耦合裝藥結(jié)構(gòu)，根據(jù)孔深確定采用起爆體的個(gè)數(shù)。起爆體用乳化炸藥，長0.4 m，其直徑為90 mm。本工程通過試爆驗(yàn)證，對起爆方式的設(shè)計(jì)為：當(dāng)孔深較小時(shí)(<4 m)，在孔底部設(shè)置1個(gè)起爆點(diǎn)反向起爆；孔深4 m

2.1.5 微差爆破分段間隔時(shí)間與爆破網(wǎng)路

微差爆破分段間隔時(shí)間對爆破效果和振動(dòng)控制有重大影響，國內(nèi)外均有開展研究，但目前尚未形成公認(rèn)的通用公式。本項(xiàng)目采用目前應(yīng)用較多的是丹切夫公式：

Δt=KW(24-f)

(2)

式中：Δt——微差爆破分段間隔時(shí)間(ms)；

K——巖石裂隙系數(shù)，取0.5～0.9，裂隙少時(shí)取小值，裂隙發(fā)育時(shí)取大值；

W——最小抵抗線(m)；

f——巖石硬度系數(shù)。

本項(xiàng)目按中等裂隙和中等硬度計(jì)算，結(jié)合所用爆破器材取微差爆破分段間隔時(shí)間為50 ms。采用合適的毫秒延時(shí)間隔，有利于增加巖石破碎程度，減小地震效應(yīng)。

由于雷管段別有限，設(shè)計(jì)采用孔內(nèi)外接力延時(shí)的微差爆破，根據(jù)本工程施工條件，爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)示意圖

2.1.6 最大起爆藥量計(jì)算

Q=R3(K/V)-3/α

(3)

式中：Q——最大起爆炸藥量(kg)，微差爆破為單段最大藥量，齊發(fā)爆破為一次總藥量；

R——爆破振動(dòng)安全距離(m)，建筑物不可移動(dòng)即為建筑物到爆源的實(shí)際距離；

V——安全允許振速(cm/s)，根據(jù)建筑物類型、新舊程度等情況選取；

K，α——爆破區(qū)地質(zhì)和巖性系數(shù)，可通過試爆或查表獲取。

本項(xiàng)目距離爆源最近的磚房為114 m，計(jì)算單段起爆藥量最大為263 kg，由于周邊環(huán)境復(fù)雜且需要多次進(jìn)行爆破作業(yè)，按照控制爆破減半的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際取單段起爆藥量≤100 kg，在實(shí)際作業(yè)中根據(jù)振動(dòng)監(jiān)測等進(jìn)行調(diào)整。

2.2 減振措施與減振機(jī)理分析[8-9]

按照相關(guān)設(shè)計(jì)和安全要求，在不同時(shí)段對爆破區(qū)域附近建筑物布點(diǎn)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示各點(diǎn)振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于安全規(guī)程允許值，說明爆破設(shè)計(jì)參數(shù)合理具有可行性。

表1 爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)表

爆破作業(yè)減小振動(dòng)的問題，基本思路是從爆源、能量轉(zhuǎn)化和振動(dòng)傳播途徑幾個(gè)方面入手進(jìn)行控制，下面結(jié)合本項(xiàng)目具體的減振措施進(jìn)行減振機(jī)理分析。

2.2.1 微差爆破減振

微差爆破的實(shí)質(zhì)是將一個(gè)大爆源變成若干小爆源，按幾十個(gè)毫秒的時(shí)間微差依次起爆，同時(shí)起爆的一個(gè)或幾個(gè)炮孔為一個(gè)段別，理論上產(chǎn)生的爆破振動(dòng)強(qiáng)度只相當(dāng)于同一段別幾個(gè)炮孔爆破的振動(dòng)峰值，故相對于齊發(fā)爆破將總爆破藥量同時(shí)引爆的情況而言，可以大幅減小爆破振動(dòng)強(qiáng)度，從而有效降低爆破振動(dòng)的危害。

2.2.2 起爆方式減振

理論研究和實(shí)踐表明，采用底部反向起爆在增加巖石破碎度的同時(shí)可以起到良好的減振作用。文獻(xiàn)[1]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)采用頂?shù)撞空措p向起爆，可以有效減弱爆破振動(dòng)和水中沖擊波的危害。反向起爆可以增加爆炸應(yīng)力波在巖石內(nèi)作用時(shí)間，將更多爆炸能量用于提高巖石破碎效果。本工程通過試爆驗(yàn)證，對起爆方式的設(shè)計(jì)為當(dāng)孔深較小時(shí)(<4 m)，在炮孔底部設(shè)置1個(gè)起爆點(diǎn)反向起爆，孔深4 m

2.2.3 利用溝槽和密集孔減振

本項(xiàng)目施工區(qū)域上、下游均有橋梁等建筑物，根據(jù)設(shè)計(jì)及安全要求，距離建筑物一定范圍內(nèi)不能采用爆破碎巖，故設(shè)計(jì)采用錘擊碎巖。部分錘擊碎巖地段的巖石強(qiáng)度高，錘擊碎巖效果不夠理想，甚至出現(xiàn)錘頭斷裂的情況，設(shè)計(jì)采用先鉆密集孔形成臨空面后錘擊的方式碎巖，且錘擊碎巖后形成一定寬度和深度的溝槽可作為爆破減振溝槽。密集孔和減振溝槽的存在，可以對爆炸引起的地震波進(jìn)行部分反射，從而起到減弱對建筑物的振動(dòng)危害作用。

2.2.4 利用臨空面條件減振

根據(jù)爆破漏斗理論，在爆破中臨空面是最小抵抗線所指方向，由于臨空面方向沒有夾制阻礙作用，爆炸所產(chǎn)生的能量主要用于破碎和拋移巖土塊，因此在該方向的引起爆破振動(dòng)的能量相對較弱，而背向臨空面方向爆炸的能量主要以應(yīng)力波的形式向外傳遞，所以背向臨空面方向振動(dòng)較強(qiáng)。綜合考慮，實(shí)施爆破作業(yè)時(shí)應(yīng)合理調(diào)整爆破網(wǎng)絡(luò)起爆次序，優(yōu)化設(shè)置臨空面和最小抵抗線方向，使被保護(hù)的建筑物處于最小抵抗線所指的正方向或者側(cè)面。

2.2.5 做好地質(zhì)條件分析、建筑結(jié)構(gòu)分析和振動(dòng)監(jiān)控

本項(xiàng)目在航道海事碼頭附近進(jìn)行爆破時(shí)，監(jiān)測到距離爆源近處的碼頭振動(dòng)小而在較遠(yuǎn)處磚房振動(dòng)大的現(xiàn)象，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[9]通過理論和實(shí)踐分析也證實(shí)有此類現(xiàn)象。這主要有兩大原因：(1)巖石地基上的振動(dòng)加速度比土壤低，近處的碼頭坐落在基巖上而遠(yuǎn)處的民房是土質(zhì)地基；(2)此外爆破振動(dòng)多為10～50 Hz高頻率，而建筑物的固有頻率多為<10 Hz的低頻率，但也不能排除爆破出現(xiàn)低頻振動(dòng)引起建筑物共振的情況，本項(xiàng)目監(jiān)測到的爆破振動(dòng)頻率跨度比較大可以佐證這一點(diǎn)。因此，不僅要考慮建筑物與爆源的距離，也要考慮地質(zhì)條件和建筑物的固有頻率，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，以防在距離爆源近處未出現(xiàn)振動(dòng)卻在較遠(yuǎn)處出現(xiàn)振動(dòng)造成建筑物損壞的情況。

3 結(jié)語

(1)從爆源、能量轉(zhuǎn)化和振動(dòng)傳播途徑多方面入手，合理配置爆破參數(shù)，分析減振機(jī)理，采取適當(dāng)?shù)臏p振措施，可以取得比較理想的減振效果。

(2)重視實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與理論分析的結(jié)合，尤其是數(shù)值模擬技術(shù)的成果，可以在實(shí)踐中加以驗(yàn)證和應(yīng)用。

(3)重視爆破全過程的振動(dòng)監(jiān)測，及時(shí)分析并對爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以有效避免因地質(zhì)條件變化和建筑物固有頻率帶來的不利影響。