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)在給工程建設帶來方便的同時，產(chǎn)生的振動響應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)與預測值進行對比。數(shù)據(jù)如表4 所示，盡管預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。