彭亚雄,苏莹,吴立

(1.湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室, 湖南 湘潭市 411201;2.中国地质大学(武汉) 工程学院, 湖北 武汉 430074)

水下钻孔爆破是一种水下岩体破碎的最有效方式,广泛应用于航道、码头、港口等建设工程中[1]。炸药爆炸在岩层中形成地震波,在水域中形成水击波,势必引起紧邻爆区桥梁、建筑结构振动与损伤,对结构物安全造成不利影响[2]。为了减少爆破对桥梁结构的影响,保证水下钻孔爆破施工安全,需要对紧邻桥梁水下钻孔爆破控制技术进行研究,有效降低爆破地震波与水击波强度。

1 “爆源”控制技术

1.1 控制装药量

水下钻孔爆破施工中控制装药量主要包括单段最大药量和总药量,其中单段最大药量是影响爆破地震波与水击波强度的最主要因素。该值过大则爆破有害效应将危及周边建(构)筑物安全,同时岩石抛掷距离过大也不利于清渣;该值过小则达不到预期爆破效果。因此,单段最大药量的控制主要考虑爆破对环境的影响,实际工程中应根据现场试验及数值模拟,分析爆破地震波与水击波传播规律,确定单段最大药量的控制值。若实际施工环境无法满足时,则需考虑采用“传播过程”控制技术、分层爆破技术或者孔内微差技术。

1.2 选用合理微差时间

水下钻孔爆破合理微差时间的选用依据包括爆区地形地质条件、台阶抵抗线长度、炸药破岩效果、振动控制要求等。过大的延时间隔将增加后续炸药殉爆率,微差时间过小则会导致自由面形成不够充分,影响后续爆破效果。为获得合理微差时间,可采用下列经验公式加以计算:

式中:Δt——微差时间;ms;

W——抵抗线长度,m;

f——被爆岩体坚固系数

K p——被爆岩体裂隙系数。

1.3 优化起爆方式

(1)调整起爆点位置。水下钻孔爆破通过雷管起爆,根据雷管数量可以将起爆方式分为单点起爆及两点起爆,单点起爆方式又可以根据雷管位置分为顶部起爆、底部起爆,起爆方式如图1所示。

图1 起爆方式

底部起爆爆轰波由孔底向顶部传播,延长了爆轰产物在炮孔内的作用时间,爆破效果较顶部起爆方式好。然而这两种起爆方式爆破强度大,同时应力波在传播过程中的叠加效应会导致起爆点附近产生高应力区,另一端则为低应力区,应力分布极不均匀。相较于单点起爆,两端同时起爆爆破强度适中,应力分布均匀,最有利于有害效应控制[3]。因此,选用两端同时起爆方式,在保证爆破效果的同时,有效控制水中冲击波及地震波等有害效应。

(2)调整起爆方向和起爆顺序。水下钻孔爆破的起爆方向应尽量选择从深水向浅水,从临空面较好的方面布设,起爆排列方面应尽量避开直接面对被保护对象,使水中冲击波峰值避免直接冲击被保护对象。起爆顺序则应该先起爆距保护对象最近的炮孔,然后由近及远依次爆破,保护对象将主要受到第一段起爆所产生的较低的水击波影响,后续炮孔产生的水击波将受到爆渣、爆生气体的阻挡和干扰。

2 “传播过程”控制技术

(1)减震孔。水下爆破工程中,在爆源和保护对象之间设置减震孔是控制爆破地震波有害效应的最主要方法。减震孔相当于在爆源及被保护对象中间形成爆破隔离带,当地震波传递至减震孔时,由于传播介质发生了改变,使得地震波在减震孔界面产生反射,从而大量消耗地震波能量[4]。为达到最佳减震效果,减震孔深度应比炮孔深度深,以减小地震波绕射能量;减震孔应尽可能地靠近爆源和多排布置,并减小减震孔的孔排距,以有利于达到最佳减震效果。

(2)气泡帷幕。气泡帷幕是利用空压机及高压胶管等装置所喷射出的高压气体,在爆区与被保护对象中间形成一睹帷幕状“空气墙”。水下钻孔爆破过程中所产生的水击波传播至气泡帷幕时会使气泡产生压缩,水击波能量转化为气泡压缩所需要的内能,从而实现对水击波能量的“卸载”作用。

3 爆破安全判据

水下钻孔爆破工程爆破安全判据主要包括爆破水击波峰值压力安全控制标准和不同类型建(构)筑物的振动响应安全控制标准。利用安全标准反算可以得到爆破安全距离及安全药量。

针对桥梁的安全允许标准较少,DOWDING[5]提出了针对桥梁爆破振动速度允许值为5.08 c m/s。该规定以桥墩顶部为主要控制点,其振速允许值见表1[6]。铁路安全法中对于爆破作用下铁路桥梁振速安全标准有明确规定,一般桥梁可以加以借鉴。

表1 桥梁爆破振动速度安全允许值

4 工程应用

长江上游九龙坡至朝天门河段航道建设工程对九龙坡至朝天门河段22 k m长河段进行综合整治。其中砖灶子礁石长约400 m,宽约150 m,顶部高为171 m,紧邻李家沱长江大桥。

4.1 控制技术方案

为了有效地减小爆破地震波与水击波有害效应,保护紧邻桥梁结构,提出了水下钻孔爆破地震波与水击波有害效应控制技术方案如下。

(1)“爆源”控制。包括炸药品种;装药量;微差时间;起爆点位置,两端同时起爆;起爆方向由深水至浅水,避开直接面对桥墩;起爆顺序由近及远。

(2)“传播过程”控制。包括减震孔,两排,D=100 mm,孔排距为200 mm×300 mm,超深2 m,距爆源4 m;气泡帷幕,距被保护对象5 m,有效宽度3～4 m。

(3)爆破安全判据。包括允许振速1 c m/s;允许水击波压力0.2 MPa。

4.2 控制效果监测与评价

(1)气泡帷幕效果。施工现场水下钻孔爆破及气泡帷幕效果如图2所示。从气泡帷幕形成效果来看,水面有气泡密集翻出,表明气泡流量满足要求,气泡由于浮力作用,自下而上运动直至水面已形成连续的帷幕,形成的气泡帷幕有效宽度为3～4 m。

图2 现场气泡帷幕效果

为了分析气泡帷幕对水击波的削减效果,在气泡帷幕前后布置了3个监测点,各测点均悬吊于水下7 m处(平均水深1/2左右),共进行了4次监测。水击波压力监测结果见表3。

由表3可知,爆破水击波经气泡帷幕衰减后峰值压力由256.1 k Pa、242.8 k Pa和192.6 k Pa分别降至24.1 k Pa、21.4 k Pa和16.8 k Pa,削减率分别为90.1%、91.1%、90.5%。

表3 水击波压力监测结果

由现场试验可知,本工程中气泡帷幕削减效果较好,水击波经气泡帷幕削减后峰值压力已经降低到安全控制值0.2 MPa以下,能够满足现场对水击波的控制要求。

(2)桥墩监测。为了确保紧邻桥梁结构安全,在李家沱长江大桥北桥墩和南桥墩设置振动监测点,现场监测结果如图3所示。

图3 桥墩振动速度监测值

现场施工采用两条钻爆船同时进行,其中“钻探三号”钻爆船进行距桥墩较远处礁石爆破施工,“长鹭一号”钻爆船则负责桥墩近区礁石爆破施工。

由图3可知,由于水下钻孔爆破施工由距桥墩从近到远的方向进行施工,随着施工的进行,桥墩监测点的振动速度逐渐降低;“钻探三号”钻爆船施工区域距李家沱北桥墩较远,桥墩受其影响较小,监测点峰值振动速度明显小于“长鹭一号”钻爆船的爆破振动;桥墩峰值振动速度最大值为0.955 c m/s,小于李家沱大桥安全振动速度控制值1 c m/s,说明采用上述控制技术能够有效地降低爆破地震波与水击波有害效应,保护了紧邻桥墩的结构安全。

5 结语

水下钻孔爆破地震波与水击波对紧邻爆区桥梁影响较大,引起结构振动与损伤,威胁桥梁整体稳定性。针对紧邻桥梁水下钻孔爆破特点,提出了爆源、传播过程的控制技术和爆破安全判据,并应用于实际工程。

在砖灶子礁石炸礁中,提出了一套优化的水下钻孔爆破控制技术方案,水击波强度降低了90%以上,爆破振动速度也控制在安全值1.0 c m/s以下,顺利完成了炸礁施工。研究成果可为紧邻桥梁水下钻孔爆破施工提供参考。