緊鄰橋梁水下鉆孔爆破地震波與水擊波控制技術

彭亞雄,蘇瑩,吳立

(1.湖南科技大學 巖土工程穩定控制與健康監測湖南省重點實驗室, 湖南 湘潭市 411201;2.中國地質大學(武漢) 工程學院, 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,廣泛應用于航道、碼頭、港口等建設工程中[1]。炸藥爆炸在巖層中形成地震波,在水域中形成水擊波,勢必引起緊鄰爆區橋梁、建筑結構振動與損傷,對結構物安全造成不利影響[2]。為了減少爆破對橋梁結構的影響,保證水下鉆孔爆破施工安全,需要對緊鄰橋梁水下鉆孔爆破控制技術進行研究,有效降低爆破地震波與水擊波強度。

1 “爆源”控制技術

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度的最主要因素。該值過大則爆破有害效應將危及周邊建(構)筑物安全,同時巖石拋擲距離過大也不利于清渣;該值過小則達不到預期爆破效果。因此,單段最大藥量的控制主要考慮爆破對環境的影響,實際工程中應根據現場試驗及數值模擬,分析爆破地震波與水擊波傳播規律,確定單段最大藥量的控制值。若實際施工環境無法滿足時,則需考慮采用“傳播過程”控制技術、分層爆破技術或者孔內微差技術。

1.2 選用合理微差時間

水下鉆孔爆破合理微差時間的選用依據包括爆區地形地質條件、臺階抵抗線長度、炸藥破巖效果、振動控制要求等。過大的延時間隔將增加后續炸藥殉爆率,微差時間過小則會導致自由面形成不夠充分,影響后續爆破效果。為獲得合理微差時間,可采用下列經驗公式加以計算:

式中:Δt——微差時間;ms;

W——抵抗線長度,m;

f——被爆巖體堅固系數

K p——被爆巖體裂隙系數。

1.3 優化起爆方式

(1)調整起爆點位置。水下鉆孔爆破通過雷管起爆,根據雷管數量可以將起爆方式分為單點起爆及兩點起爆,單點起爆方式又可以根據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,延長了爆轟產物在炮孔內的作用時間,爆破效果較頂部起爆方式好。然而這兩種起爆方式爆破強度大,同時應力波在傳播過程中的疊加效應會導致起爆點附近產生高應力區,另一端則為低應力區,應力分布極不均勻。相較于單點起爆,兩端同時起爆爆破強度適中,應力分布均勻,最有利于有害效應控制[3]。因此,選用兩端同時起爆方式,在保證爆破效果的同時,有效控制水中沖擊波及地震波等有害效應。

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

2 “傳播過程”控制技術

(1)減震孔。水下爆破工程中,在爆源和保護對象之間設置減震孔是控制爆破地震波有害效應的最主要方法。減震孔相當于在爆源及被保護對象中間形成爆破隔離帶,當地震波傳遞至減震孔時,由于傳播介質發生了改變,使得地震波在減震孔界面產生反射,從而大量消耗地震波能量[4]。為達到最佳減震效果,減震孔深度應比炮孔深度深,以減小地震波繞射能量;減震孔應盡可能地靠近爆源和多排布置,并減小減震孔的孔排距,以有利于達到最佳減震效果。

(2)氣泡帷幕。氣泡帷幕是利用空壓機及高壓膠管等裝置所噴射出的高壓氣體,在爆區與被保護對象中間形成一睹帷幕狀“空氣墻”。水下鉆孔爆破過程中所產生的水擊波傳播至氣泡帷幕時會使氣泡產生壓縮,水擊波能量轉化為氣泡壓縮所需要的內能,從而實現對水擊波能量的“卸載”作用。

3 爆破安全判據

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

針對橋梁的安全允許標準較少,DOWDING[5]提出了針對橋梁爆破振動速度允許值為5.08 c m/s。該規定以橋墩頂部為主要控制點,其振速允許值見表1[6]。鐵路安全法中對于爆破作用下鐵路橋梁振速安全標準有明確規定,一般橋梁可以加以借鑒。

表1 橋梁爆破振動速度安全允許值

4 工程應用

長江上游九龍坡至朝天門河段航道建設工程對九龍坡至朝天門河段22 k m長河段進行綜合整治。其中磚灶子礁石長約400 m,寬約150 m,頂部高為171 m,緊鄰李家沱長江大橋。

4.1 控制技術方案

為了有效地減小爆破地震波與水擊波有害效應,保護緊鄰橋梁結構,提出了水下鉆孔爆破地震波與水擊波有害效應控制技術方案如下。

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

(2)“傳播過程”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,距被保護對象5 m,有效寬度3～4 m。

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

4.2 控制效果監測與評價

(1)氣泡帷幕效果。施工現場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,自下而上運動直至水面已形成連續的帷幕,形成的氣泡帷幕有效寬度為3～4 m。

圖2 現場氣泡帷幕效果

為了分析氣泡帷幕對水擊波的削減效果,在氣泡帷幕前后布置了3個監測點,各測點均懸吊于水下7 m處(平均水深1/2左右),共進行了4次監測。水擊波壓力監測結果見表3。

由表3可知,爆破水擊波經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 水擊波壓力監測結果

由現場試驗可知,本工程中氣泡帷幕削減效果較好,水擊波經氣泡帷幕削減后峰值壓力已經降低到安全控制值0.2 MPa以下,能夠滿足現場對水擊波的控制要求。

(2)橋墩監測。為了確保緊鄰橋梁結構安全,在李家沱長江大橋北橋墩和南橋墩設置振動監測點,現場監測結果如圖3所示。

圖3 橋墩振動速度監測值

現場施工采用兩條鉆爆船同時進行,其中“鉆探三號”鉆爆船進行距橋墩較遠處礁石爆破施工,“長鷺一號”鉆爆船則負責橋墩近區礁石爆破施工。

由圖3可知,由于水下鉆孔爆破施工由距橋墩從近到遠的方向進行施工,隨著施工的進行,橋墩監測點的振動速度逐漸降低;“鉆探三號”鉆爆船施工區域距李家沱北橋墩較遠,橋墩受其影響較小,監測點峰值振動速度明顯小于“長鷺一號”鉆爆船的爆破振動;橋墩峰值振動速度最大值為0.955 c m/s,小于李家沱大橋安全振動速度控制值1 c m/s,說明采用上述控制技術能夠有效地降低爆破地震波與水擊波有害效應,保護了緊鄰橋墩的結構安全。

5 結語

水下鉆孔爆破地震波與水擊波對緊鄰爆區橋梁影響較大,引起結構振動與損傷,威脅橋梁整體穩定性。針對緊鄰橋梁水下鉆孔爆破特點,提出了爆源、傳播過程的控制技術和爆破安全判據,并應用于實際工程。

在磚灶子礁石炸礁中,提出了一套優化的水下鉆孔爆破控制技術方案,水擊波強度降低了90%以上,爆破振動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。