臨近既有線橋梁爆破防護(hù)技術(shù)

郭　煜

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司一公司　鄭州　450053)

臨近既有線橋梁爆破防護(hù)技術(shù)

郭煜

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司一公司鄭州450053)

摘要新白沙沱長江特大橋3號墩位于長江深水區(qū)，臨近既有運營鐵路橋梁，施工前需爆破清理河床基底。文中通過合理選擇施工機(jī)具和爆破物品、采用水下微差爆破技術(shù)，根據(jù)震動監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化爆破參數(shù)，布設(shè)減震孔等方法降低了爆破振速和地震波強(qiáng)度，解決了水下爆破對臨近既有鐵路橋梁的安全控制難題。

關(guān)鍵詞臨近既有線橋梁控制爆破防護(hù)減振孔

爆破作業(yè)是一項對安全要求極高的特殊作業(yè)。不僅作業(yè)本身存在危險，而且爆破實施過程中產(chǎn)生的飛石、震動波、水中沖擊波等都會對周邊環(huán)境的安全產(chǎn)生影響。新白沙沱長江特大橋3號墩位于長江深水中，距上游側(cè)老白沙沱鐵路橋最近距離為84 m(見圖1)，采用常規(guī)爆破對正常運營的老白沙沱鐵路橋的影響較大，經(jīng)過方案比選，并經(jīng)鐵路相關(guān)單位評審，確定采用毫秒延時爆破方式，同時結(jié)合臨近既有線的安全防護(hù)措施，炸除了3號墩處的礁石，取得了良好的效果。

1工程概況

新白沙沱長江特大橋位于重慶市大渡口區(qū)跳蹬鎮(zhèn)與江津區(qū)珞璜鎮(zhèn)接壤地帶。新白沙沱長江特大橋分為渝黔客車線、渝黔貨車線和渝湘預(yù)留通道3部分。主橋布置為81 m+162 m+432 m+162 m+81 m鋼桁梁斜拉橋，全長920.4 m。大橋距上游既有渝黔鐵路白沙沱長江大橋約100 m，見圖1。

圖1　新建線和既有線距離圖

3號墩為主塔墩，位于長江深水區(qū)，爆破工程量的約15 000 m3，開挖區(qū)長73 m，寬41 m，面積約2 993 m2。本工程爆破范圍內(nèi)貴陽側(cè)上游有小部分露出水面的礁石，大部分為水下爆破，爆破區(qū)地質(zhì)為砂巖、頁巖夾砂巖。

2爆破施工影響

水下爆破施工中除了要保證不發(fā)生爆破作業(yè)現(xiàn)場的安全事故，杜絕爆破物品丟失事故發(fā)生外，更重要的是要確保爆破施工不影響施工區(qū)河段過往船舶，特別是既有渝黔鐵路大橋的營運安全。

爆破施工的影響主要包括3個方面：減震孔對周邊建(構(gòu))筑物的影響；陸上爆破飛散物(飛石)對周邊的影響；爆破沖擊波(水中沖擊波和空氣沖擊波)對水上船舶和人員的影響[1]。在本次爆破施工過程中，減震孔對周邊建(構(gòu))筑物的影響主要通過控制保護(hù)對象(主要是距離爆破區(qū)域最近的現(xiàn)有鐵路大橋橋墩)處的質(zhì)點峰值振動速度在安全范圍內(nèi)來保證建筑物的安全[2]；陸上爆破飛散物(飛石)通過選擇合理的爆破參數(shù)、對爆破區(qū)進(jìn)行全覆蓋，不會產(chǎn)生飛石，并確定合理的爆破安全警戒距離來保證周邊不受飛石影響；水下爆破產(chǎn)生的水中沖擊波和陸上爆破產(chǎn)生的空氣沖擊波根據(jù)爆破安全規(guī)程確定安全距離，不會對周邊船舶和人員產(chǎn)生影響[3]。

3露出水面礁石鉆孔爆破

3號墩爆破范圍內(nèi)貴陽側(cè)上游有小部分露出水面的礁石，施工船舶無法進(jìn)行水下鉆孔爆破施工，須將露出水面的礁石炸除到一定標(biāo)高(水面以下，滿足鉆爆船舶吃水要求)后再采用鉆爆船進(jìn)行水下鉆孔爆破施工。露出水面的礁石采用淺孔爆破施工方法進(jìn)行施工。因礁石露出水面，為避免爆破產(chǎn)生飛石和空氣沖擊波，影響鐵路安全，采用手持風(fēng)鉆進(jìn)行小孔徑鉆孔爆破施工，按照少藥量、多次爆破的原則進(jìn)行。每次爆破做好防飛濺防護(hù)。

3.1　設(shè)備及參數(shù)選擇

(1) 鉆孔設(shè)備和孔徑。Y-23~26風(fēng)鉆，孔徑42 mm。

(2) 爆破器材選用乳化炸藥，毫秒延期電雷管，避免爆破地震波的疊加。

(3) 炮孔布置和爆破網(wǎng)路。布孔方式采用單排炮孔和多排炮孔2種。雷管采用毫秒延期電雷管，每孔使用一發(fā)，沿河心方向開始布孔，即先外側(cè)后內(nèi)側(cè)布孔，前排孔先爆，后排孔后爆，相鄰2排電雷管起爆時間間隔為50 ms，獲得較好的爆破效果。炮孔間爆破網(wǎng)路的連接采用串聯(lián)聯(lián)接，使用“1000發(fā)”即發(fā)式起爆器起爆，以確保通過每個電雷管的電流不小于2 A。

3.2　預(yù)防爆破個別飛散物(飛石)

根據(jù)爆破安全規(guī)程，水深大于6 m時，不考慮飛石影響，但本工程有部分水深小于6 m的礁石，對于這部分礁石的爆破施工，必須嚴(yán)格控制爆破飛石，爆破采取淺孔爆破同時使用以下防護(hù)措施。

(1) 個別飛石影響距離(R)。

R=20Kn2W=20×1.5×12×1.5=45m

式中：R為個別飛石影響半徑，m；K為與巖石性質(zhì)、地形、地質(zhì)氣象有關(guān)的系數(shù)，取值范圍1.0～1.5，該處取1.5；n為最大一個藥包的爆炸作用指數(shù)，n=1 時，形成的爆破漏斗稱為標(biāo)準(zhǔn)拋擲漏斗，13 時，爆破巖石很少，無使用價值)，0.75

爆破區(qū)與運營鐵路橋橋墩承臺最近點距離為84 m，飛石影響距離為45 m，個別飛石對運營鐵路橋梁無影響。

(2) 合理布孔，優(yōu)化爆破參數(shù)。爆破飛石產(chǎn)生的主要原因在于沒有選擇好合理的爆破參數(shù)，特別是最小抵抗線大小和方向，因此，在施工中要選定正確的最小抵抗線和單耗藥量、單孔裝藥量。根據(jù)鉆孔期間地形變化及時調(diào)整孔位，根據(jù)暴露的深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)(鉆孔速度變化及巖粉)調(diào)整單耗，通過試爆和振速監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化修正各爆破參數(shù)[4]。

(3) 精心施工。逐個檢查炮孔、孔位、孔徑、孔深、傾斜角度，是否暢通，有無積水；發(fā)現(xiàn)問題及時補救。嚴(yán)格控制裝藥長度與單孔藥量；確保填塞密實和填塞長度，填塞物內(nèi)不含碎石。

(4) 覆蓋防護(hù)。按安全要求，采用爆破體覆蓋法預(yù)防爆破個別飛散物(飛石)危害，起爆前在爆區(qū)巖石上覆蓋鐵皮、草墊等，必須將爆破區(qū)完全覆蓋，首先覆蓋1層鐵皮，然后在鐵皮上覆蓋草墊，最后覆蓋砂袋，防止產(chǎn)生飛石，見圖2。

圖2　覆蓋防護(hù)示意圖

4水下鉆孔爆破

水下爆破采用毫秒微差爆破方式，用于水下鉆孔爆破作業(yè)的施工船舶為：鉆爆船、交通艇、拋錨艇、操舟艇等。疏浚船舶為：挖泥船、泥駁、拖船。鉆爆船由GPS進(jìn)行精確定位后，在需要鉆孔的位置下套管、鉆桿，進(jìn)行水下鉆孔作業(yè)。當(dāng)鉆至預(yù)定深度后，起升鉆桿，經(jīng)檢查孔深后，進(jìn)行裝藥、堵塞和聯(lián)線作業(yè)。一個排次鉆完后，按預(yù)定的排距移動鉆爆船，再進(jìn)行下一排鉆孔作業(yè)。達(dá)到規(guī)定的單段藥量后，移動鉆爆船到安全區(qū)，并確認(rèn)所有船舶、機(jī)械設(shè)備和人員均處于安全區(qū)后，發(fā)令通電起爆。至此，一炮次結(jié)束，照此循環(huán)進(jìn)行施工。

4.1　爆炸物品種類的選取

為獲得較好的爆破效果，采用防水性能較好的乳化炸藥，并使用PVC管加工包裝，防止藥柱變形。雷管采用段發(fā)電雷管，采用微差分段爆破以減小爆破地震波和水下沖擊波。炸藥和雷管在使用前必須進(jìn)行檢驗和試驗，必要時采用防水藥包進(jìn)行防水處理，以確保性能和安全。

4.2　進(jìn)行減震孔安全驗算，嚴(yán)格控制單段起爆藥量

(1) 單孔裝藥量計算公式

Q=q0abH0

式中：Q為單孔裝藥量，kg；q0為水下爆破單位炸藥消耗量，kg/m3，根據(jù)巖石硬度、孔排距、及實際施工經(jīng)驗及挖泥的性能等因素確定，取q=1.3 kg/m3；a為炮孔間距，m，a=2.0 m；b為炮孔排距，m，b=2.0 m；H0為鉆孔深度，m，鉆孔深度由爆破層厚度決定，該區(qū)域最大爆破區(qū)厚度為14 m，為降低爆破藥量，擬采用分層爆破施工，分層厚度為5 m，當(dāng)爆破層厚度超過5 m時進(jìn)行分層，則鉆孔深度取為5 m。

首排炮孔裝藥量由下式計算

Q=0.9q0abH0=0.9×1.3×2×2×5=23.4kg

正常炮孔裝藥量計算為

Q=q0abH0=1.3×2×2×5=26kg

(2) 根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)，采用保護(hù)對象峰值質(zhì)點振動速度來衡量減震孔對保護(hù)對象的影響程度。

根據(jù)設(shè)計文件(大橋抗震6級)和以往施工經(jīng)驗，結(jié)合大橋的重要性，將爆破安全振速控制在1.5 cm/s以內(nèi)。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，最大單段起爆藥量計算如下(爆破區(qū)為堅硬或中硬巖石)。

式中：V為質(zhì)點峰值振動速度，cm/s，最大安全振速取為1.5 cm/s；K為與爆破點地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的系數(shù)，取為220；α為與爆破點地質(zhì)等條件有關(guān)的衰減指數(shù)，考慮到減震孔的衰減作用，取為1.7；R為爆破地震安全距離，取80 m；Q為最大一段裝藥量，根據(jù)計算，控制在70 kg以內(nèi)。

計算如下。

V=220×(701/3/80)1.7=1.42cm/s<1.5cm/s

故單次起爆最大一段藥量在70 kg以內(nèi)時，振速V<1.42 cm/s，在安全范圍之內(nèi)，即80 m以外的鐵路大橋是安全的。

4.3　采用微差爆破降低地震波

4.3.1微差爆破的作用

微差爆破是指在爆破施工中采用一種特制的毫秒延期雷管，以毫秒級時差順序起爆各個(組)藥包的爆破技術(shù)。微差爆破的先爆孔為后爆孔增加新的自由面，后起爆藥包是在相鄰先起爆藥包的應(yīng)力、震動作用下處于預(yù)應(yīng)力的狀態(tài)中(即應(yīng)力波尚未消失)起爆的，2組爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加，可以加強(qiáng)爆破破碎效果。并使爆破地震能量在時間和空間加以分散，使地震強(qiáng)度大大降低，同時兩組地震波還會相互干擾，也會削弱地震波的強(qiáng)度。因此，本工程采用微差爆破作為控制爆破的主要措施之一[5]。

4.3.2微差時間的確定

微差起爆間隔時間的確定，是一個十分重要的技術(shù)參數(shù)，合理的間隔時間，應(yīng)以達(dá)到形成新自由面的時間最合理，破碎質(zhì)量最佳，減震效果最好為原則。

微差間隔時間采用經(jīng)驗公式計算

Δt=KpW(24-f)

式中：Δt為微差時間，ms；Kp為巖石裂隙系數(shù)，裂隙少時Kp取0.5，裂隙中等時Kp取0.75，裂隙發(fā)育時Kp取0.9；W為最小抵抗線；f為巖石硬度系數(shù)。

取Kp=0.75，W=4 m，f=6，按上式計算，Δt=54 ms。根據(jù)經(jīng)驗，結(jié)合爆破分層厚度和巖石裂隙情況，本工程微差間隔時間取50～75 ms。

4.4　設(shè)置減震孔降低爆破強(qiáng)度

減震孔就是在減震孔的隔離緩沖地帶，鉆出一排一排的許多深孔(孔深視爆破深度而定)，當(dāng)爆破的震動波傳至此地帶時，就會被這些孔吸收消耗掉大部分震動的能量，使隔離帶后面的區(qū)域受到的震動大大減小。

4.4.1減振原理

振波在地下遇到不同的介質(zhì)時，介質(zhì)間差異越大，則振波越容易反射而不易穿過介質(zhì)分界面。因此，通過設(shè)置減震孔改變原來的介質(zhì)，從而達(dá)到減振的目的[6]。

4.4.2減振孔的設(shè)置

在距老白沙沱大橋的橋墩與爆破區(qū)之間，距老橋約50 m位置，鉆2排減震孔，鉆孔深度超過爆破設(shè)計底高2.0 m，排距1.0 m，孔距0.3 m，孔徑110 mm，鉆孔范圍長60 m，把爆破區(qū)與橋墩隔離開，使減震孔在此衰減很快，形成了一很好的隔離緩沖地帶，從而大大減小了減震孔對橋墩的影響。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，減震孔的衰減作用能將爆破質(zhì)點振速值降低20%～30%[7]。

5其他控制措施

5.1　進(jìn)行爆破振動監(jiān)測

為保證爆破安全，聘請有資質(zhì)的單位對爆破時大橋橋墩的質(zhì)點峰值振速進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果修正爆破藥量，確保大橋安全。監(jiān)測時在大橋橋墩處布置測點，監(jiān)測質(zhì)點各個方向的振動速度，施工時應(yīng)首先小藥量施工，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果逐步加大單段藥量(但不得大于70 kg)，避免開始施工就發(fā)生超過安全允許振速的情況。

5.2　試驗爆破

在開始爆破前，在施工區(qū)附近選一處周圍無建筑物和民房的安全區(qū)域進(jìn)行試爆，分別按設(shè)計藥量的50%，60%，70%，80%進(jìn)行爆破，同時監(jiān)測質(zhì)點振動速度，以進(jìn)一步驗證設(shè)計藥量的安全性。

5.3　與鐵路管理部門密切聯(lián)系和配合，在鐵路部門允許的時間段內(nèi)起爆

為減小爆破施工對既有渝黔鐵路營運影響，爆破作業(yè)宜安排在白天進(jìn)行，爆破作業(yè)時段為07：00～19：00，爆破作業(yè)前與鐵路部門加強(qiáng)聯(lián)系，密切配合，必須在鐵路部門允許的時間段進(jìn)行爆破。每天爆破約5炮次，每炮次爆破時間在20 min內(nèi)完成。

6結(jié)語

本工藝對露出礁石部分采用淺孔爆破并采取覆蓋措施，水下礁石采用毫秒微差控制爆破，控制單段最大起爆藥量，控制爆破安全振速，結(jié)合設(shè)置減振孔等一系列安全措施，消除了爆破對既有線橋梁老白沙沱鐵路橋的影響，臨近既有線橋梁控制爆破取得成功，為類似工程提供了借鑒和指導(dǎo)。

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[7]楊超.爆破地震波作用下橋梁結(jié)構(gòu)的安全評估[D].西安:長安大學(xué),2009.

Bridge Blasting Protection Technology Close to Existing Line

GuoYu

(China Railway Bridge Bureau Group First Engineering Company Co., Ltd, Zhengzhou 450053, China)

Abstract：The 3#bridge pier of Xinbaishatuo Extra Large Bridge across Yangtze River is located at the deep water area of Yangtze River, it is adjacent to existing railway bridge in operation, and the basement of riverbed needs to be cleared by blasting before construction. Through reasonable selection of construction implements and blasting objects, underwater micro-difference blasting technique is adopted for this engineering, and by optimizing the blasting parameters according to the shock monitoring data and arranging shock-absorbing hole, etc., the blasting vibration speed and intensity of seismic wave are greatly decreased. The safety control problem of nearby existing railway bridge affected by underwater blasting is solved.

Key words:bridge close to existing line; controlled blasting; protection; shock relieve vent

收稿日期：2015-09-25

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.012