控制爆破開挖對崗南水庫新澆混凝土的影響

谷海青

（河北省南水北調(diào)工程建設(shè)管理局，石家莊 050035）

控制爆破開挖對崗南水庫新澆混凝土的影響

谷海青

（河北省南水北調(diào)工程建設(shè)管理局，石家莊 050035）

為滿足水庫防汛安全需要，崗南水庫新增溢洪道抗滑豎井爆破開挖與混凝土澆筑交替進(jìn)行。為控制爆破施工對新澆混凝土的危害，本工程通過試驗(yàn)監(jiān)測應(yīng)力、應(yīng)變、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、聲波等數(shù)據(jù)，得出了新澆混凝土附件的爆破控制標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)施工，也為類似工程施工提供了參考。

控制爆破；新澆混凝土；監(jiān)測；控制標(biāo)準(zhǔn)

水利水電改擴(kuò)建及除險(xiǎn)加固工程中，由于施工場地限制及施工進(jìn)度等原因，往往需要在新澆混凝土附近采用控制爆破進(jìn)行石方開挖。炸藥爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)，是否會(huì)引起新澆混凝土的破壞、降低它的后期強(qiáng)度，是影響工程質(zhì)量和建筑物安全的重要問題，因此要對新澆混凝土附近的爆破開挖進(jìn)行研究。

1 工程概況

崗南水庫位于河北省平山縣，是以防洪、城市供水、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電的綜合性水利樞紐，總庫容11.63億m3，大（I）型水庫。 為確保水庫安全運(yùn)行，需擴(kuò)建新增溢洪道工程。新增溢洪道采用大直徑鋼筋混凝土抗滑豎井來承受挑坎的荷載和利用自身抗剪能力來承擔(dān)閘室以下陡坡至挑坎全段的剩余下滑力。為防止齒墻上、下游較破碎巖體的下滑，滿足深層抗滑穩(wěn)定的需要，保證齒槽開挖的施工安全，設(shè)計(jì)將齒槽劃分為31個(gè)連續(xù)的豎井，分奇偶數(shù)列跳倉開挖。連續(xù)豎井布置圖如圖1。井體斷面為橢圓形，奇數(shù)井為6.6m×4.5m，深20m，偶數(shù)井6m×4m，深15m，奇偶井互相緊貼，接觸面寬2m。奇數(shù)井開挖后即澆筑混凝土，隨后進(jìn)行偶數(shù)序列井的開挖、回填。

圖1 連續(xù)井樁平面布置

由于開挖工程量大，工期緊，施工中爆破開挖與混凝土澆筑相互交錯(cuò)施工。爆破開挖是否會(huì)造成豎井破壞或降低后期強(qiáng)度，如何減少這種不利因素的影響及在施工中采取何種程度的保護(hù)措施是迫切需要解決的重要問題。

2 抗滑樁受力分析和觀測方法

爆破對新澆混凝土的影響涉及諸多因素，包括炸藥品種、藥量、鉆孔質(zhì)量、堵塞質(zhì)量、爆源距離、地質(zhì)情況、邊界條件和混凝土材料的物理力學(xué)特性等，目前還難以從理論上找到簡單而明確的計(jì)算方法求解藥包周圍介質(zhì)的應(yīng)力場，來指導(dǎo)工程實(shí)踐。在爆破工程中，一般采用一維應(yīng)力波模型，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)得到的應(yīng)力波參量核算介質(zhì)受到的最大應(yīng)力并根據(jù)材料的強(qiáng)度理論進(jìn)行判斷，動(dòng)應(yīng)力值超過混凝土材料的極限破壞值則材料被破壞，反之則安全。爆炸應(yīng)力波衰減很快，作用時(shí)間又短，對大體積結(jié)構(gòu)而言，破壞往往是局部的，特別對混凝土拉應(yīng)力造成的破壞范圍較小。因此在新澆混凝土靠近開挖區(qū)一側(cè)，沿不同高程埋入應(yīng)變計(jì)進(jìn)行觀測。

大量現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度可以作為爆破振動(dòng)安全的控制參量，且根據(jù)一維應(yīng)力波關(guān)系，介質(zhì)中某點(diǎn)應(yīng)力值與該處的質(zhì)點(diǎn)振速成正比，振動(dòng)觀測可以與應(yīng)力應(yīng)變觀測互相驗(yàn)證。因此在新澆混凝土內(nèi)部和表面分別埋入速度傳感器進(jìn)行觀測。

除了觀測混凝土的應(yīng)力應(yīng)變和運(yùn)動(dòng)參量來研究爆炸波在混凝土中的傳播和衰減規(guī)律，還可以根據(jù)超聲波來確定爆源周圍混凝土在動(dòng)載作用下的物理力學(xué)特性和內(nèi)部破壞狀態(tài)。如果介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出現(xiàn)開裂或損傷、骨料脫落等就會(huì)造成聲波的繞射或衍射使波速降低，通過爆炸前后混凝土塊體超聲波傳播速度的變化，可以判斷產(chǎn)生破壞的程度。聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性模量之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，而介質(zhì)的彈性模量往往與強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)，因此超聲波觀測還是介質(zhì)抗壓強(qiáng)度的檢測手段之一，根據(jù)聲波的變化來判斷混凝土的強(qiáng)度及隨著齡期增加的強(qiáng)度變化狀況。

3 模擬試驗(yàn)

為了解新澆混凝土在1d、3d齡期時(shí)抵抗爆破振動(dòng)的能力，研究爆破對新澆混凝土的作用規(guī)律，本工程進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在與實(shí)際開挖區(qū)有著類似地質(zhì)條件的開挖齒槽下游側(cè)。在基巖中開挖出1.5m×1.5m×1.5m的正方形深坑并回填混凝土，設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C20，骨料為2級(jí)配。

3.1 測點(diǎn)布置

在混凝土塊體內(nèi)部及表面分別布置應(yīng)變、振動(dòng)和聲波觀測點(diǎn)，平面布置如圖2。

圖2 測點(diǎn)平面布置

圖中①表示3個(gè)應(yīng)變儀按X、Y、Z 3個(gè)互相垂直方向固定在鋼筋焊接的試驗(yàn)支架上，埋入混凝土中；②為振動(dòng)觀測儀器；③為聲波測試孔。

3.2 炮孔布置

3.2.1 1d齡期爆破炮孔布置

炮孔共布置4排，與試塊距離分別為2.5，4.5，8，12m。每排3孔，孔間距25cm，沿軸線對稱布置，孔深2.5m，每孔裝藥600g，每排1.8kg，從孔底連續(xù)裝藥，上部用粘土堵塞。由炮孔與混凝土塊體的距離來調(diào)整爆破產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度。從遠(yuǎn)到近逐次爆破，試塊受到的振動(dòng)影響逐漸增加。1d齡期爆破炮孔布置如圖3。

圖3 1d齡期爆破試驗(yàn)炮孔布置

3.2.2 3d齡期爆破炮孔布置

為了模擬豎井開挖實(shí)際的爆破布孔，3d齡期炮孔采取淺眼密孔的炮孔布置，斜孔為掏槽孔，與地平面夾角為70°，共2排，每排5孔，孔距0.3m，孔深0.8m，每孔裝藥300g，掏槽孔共裝藥3kg。垂直孔共4孔，孔距0.4m，孔深0.8m，每孔裝藥300g，共裝藥1.2kg。斜孔用1段非電雷管起爆，垂直孔用3段非電雷管起爆。3d齡期炮孔布置如圖4。

圖4 3d齡期爆破試驗(yàn)炮孔布置

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 振動(dòng)與應(yīng)變

1d齡期的混凝土塊體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大值水平方向35.67cm/s，豎直方向12.52cm/s，振動(dòng)卓越頻率25～108Hz，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間0.1s。在試驗(yàn)選定的爆源與地質(zhì)條件下，振動(dòng)波的衰減規(guī)律為：

式中 V水平、V垂直為混凝土質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度（cm/s）；Q為藥量（kg）；R為爆源與測點(diǎn)距離（m）。

3d齡期的混凝土試塊質(zhì)點(diǎn)最大振速水平方向30.58cm/s，豎直方向10.75cm/s，振動(dòng)頻率27.8～62.5Hz，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間不到0.1s。

從應(yīng)變測試結(jié)果來看，傳感器均能較好地反應(yīng)應(yīng)變波形，波形上升時(shí)間10ms，作用時(shí)間為數(shù)百毫秒。實(shí)測最大壓應(yīng)變29με，最大拉應(yīng)變30.4με。將實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可得試驗(yàn)塊體1d齡期混凝土的應(yīng)變與炸藥量和距離的關(guān)系式如下：

3d齡期進(jìn)行爆破試驗(yàn)時(shí)，實(shí)測最大壓應(yīng)變22.8με，最大拉應(yīng)變6.24με，雖然此時(shí)大于1d齡期時(shí)試驗(yàn)的最大值而實(shí)測應(yīng)變要小一些。說明隨混凝土強(qiáng)度的增加，受荷載時(shí)的應(yīng)變量相應(yīng)減小。

3.3.2 聲波

爆破前后混凝土的聲波變化如表1。

表1 爆破前后混凝土的聲速變化

利用跨孔法觀測混凝土塊體內(nèi)部受爆破振動(dòng)的影響范圍和程度。表1結(jié)果表明爆破前后聲速的變化在儀器測試誤差范圍內(nèi)，說明1d齡期和3d齡期的混凝土塊體受了30～35cm/s的水平振速后未產(chǎn)生破壞和裂縫。隨著齡期的增加，聲速也增加，表明混凝土的強(qiáng)度亦在提高，處于完好狀態(tài)。

3.3.3 室內(nèi)試驗(yàn)

采用15cm3的標(biāo)準(zhǔn)試塊澆筑24h后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如表2。

表2 1d齡期的混凝土強(qiáng)度 單位：kN/cm2

將埋有應(yīng)變計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)試塊（編號(hào)為崗1，崗2，崗3）1d齡期時(shí)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系保持良好的線性如圖5。

圖5 混凝土試件的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

當(dāng)崗2、崗3試件4d齡期時(shí)再做抗壓試驗(yàn)，加至5t時(shí)，試件完好無損，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系仍保持良好線性。與1d齡期試驗(yàn)比較可看出，雖加荷壓力增加較多，但應(yīng)變量增加不大，主要是混凝土的彈模提高及塑性減小之故。試件繼續(xù)加壓，得到4d的抗壓強(qiáng)度為1.64kN/cm2。從破碎的試件可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)變計(jì)與混凝土結(jié)合很好，整體性強(qiáng)，能準(zhǔn)確地反映混凝土的應(yīng)力應(yīng)變歷程。28d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度為2.52kN/cm2。

3.3.4 宏觀檢查

宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)爆破振動(dòng)在試驗(yàn)塊體表面產(chǎn)生的任何縱向或橫向裂紋，也未發(fā)現(xiàn)其他異?，F(xiàn)象，混凝土質(zhì)量良好。

3.3.5 混凝土后期強(qiáng)度檢驗(yàn)

聲波觀測結(jié)果表明爆破前后混凝土強(qiáng)度沒有發(fā)生變化。但是經(jīng)過強(qiáng)烈的爆破振動(dòng)以后是否會(huì)影響后期強(qiáng)度，為此也進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。將1d齡期的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件澆筑在的混凝土塊體中，置于同一高程靠近炮孔一側(cè)受振動(dòng)影響最大的位置，24h后進(jìn)行爆破振動(dòng)試驗(yàn)，爆后分離取出標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d做抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

經(jīng)受爆破振動(dòng)后28d試件抗壓強(qiáng)度2.31kN/cm2，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下試件抗壓強(qiáng)度（2.53kN/cm2）變化不大。說明2d齡期的混凝土經(jīng)受35cm/s的強(qiáng)烈振動(dòng)后對其后期強(qiáng)度即使會(huì)有一定影響，但強(qiáng)度仍然較高，若適當(dāng)控制，對后期強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生大的影響。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考慮到試驗(yàn)塊體的尺寸形狀與豎井實(shí)際情況的差別，以及地質(zhì)情況爆源和材料的差別，試驗(yàn)中單次爆破與施工中多次爆破頻繁振動(dòng)的差別，因此對試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)，確保工程安全。結(jié)合施工進(jìn)度和現(xiàn)場情況全面綜合比較，崗南水庫豎井開挖爆破建議1d齡期混凝土塊體允許質(zhì)點(diǎn)振速控制在2～3cm/s，3d齡期的混凝土塊體控制在6～8cm/s。上述控制標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行爆破安全規(guī)程規(guī)定基本相符。

4 采取的控制爆破措施

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，雖確定了施工中的各項(xiàng)控制指標(biāo)，但在施工中必須控制爆破規(guī)模，采取合理的爆破方法，減小振動(dòng)影響，充分保護(hù)新澆混凝土豎井的質(zhì)量安全。為此提出如下的控制爆破措施：

（1）控制單響最大藥量，增加雷管分段，采用毫秒延遲爆破及合理的起爆順序。單響藥量開始應(yīng)不超過3kg，根據(jù)觀測結(jié)果，隨齡期增長混凝土的強(qiáng)度變化和施工需要再逐漸增加藥量。

（2）新澆混凝土豎井1d齡期時(shí)，開挖井與其相隔距離至少2個(gè)井寬（12m）以上，3d齡期以上時(shí)方可進(jìn)行相鄰井的爆破施工。

（3）豎井上部因混凝土齡期短，強(qiáng)度低，易于變形。相鄰井應(yīng)避免全斷面開挖。應(yīng)采用臺(tái)階爆破分兩次開挖。

（4）當(dāng)奇數(shù)井回填混凝土?xí)r，兩側(cè)加雙層稻草保護(hù)墊層，厚8～10cm，用塑料袋包好放在新澆混凝土外側(cè)與巖體緊密貼合。

（5）當(dāng)奇數(shù)井的混凝土澆筑時(shí)，在混凝土的材料配比中加入早強(qiáng)劑，提高早期強(qiáng)度，以增加抗振能力。

5 爆破開挖監(jiān)測

實(shí)際爆破開挖時(shí)，選取兩個(gè)豎井作為試驗(yàn)井，在施工時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，了解爆破對新澆混凝土影響的規(guī)律，取得科學(xué)資料，指導(dǎo)其他豎井的施工。

5.1 測點(diǎn)布置

在19#豎井▽154.5，▽150.5，▽145，▽139.5m 4個(gè)高程分別埋設(shè)三分向振動(dòng)傳感器，在▽150.5，▽145，▽139.5m 3個(gè)高程沿豎井兩側(cè)距鋼筋內(nèi)側(cè)30cm處（距混凝土邊緣50cm）分別埋設(shè)三分向應(yīng)變計(jì)，共設(shè)10個(gè)觀測點(diǎn)，30臺(tái)儀器，以觀察18#、20#的井爆破施工對19#豎井新澆混凝土的影響。為進(jìn)一步校核19#井的監(jiān)測結(jié)果，在29#井的▽154.5m設(shè)置三分向振動(dòng)傳感器，▽150.5m埋入三分向應(yīng)變計(jì)，觀測28#井、30#井開挖爆破對29#井的影響，具體布置如圖6。

圖6 測點(diǎn)埋設(shè)示意圖

聲波管埋設(shè)位置如圖7，在奇數(shù)井的一側(cè)澆筑混凝土?xí)r同時(shí)埋入兩根平行的硬塑料管，內(nèi)徑φ8cm，壁厚1mm，從▽154.5m直到▽139m高程。兩管間距1m，其聯(lián)線中點(diǎn)距混凝土外側(cè)50cm。鋼筋外側(cè)混凝土厚10cm。

圖7 聲波孔位置

5.2 觀測結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

實(shí)測爆破開挖21炮， 其中19#井14炮，29#井7炮。經(jīng)統(tǒng)計(jì)最大裝藥44.4kg，單響最大藥量達(dá)16.8kg。開挖方式由分段開挖過渡到全斷面開挖，使用1～6段非電雷管，毫秒延遲爆破，炸藥單耗約2kg/m3。各項(xiàng)測試結(jié)果如下：

5.2.1 應(yīng)力應(yīng)變觀測

應(yīng)力應(yīng)變實(shí)測結(jié)果如表3。

表3 混凝土的爆炸應(yīng)力與強(qiáng)度對照

3～7d齡期實(shí)測最大壓應(yīng)變178με，拉應(yīng)變132με，隨著齡期增加混凝土強(qiáng)度也增加，同樣規(guī)模的爆破應(yīng)變量則減少。當(dāng)7～14d齡期實(shí)測最大壓應(yīng)變144.5με， 最大拉應(yīng)變119με，14d以上齡期最大壓應(yīng)變85με，最大拉應(yīng)變103.9με。由表3可以看出壓應(yīng)變尚有余地，而拉應(yīng)變已接近混凝土的靜態(tài)抗拉極限值。

5.2.2 振動(dòng)觀測

振動(dòng)觀測如表4。

表4 不同齡期的混凝土振動(dòng)應(yīng)力計(jì)算

由表4可以看出，小于8d齡期的混凝土實(shí)測最大質(zhì)點(diǎn)振速14.84cm/s，8d以上齡期振速一般小于9cm/s，基本模擬試驗(yàn)確定的控制標(biāo)準(zhǔn)。

5.2.3 聲波觀測

聲波觀測結(jié)果如表5。

表5 豎井聲波觀測記錄

續(xù)表

由表6可以看出爆破前后波速的變化量很小，并且還有所增大，說明混凝土強(qiáng)度隨齡期增長而提高，未受到爆破施工的影響。

5.2.4 宏觀檢查

爆后清碴時(shí)對兩側(cè)混凝土豎井進(jìn)行了外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)混凝土表面有裂縫及破壞現(xiàn)象。

5.3 控制爆破施工監(jiān)測結(jié)果

經(jīng)過實(shí)際爆破施工監(jiān)測，在偶數(shù)井的爆破施工中對奇數(shù)井新澆混凝土內(nèi)部和表面未產(chǎn)生破壞影響，質(zhì)量是有保證的，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

（1）經(jīng)過崗南水庫模擬試驗(yàn)和爆破施工過程中進(jìn)行的應(yīng)力應(yīng)變、質(zhì)點(diǎn)振速、聲波傳播速度多項(xiàng)觀測及爆破前后混凝土強(qiáng)度對比和宏觀調(diào)查綜合分析表明，新澆混凝土經(jīng)過一定時(shí)期的硬化過程，本身具有一定的強(qiáng)度和整體性，能夠抵御一定強(qiáng)度的爆破沖擊。

（2）在施工過程中采用的控制單響藥量，增加分段，毫秒延遲，分次爆破，防振墊層等工程措施有效降低了爆破施工對新澆混凝土的影響和破壞。

（3）崗南水庫爆破產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力已接近混凝土材料的抗拉強(qiáng)度，風(fēng)險(xiǎn)較大，建議類似工程實(shí)踐中留出足夠的安全余地。

［1］劉治峰，張戈平，等.大型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固控制爆破技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布.爆破安全規(guī)程［K］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

Controlled blasting technology on Gangnan reservoir new pouring concrete

GU Hai-qing
（Administration of the South-North Water Diversion Project Construction in Hebei Province,Shijiazhuang 050035，China）

In order to meet the security needs of flood control reservoirs， the Gangnan Reservoir new spillway anti-slide shaft blasting excavation worked with concrete pouring.To avoid breaking fresh concrete， we monitored the stress， strain，particle velocity and acoustic data by test works，and obtained the blasting control standards of fresh concrete accessories to guide the construction，it can provide reference for the similar projects construction.

controlled blasting； newly poured concrete； monitoring； control standards

TV5

B

1672-9900（2015）02-0078-05

2015-04-01

谷海青（1973-），女（漢族），河北保定人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程建設(shè)管理工作，（Tel）18931888231。