緊鄰橋梁水下鉆孔爆破地震波與水擊波控制技術(shù)

彭亞雄,蘇瑩,吳立

(1.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 湘潭市 411201;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

水下鉆孔爆破是一種水下巖體破碎的最有效方式,廣泛應(yīng)用于航道、碼頭、港口等建設(shè)工程中[1]。炸藥爆炸在巖層中形成地震波,在水域中形成水擊波,勢(shì)必引起緊鄰爆區(qū)橋梁、建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)與損傷,對(duì)結(jié)構(gòu)物安全造成不利影響[2]。為了減少爆破對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響,保證水下鉆孔爆破施工安全,需要對(duì)緊鄰橋梁水下鉆孔爆破控制技術(shù)進(jìn)行研究,有效降低爆破地震波與水擊波強(qiáng)度。

1 “爆源”控制技術(shù)

1.1 控制裝藥量

水下鉆孔爆破施工中控制裝藥量主要包括單段最大藥量和總藥量,其中單段最大藥量是影響爆破地震波與水擊波強(qiáng)度的最主要因素。該值過(guò)大則爆破有害效應(yīng)將危及周邊建(構(gòu))筑物安全,同時(shí)巖石拋擲距離過(guò)大也不利于清渣;該值過(guò)小則達(dá)不到預(yù)期爆破效果。因此,單段最大藥量的控制主要考慮爆破對(duì)環(huán)境的影響,實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬,分析爆破地震波與水擊波傳播規(guī)律,確定單段最大藥量的控制值。若實(shí)際施工環(huán)境無(wú)法滿足時(shí),則需考慮采用“傳播過(guò)程”控制技術(shù)、分層爆破技術(shù)或者孔內(nèi)微差技術(shù)。

1.2 選用合理微差時(shí)間

水下鉆孔爆破合理微差時(shí)間的選用依據(jù)包括爆區(qū)地形地質(zhì)條件、臺(tái)階抵抗線長(zhǎng)度、炸藥破巖效果、振動(dòng)控制要求等。過(guò)大的延時(shí)間隔將增加后續(xù)炸藥殉爆率,微差時(shí)間過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致自由面形成不夠充分,影響后續(xù)爆破效果。為獲得合理微差時(shí)間,可采用下列經(jīng)驗(yàn)公式加以計(jì)算:

式中:Δt——微差時(shí)間;ms;

W——抵抗線長(zhǎng)度,m;

f——被爆巖體堅(jiān)固系數(shù)

K p——被爆巖體裂隙系數(shù)。

1.3 優(yōu)化起爆方式

(1)調(diào)整起爆點(diǎn)位置。水下鉆孔爆破通過(guò)雷管起爆,根據(jù)雷管數(shù)量可以將起爆方式分為單點(diǎn)起爆及兩點(diǎn)起爆,單點(diǎn)起爆方式又可以根據(jù)雷管位置分為頂部起爆、底部起爆,起爆方式如圖1所示。

圖1 起爆方式

底部起爆爆轟波由孔底向頂部傳播,延長(zhǎng)了爆轟產(chǎn)物在炮孔內(nèi)的作用時(shí)間,爆破效果較頂部起爆方式好。然而這兩種起爆方式爆破強(qiáng)度大,同時(shí)應(yīng)力波在傳播過(guò)程中的疊加效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致起爆點(diǎn)附近產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū),另一端則為低應(yīng)力區(qū),應(yīng)力分布極不均勻。相較于單點(diǎn)起爆,兩端同時(shí)起爆爆破強(qiáng)度適中,應(yīng)力分布均勻,最有利于有害效應(yīng)控制[3]。因此,選用兩端同時(shí)起爆方式,在保證爆破效果的同時(shí),有效控制水中沖擊波及地震波等有害效應(yīng)。

(2)調(diào)整起爆方向和起爆順序。水下鉆孔爆破的起爆方向應(yīng)盡量選擇從深水向淺水,從臨空面較好的方面布設(shè),起爆排列方面應(yīng)盡量避開(kāi)直接面對(duì)被保護(hù)對(duì)象,使水中沖擊波峰值避免直接沖擊被保護(hù)對(duì)象。起爆順序則應(yīng)該先起爆距保護(hù)對(duì)象最近的炮孔,然后由近及遠(yuǎn)依次爆破,保護(hù)對(duì)象將主要受到第一段起爆所產(chǎn)生的較低的水擊波影響,后續(xù)炮孔產(chǎn)生的水擊波將受到爆渣、爆生氣體的阻擋和干擾。

2 “傳播過(guò)程”控制技術(shù)

(1)減震孔。水下爆破工程中,在爆源和保護(hù)對(duì)象之間設(shè)置減震孔是控制爆破地震波有害效應(yīng)的最主要方法。減震孔相當(dāng)于在爆源及被保護(hù)對(duì)象中間形成爆破隔離帶,當(dāng)?shù)卣鸩▊鬟f至減震孔時(shí),由于傳播介質(zhì)發(fā)生了改變,使得地震波在減震孔界面產(chǎn)生反射,從而大量消耗地震波能量[4]。為達(dá)到最佳減震效果,減震孔深度應(yīng)比炮孔深度深,以減小地震波繞射能量;減震孔應(yīng)盡可能地靠近爆源和多排布置,并減小減震孔的孔排距,以有利于達(dá)到最佳減震效果。

(2)氣泡帷幕。氣泡帷幕是利用空壓機(jī)及高壓膠管等裝置所噴射出的高壓氣體,在爆區(qū)與被保護(hù)對(duì)象中間形成一睹帷幕狀“空氣墻”。水下鉆孔爆破過(guò)程中所產(chǎn)生的水擊波傳播至氣泡帷幕時(shí)會(huì)使氣泡產(chǎn)生壓縮,水擊波能量轉(zhuǎn)化為氣泡壓縮所需要的內(nèi)能,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水擊波能量的“卸載”作用。

3 爆破安全判據(jù)

水下鉆孔爆破工程爆破安全判據(jù)主要包括爆破水擊波峰值壓力安全控制標(biāo)準(zhǔn)和不同類型建(構(gòu))筑物的振動(dòng)響應(yīng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)。利用安全標(biāo)準(zhǔn)反算可以得到爆破安全距離及安全藥量。

針對(duì)橋梁的安全允許標(biāo)準(zhǔn)較少,DOWDING[5]提出了針對(duì)橋梁爆破振動(dòng)速度允許值為5.08 c m/s。該規(guī)定以橋墩頂部為主要控制點(diǎn),其振速允許值見(jiàn)表1[6]。鐵路安全法中對(duì)于爆破作用下鐵路橋梁振速安全標(biāo)準(zhǔn)有明確規(guī)定,一般橋梁可以加以借鑒。

表1 橋梁爆破振動(dòng)速度安全允許值

4 工程應(yīng)用

長(zhǎng)江上游九龍坡至朝天門河段航道建設(shè)工程對(duì)九龍坡至朝天門河段22 k m長(zhǎng)河段進(jìn)行綜合整治。其中磚灶子礁石長(zhǎng)約400 m,寬約150 m,頂部高為171 m,緊鄰李家沱長(zhǎng)江大橋。

4.1 控制技術(shù)方案

為了有效地減小爆破地震波與水擊波有害效應(yīng),保護(hù)緊鄰橋梁結(jié)構(gòu),提出了水下鉆孔爆破地震波與水擊波有害效應(yīng)控制技術(shù)方案如下。

(1)“爆源”控制。包括炸藥品種;裝藥量;微差時(shí)間;起爆點(diǎn)位置,兩端同時(shí)起爆;起爆方向由深水至淺水,避開(kāi)直接面對(duì)橋墩;起爆順序由近及遠(yuǎn)。

(2)“傳播過(guò)程”控制。包括減震孔,兩排,D=100 mm,孔排距為200 mm×300 mm,超深2 m,距爆源4 m;氣泡帷幕,距被保護(hù)對(duì)象5 m,有效寬度3～4 m。

(3)爆破安全判據(jù)。包括允許振速1 c m/s;允許水擊波壓力0.2 MPa。

4.2 控制效果監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

(1)氣泡帷幕效果。施工現(xiàn)場(chǎng)水下鉆孔爆破及氣泡帷幕效果如圖2所示。從氣泡帷幕形成效果來(lái)看,水面有氣泡密集翻出,表明氣泡流量滿足要求,氣泡由于浮力作用,自下而上運(yùn)動(dòng)直至水面已形成連續(xù)的帷幕,形成的氣泡帷幕有效寬度為3～4 m。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)氣泡帷幕效果

為了分析氣泡帷幕對(duì)水擊波的削減效果,在氣泡帷幕前后布置了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),各測(cè)點(diǎn)均懸吊于水下7 m處(平均水深1/2左右),共進(jìn)行了4次監(jiān)測(cè)。水擊波壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知,爆破水擊波經(jīng)氣泡帷幕衰減后峰值壓力由256.1 k Pa、242.8 k Pa和192.6 k Pa分別降至24.1 k Pa、21.4 k Pa和16.8 k Pa,削減率分別為90.1%、91.1%、90.5%。

表3 水擊波壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果

由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知,本工程中氣泡帷幕削減效果較好,水擊波經(jīng)氣泡帷幕削減后峰值壓力已經(jīng)降低到安全控制值0.2 MPa以下,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水擊波的控制要求。

(2)橋墩監(jiān)測(cè)。為了確保緊鄰橋梁結(jié)構(gòu)安全,在李家沱長(zhǎng)江大橋北橋墩和南橋墩設(shè)置振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 橋墩振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)值

現(xiàn)場(chǎng)施工采用兩條鉆爆船同時(shí)進(jìn)行,其中“鉆探三號(hào)”鉆爆船進(jìn)行距橋墩較遠(yuǎn)處礁石爆破施工,“長(zhǎng)鷺一號(hào)”鉆爆船則負(fù)責(zé)橋墩近區(qū)礁石爆破施工。

由圖3可知,由于水下鉆孔爆破施工由距橋墩從近到遠(yuǎn)的方向進(jìn)行施工,隨著施工的進(jìn)行,橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度逐漸降低;“鉆探三號(hào)”鉆爆船施工區(qū)域距李家沱北橋墩較遠(yuǎn),橋墩受其影響較小,監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度明顯小于“長(zhǎng)鷺一號(hào)”鉆爆船的爆破振動(dòng);橋墩峰值振動(dòng)速度最大值為0.955 c m/s,小于李家沱大橋安全振動(dòng)速度控制值1 c m/s,說(shuō)明采用上述控制技術(shù)能夠有效地降低爆破地震波與水擊波有害效應(yīng),保護(hù)了緊鄰橋墩的結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

水下鉆孔爆破地震波與水擊波對(duì)緊鄰爆區(qū)橋梁影響較大,引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)與損傷,威脅橋梁整體穩(wěn)定性。針對(duì)緊鄰橋梁水下鉆孔爆破特點(diǎn),提出了爆源、傳播過(guò)程的控制技術(shù)和爆破安全判據(jù),并應(yīng)用于實(shí)際工程。

在磚灶子礁石炸礁中,提出了一套優(yōu)化的水下鉆孔爆破控制技術(shù)方案,水擊波強(qiáng)度降低了90%以上,爆破振動(dòng)速度也控制在安全值1.0 c m/s以下,順利完成了炸礁施工。研究成果可為緊鄰橋梁水下鉆孔爆破施工提供參考。