张恩桥ZHANG En-qiao

（中铁二十五局集团第四工程有限公司，柳州 545007）

1 工程概况

湘桂铁路柳州枢纽扩能改造柳州双线特大桥位于广西柳州市。设计范围DK487+95.457～DK488+784.032，全长为1688.575m，桥梁于DK487+630.96～DK488+268.55处跨越柳江河。其跨河部分与既有衡柳线并行，相距约45m。其17#～22#墩为水中墩，承台底部位于河床的白云质灰岩层内，需水下爆破开挖。爆破开挖尺寸18.0×14.0m，深度2.5～4.0m。岩石为硬度系数f=6～8的弱风化灰岩，呈块状构造，局部有夹层。河床表面覆盖0.6～2.9m厚的砂卵石。承台处水深均超过11.6～22.3m，柳江河为Ⅲ级通航河流，流速1.0～2.0m/s，紊流和漩涡多。受下游红花水电站蓄水发电及船舶过坝的需要，水位不断在1～2m内涨跌变化。

重点保护构筑物为东侧既有衡柳线的铁路桥梁，距离只有45m，东西方向为通航航道，300m范围内无其他重要保护对象；北侧（青茅方向）300m范围内有采砂场及砂场相关建筑物；南侧（柳州西方向）300m为空旷的种植地。

2 施工难点

①相邻运营繁忙的既有线铁路桥仅为45m。且河床基岩为微风化整体灰岩，爆破地震波衰减慢、传输远。水为几乎不可压缩介质，爆破在水中产生比空气中传播更快、更远的冲击波，安全影响比陆上爆破要大。故，控制爆破振动对既有铁路桥梁危害的难度很大。

②水下爆破装药持续时间长，爆破器材需长时间置入水中，有拒爆风险，要求爆破器材具有极高的防水性能。且本项目为深水爆破，要求炸药及器材具有足够抗压性能。

③本项目的深水爆破还具有水流速快、水位变化频繁、紊流和漩涡多等储多不利因素，钻眼、装药、药包定位及爆破网路联接均比陆地爆破的复杂及困难程度要高多了。

④不可压缩水是被爆介质的上覆层，河水对作用在岩石的垂直或侧向压力对爆破效果产生明显的不利影响，且影响程度与水深相关，进行爆破参数设计时需充分考虑。

⑤河床表面覆盖着砂卵层，砂砾石易回落堵孔，造成成孔困难。

3 爆破设计方案

3.1 对爆破方案的要求

科学设计爆破方案，严格控制爆破振动、水冲击波等爆破效应，确保铁路既有桥梁的安全；考虑水深及水流的不利影响，选择优质的爆破器材和先进的施工工艺，确保达到施工要求的爆破效果。

3.2 爆破器材的确定

水下爆破要求要求炸药防水性能好，且密度大于水的密度，以避免上浮。考虑随着水深的加大，炸药的爆炸性能（爆速、猛度）随之衰减严重，为确保在本项目水深程度下的爆炸效果，要求炸药的爆速≥3200m/s，爆力≥260ml，猛度≥12mm。选用福建海峡科化生产的2岩石乳化炸药，技术指标满足上述要求，其药径为90mm，单节药卷长400mm，标称重量3.0kg。密度为1.1～1.25。

3.3 爆破参数

根据类似工程经验和现有设备，选用钻孔直径D=110mm。钻孔布设以减少大块率，开挖面无残留岩埂，尽量避免二次爆破为原则。炮孔采用矩形布置，根据工程经验最小抵抗线取w=1.6m；炮孔间距：根据a=（1.25～1.5）w，取a=2.0m；炮孔排距：根据b=（1.2～1.5）w，取b=2.0m；孔深按3m，钻孔超深略大于陆地爆破，国内水下超钻通常为1.0～1.5m，本工程取h=1.5m。

3.4 炸药单耗

与陆上爆破不同，水压力作用于被爆介质上，炸药部分爆力需克服水体压力，故，水下爆破炸药单耗量要较陆上大。根据《爆破设计与施工》，水下钻孔爆破单耗可按q=K+（0.05～0.15）H0。式中：K为陆地类似岩石松动爆破的单位耗药量（kg/m3），按0.45取值；H0为水深（m），按施工水位计算；经试爆和考虑水文地质条件进行调整后。本项目炸药单耗计算按q=0.45+0.11H2。

为了切实做好对农田水利建设的信贷支持，2011年，按照中央1号文件的要求，银监会专门印发了《关于全面做好农村金融服务工作的通知》，对银行业金融机构深入做好水利建设的金融服务进行了重点部署。2012年2月，银监会又会同人民银行、发改委、财政部、水利部、证监会、保监会联合下发了《关于进一步做好水利建设改革发展金融服务的意见》，进一步明确了相关的政策和要求。

本项目水下爆破最大水深为22.3m，则单孔最大装药量为：Qmax=q×a×b×H=（0.45+0.12×22.3）×2×2×3=37.5kg。

3.5 起爆网路

为了确保邻近既有铁路营运安全，使爆破的地震波减到最少，同时也要确保岩体破碎效果。采用数码电子雷管逐孔微差爆破法。

数码电子雷管及相应的引爆系统革新了爆破技术。该爆破系统简化了施工操作，减少了布网时间。数码电子雷管使精准逐孔微差爆破得以真正实现。实践表明，精准的微差能够有效避免相邻爆破的振动叠加，可明显减少爆破振动，改善岩石破碎程度。

类比试验表明，采用数码电子雷管精准控制微差时，微差为25ms即可避免振动的叠加（普通电雷管需微差为50ms及以上才能避免振动叠加）。孔间起爆采用间隔25ms的时差，每孔内装2发数码雷管，确保无哑炮。

4 爆破施工工艺

4.1 钻爆船的改装和定位

根据工程特点和工程量，用一艘炸礁船装备6台垂直固定式100型潜孔钻机，潜孔钻机机距为2.0m，钻孔直径110mm，一次开钻可同时完成6孔的钻机工作，满足钻孔爆破的进度要求。

钻爆船两侧各设置4个锚缆长度为100m边锚以控制钻爆船横向移动，单个锚重为3t，4个边锚抛成八字形。钻爆船前后设置2个锚缆长度为200m的主锚控制钻爆船纵向移动。钻爆船的移位通过绞锚进行。

在河岸上架设控制基站，采用2台RTK+DGPS全球卫星定位系统对钻爆船进行精确定位。将炮眼定位坐标输入测量软件中，根据GPS测定的数据，指挥钻爆船的移动，以确保炮眼位置准确，误差不超过20cm。

4.2 炮眼钻孔

由于爆破区域河床表面覆盖有砂砾石层，砂砾石易回落堵孔，造成成孔困难或是孔深不足。

钻孔采用双套管钻进工法（如图1所示）。该工法可在有深厚覆盖层及大流速下钻孔。该钻机通过管接头把双套管及钻杆与潜孔钻机联接。外套管直径为80cm，起到定位炮孔及保护钻具不受流水冲击的作用。内套管直径15.3cm，端头设有环形钻头，可穿越覆盖层后，再钻入基岩内10～12cm，起到护孔及钻孔、装药的导向作用。

钻孔前先下外套管至河床面，并与河床面顶紧。然后下内套管，钻进基岩内10～12cm后停止。最后下钻头钻杆，在内套管的保护下旋转、冲击钻进至要求的深度。钻孔至设计深度后，吹除孔内钻渣，提起钻杆，进行装药。

4.3 装药结构及堵塞

孔内采用直径90mm，长400mm，重3.0kg的药卷加工成药柱装药，药柱装内装双雷管，分别装在距药柱两端头1/3长度处。药柱用吊炮绳绑扎，钻好孔，加工好药柱后。用吊炮绳提起药柱慢慢的将药柱送入孔口中，并用竹篙将药柱轻轻的送到孔底，药柱送到孔底并检查合格后，再向孔内装填沙袋，将孔口填满，用竹篙轻轻将孔口泥沙压实。

图1双套管水下钻孔示意图

4.4 起爆接线操作和起爆

全部炮孔装药完成后，将各炮孔引出的雷管脚线逐个插入电子雷管编码器，按照爆破设计确定每个炮孔炸药起爆的延时时间（炮眼布设及延时设置如图2所示）。设置完毕后，专用作业船离开爆破区域，驶离到安全水域。所有起爆雷管脚线集中到一艘小船，按照爆破设计联接到起爆主线上。起爆网路接头用电工胶布缠绕4～5层，接头长度在15cm左右。起爆网路用木棍或者竹棍系好，必要时绑上红色或深颜色布条。防护就绪后按电子数码雷管爆破系统的作业规程引爆。

4.5 爆破安全校核及控制

水下爆破的有害效应主要是爆破地震波、水中冲击波以及飞石。

4.5.1 爆破地震波安全距离校核

根据爆破环境，既有铁路桥墩为本项目振动保护对象，距离按45m计算；由《铁路工程爆破振动安全技术规程》（TB10313-2019）的规定：预应力混凝土桥爆破振动安全允许值[v]=5～6cm/s，按最小取值取5.0cm/s。并按该规程第14页的（5.3.5）式计算本项目最大单孔装药量时质点振动速度峰值。爆破岩石为中硬岩，介质系数K取250，衰减系数a取1.6。本项目最大单孔装药量为37.5kg，爆破振动在允许范围内。

根据公式来验算：Q=R3（V/K1）3/α计算单孔允许最大起爆药量：Q=453（5/250）3/1.6=59.4kg。

可见，最大齐爆装药量满足确保铁路既有桥梁振动安全的要求。

4.5.2 水中冲击波对人员、船舶的安全距离

据《爆破安全规程》（GB6722-2014）规定。最大齐爆量为37.5kg时，安全距离分别为：①游泳人员：500m；②潜水人员：600m；③木船：100m；④铁船：70m。爆破前按上述安全距离进行防护。

4.5.3 个别飞散物安全距离

根据以往的施工经验，水深超过6m的水下钻孔爆破不会产生对地面及水面人员有安全影响的飞石。因本项目爆破点水深均超10m，故不会产生飞石。

4.5.4 设置减震孔降低爆破强度

图2眼布设及延时设置示意图

为了进一步降低爆破振动对既有铁路桥梁的影响，在爆破点与既有铁路桥间增设双排减震孔。减震孔的孔底标高低于爆破孔2m以上，减震孔直径为110mm，排距、孔距分别为1.0m、0.3m。减震孔在爆破区与既有桥墩间形成隔离缓冲带，加速了地震波衰减，有效降低了地震波对桥墩的影响。根据统计数据，减震孔的衰减作用能将爆破质点振速值降低20～30%。

5 其他控制措施

5.1 试验爆破

在正式爆破前，在施工区附近选择了周边300m内无保护物的安全区域进行试爆。分别按不同装药量进行了试验爆破，监测与爆破点45m距离处各方向质点的振动速度，收集好相关数据，进一步验证爆破作业对既有铁路桥梁的影响程度，同时也为及时调整、优化爆破参数提供科学依据。试爆装药量范围为2.5～52.5kg，分19次按级差为2.5kg进行。试爆所得的装药量与振速峰值关系曲线如图3所示。

图3装药量与振速峰值关系曲线图

从图3装药量—振速回归曲线可看出比，实际振速比理论计算值稍高。因为理论计算值仅计算了地震波的振速，而实测值是包含了叠加水中冲击波后的综合振速，故数值偏大。从实测数据的回归分析曲线可得：当最大单孔装药量为37.5kg时，实际综合振速为4.3cm/s＜[v]=5cm/s，能确保既有铁路桥梁的安全。

5.2 进行爆破振动监测

为确保既有桥梁结构的绝对安全，在既有铁路桥桥墩处布置测点，爆破期间全程监测桥墩各方向的质点振速峰值。根据监测结果及爆破效果以指导施工，调整爆破参数。第1次爆破时按最大设计药量的50%当量装药试爆，分析监测结果，评估设计装药量不会给铁路桥梁带来安全影响后，再按设计装药量进行爆破。避免出现超过安全允许振速的情况。

5.3 施工协调

与铁路部门加强沟通联系，建立安全联动机制，建立定期巡查机制，及时更新沟通相关信息。并通过设置驻站联络员准确利用高铁经过的间隔期启爆，在铁路部门允许的时间段内起爆，减小爆破施工对既有铁路营运影响。

6 结束语

在爆破目标的位置、装药量、爆破参数、爆破方式及传播介质等各种不同复杂因素的影响下，很难准确评估爆破的地震效应。水下爆破的地震效应就更为复杂，不仅受上述所列因素的影响，还受水流速度、水深度等的影响。故在实际施工时，首先在理论研究的基础上制定出安全科学的爆破方案外，还需通过实地试爆，对试爆结果进行分析及研究，作为爆破安全的判据，方能从根本上确保邻近建筑物的安全。