柳江雙線特大橋深水墩基礎(chǔ)水下控制爆破綜合技術(shù)研究

（中鐵二十五局集團(tuán) 第六工程有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】水的壓縮系數(shù)為0.5×10-4，僅為空氣的1/30 000～1/20 000，水的密度為空氣的780倍，黏滯系數(shù)為空氣的100倍。水的這些不同于空氣的物理力學(xué)性質(zhì)及水的流動(dòng)性、波動(dòng)性，使水下施工的難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地上的施工，導(dǎo)致水下爆破在爆破器材的選用、爆破參數(shù)的選擇及爆破形成沖擊波、地震波具有許多不同于陸地爆破的特點(diǎn)。文章以柳江雙線特大橋工程為背景，介紹了水下控制爆破技術(shù)在柳江深水橋墩基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用及防止水下爆破危害的措施。實(shí)踐證明，該水下爆破設(shè)計(jì)合理、施工方便，可為類似工程提供借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】深水橋墩基礎(chǔ)；水下爆破技術(shù)；防水擊波工藝

【中圖分類號(hào)】U445 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）04-0039-04

1 工程與地質(zhì)水文概況

1.1 工程概況

柳江雙線特大橋位于湘桂線永州至柳州段的柳州境內(nèi)的柳江之上，為深水復(fù)雜特大橋，列XG-7標(biāo)及湘桂線控制性工程，該橋全長(zhǎng)640.95 m。全橋過(guò)江共設(shè)置27#～32#六個(gè)水中墩，鉆孔樁柱樁基礎(chǔ)，樁徑2.0 m，樁長(zhǎng)均為20～30 m；承臺(tái)采用雙壁鋼圍堰施工，爆破理論總方量為3 400 m3。施工水位標(biāo)高為78.50 m，枯水期平均水深在9 m左右，爆破深度在1.5～4.6 m，地形極為復(fù)雜，水下基礎(chǔ)施工難度極大。為將雙壁鋼圍堰下沉就位，需要對(duì)其河床基坑采用水下爆破法開(kāi)挖清理。

1.2 地質(zhì)與水文情況

本文以地形極為復(fù)雜施工難度最大的29#墩施工實(shí)例，29#墩橋位覆蓋層為第四系更新統(tǒng)（Qp）和全新統(tǒng)（Qh），下覆各巖層 風(fēng)化程度很小，分別為白云巖和頁(yè)巖，強(qiáng)度為200～700 kPa，且埋置較淺，基巖呈傾斜面且凹凸不平。橋下游修建有紅花水電站，電站泄洪時(shí)水流較快，百年一遇的洪水（水位H1%=93.95 m）時(shí)其水流速可達(dá)到2.1 m/s，施工期間實(shí)測(cè)橋址處水流速為0.27 m/s。

2 水下爆破設(shè)計(jì)

2.1 工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

柳江雙線特大橋河床地質(zhì)均為弱風(fēng)化白云巖或弱風(fēng)化頁(yè)巖節(jié)理不發(fā)育，29#墩橋位處水較深；設(shè)計(jì)圖紙顯示，墩位處水下地形極為復(fù)雜，基巖已侵入部分承臺(tái)及封底砼內(nèi)。但設(shè)計(jì)圖紙中無(wú)指導(dǎo)施工用的水下地形圖，經(jīng)施工單位加密精確測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，鋼圍堰需置于裸露基巖上，基巖呈傾斜面且凹凸不平，基巖局部裸巖高出圍堰刃腳近2 m，超高裸巖平均高出圍堰刃腳2～3 m，且在墩位處有一個(gè)“V”形深溝，鋼圍堰下放及護(hù)筒定位施工難度極大，需采用水下爆破方式將高出承臺(tái)封底砼頂面標(biāo)高的巖體進(jìn)行破碎，使鋼圍堰能順利下沉就位。

2.2 水下爆破設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)柳江雙線特大橋水下爆破的特點(diǎn)，確定以下爆破設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及鉆孔直徑，綜合考慮鉆孔參數(shù)，繪制爆破漏斗疊加示意圖，找到科學(xué)合理的孔距、排距及超鉆深度。

（2）比照相關(guān)爆破理論推薦的計(jì)算方法，通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整取值，得出適合現(xiàn)場(chǎng)最佳單孔裝藥量，獲得最佳爆破效果。

（3）爆破用非電導(dǎo)爆管毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路。每個(gè)藥包裝兩發(fā)爆塑料導(dǎo)爆管，并采取復(fù)式微差爆破法分段爆破，以增大啟爆保險(xiǎn)系數(shù)和小齊爆藥量，確保周?chē)ㄖ锊皇軗p害。

（4）嚴(yán)格控制爆破震動(dòng)、沖擊波等有害效應(yīng)，保障周?chē)O(shè)施的安全。

（5）分層爆破，先爆破中間2排孔，再分層分區(qū)爆破。每層共分成4區(qū)，增大爆破效果。

2.3 爆破參數(shù)確定

（1）鉆孔直徑。采用GY-2A型潛孔鉆，垂直鉆孔成孔直徑為108 mm，藥卷直徑d=90 mm。

（2）孔間距。第1層、第2層均取孔間距a=1.8 m，排距b=0.9×1.8=1.62 m，取1.6 m。

（3）布孔方式：采用排列方式。

（4）鉆孔深度及鉆孔超深值。根據(jù)爆破巖石的性質(zhì)和爆破的深度，爆破深度第1層為4 m、第2層為3.5 m。鉆孔超深值分別為Δh1=μΗ=0.2×4=0.8；Δh2=μΗ=0.2×3.5=0.7 m。其中，μ為超鉆系數(shù)，一般取0.1～0.3，該處巖層較硬取0.2。

鉆孔超深值：即施工時(shí)的超鉆深度，為做到清渣后不留“殘坎”，超深必不可少，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及鉆孔直徑、爆破裝藥量綜合考慮。爆破中超深形成的爆破漏斗對(duì)破裂巖石的影響如圖1所示。

2.4 裝藥量設(shè)計(jì)

2.4.1 炸藥單耗

炸藥單耗q按（1）計(jì)算：

q=q1+q2+q3+q4（1）

式中：q為巖石單位炸藥消耗量（kg/m3），q1=1.1 kg/m3，根據(jù)巖石硬度系數(shù)f=6，查表可知露天水下爆破取1.1 kg/m3；q2=0.01H0，H0為水深，第1層取9.0 m、第2層考慮剩余取14.0 m；q3=0.01H3，H3為覆蓋層厚度，第2層考慮剩余清渣取1.0 m；q4=0.03 H，H為孔深。第1層炸藥單耗q=1.1+0.01×9.0+0.01×0+0.03×4=1.31 kg/m3。第2層炸藥單耗q=1.1+0.01×14.0+0.01×1.0+0.03×3.5=1.355 kg/m3。

2.4.2 單孔裝藥量

單孔裝藥量Q按式（2）計(jì)算：

Q=k1qabH（2）

式中：k1為水下爆破藥量增大系數(shù)，一般為1.1～1.3，本文取1.3；q為巖石單位炸藥消耗量（kg/m3 ）；a為孔距，單位為m；b為排距，單位為m；H為開(kāi)挖層厚度，單位為m。第1層單孔裝藥量Q=1.3×1.31×1.8×1.6×4=19.619 kg；第2層單孔裝藥量Q=1.3×1.355×1.8×1.6×3.5=17.756 kg。采用防水性良好的70#乳化炸藥，排列方式布孔。

2.5 爆破網(wǎng)路的設(shè)計(jì)

采取復(fù)式微差爆破法分段爆破，每個(gè)藥包裝兩發(fā)爆塑料導(dǎo)爆管，以增大啟爆保險(xiǎn)系數(shù)和小齊爆藥量，確保周?chē)ㄖ锊皇軗p害。采用非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路引爆，并用起爆電雷管作為擊發(fā)元件，導(dǎo)爆網(wǎng)路中采用不同段別的毫秒延期非電雷管實(shí)現(xiàn)微差爆破。啟爆網(wǎng)路為串并聯(lián)網(wǎng)路，爆破網(wǎng)絡(luò)示意如圖2所示。

微差間隔時(shí)間Δt可采用經(jīng)驗(yàn)式（3）計(jì)算：

Δt=KpW（24-f ）（3）

式中：Δt——微差時(shí)間，單位為ms；f——巖石硬度系數(shù)；Kp——巖石裂隙系數(shù)，裂隙少Kp=0.5，裂隙中等Kp=0.75，裂隙發(fā)育Kp=0.9。

合適的爆破時(shí)間間隔，有利于巖石的拋擲，同時(shí)避免了爆破引起地震波疊加，有利于減小震動(dòng)效應(yīng)。微差爆破時(shí)間間隔一般為50～75 ms。具體操作方法為平行于航槽每一排孔4孔為一組，各組之間使用不同段別的導(dǎo)爆管雷管按順序分別由低段別到高段別進(jìn)行連接，間隔時(shí)間取巖石振動(dòng)周期（約50 ms）1/2的奇數(shù)倍，震動(dòng)將會(huì)減弱。本工程微差間隔時(shí)間取△T=50 ms，使用導(dǎo)爆管雷管段別為1、3、5、7、9段，每次啟爆用5個(gè)段別。

3 水下爆破對(duì)地基、周?chē)ㄖ锏挠绊懠翱刂?/p>

水下爆破產(chǎn)生的飛石由于受到水的阻力，飛散距離比陸上爆破要小得多。但是，爆破產(chǎn)生的水沖擊波卻比空氣沖擊波要強(qiáng)烈得多。炸藥爆炸釋放出來(lái)的能量轉(zhuǎn)化成地震波的百分?jǐn)?shù)在水中則達(dá)到20%左右。這表明在同等藥量情況下，水下爆破產(chǎn)生的地震波要比陸地爆破大得多，而且水底任一質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)還會(huì)受到水沖擊波的影響。因此，水下爆破產(chǎn)生的破壞作用有時(shí)是水沖擊波和地震波共同引起的。水下爆破工點(diǎn)附近建筑物，特別是水中建筑物、生物及水面船舶都必須有一定安全距離，或采取可靠的防護(hù)措施。

3.1 爆破地震安全計(jì)算

根據(jù)《水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范》中的要求，為確保主要類型建、構(gòu)筑物的爆破地震安全，允許齊爆用藥量按式（4）計(jì)算：

Q=R1/m（V/K）3/α（4）

式中：Q——齊爆藥量，單位為kg；R——藥包至建筑物距離，單位為m；V——安全振動(dòng)速度，單位為cm/s；K、α——與爆破有關(guān)的地形、地質(zhì)系數(shù)；m——炸藥量指數(shù)，取1/3。

根據(jù)本工程實(shí)際情況，爆破點(diǎn)距離建筑物最近距離為R=130 m。按規(guī)范要求，安全振動(dòng)速度V查表取V=1.0 m/s，K查表取K=150，a查表取a=1.5。

Q=

最大一段齊爆藥量可達(dá)97.00 kg。但除了齊爆藥量之外，還需考慮水擊波超壓峰值對(duì)周?chē)膰吆蛯?dǎo)向船造成傷害，再綜合取值。

3.2 水擊波超壓峰值計(jì)算

當(dāng)水下爆破時(shí)，爆炸沖擊波對(duì)水體的作用會(huì)形成水沖擊波，如果不進(jìn)行控制，會(huì)對(duì)周?chē)膰吆蛯?dǎo)向船造成傷害。水下爆破產(chǎn)生的水擊波壓力大小與單段最大藥量和起爆點(diǎn)距需安全防護(hù)物的距離有關(guān)，這是影響其大小的2個(gè)內(nèi)部因素。由于起爆點(diǎn)與需防護(hù)物的距離有一定限制，所以無(wú)法通過(guò)增大距離來(lái)實(shí)現(xiàn)水擊波壓力降低，對(duì)水擊波壓力的控制變成對(duì)單段起爆藥量的控制。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，采取庫(kù)爾公式（5）進(jìn)行計(jì)算：

（5）

式中：Ps為水擊波壓力，單位為MPa；Q為單段最大藥量，單位為kg，本次爆破按72 kg計(jì)算；R為距爆破區(qū)的距離，單位為m。

根據(jù)式（5）計(jì)算出的不同距離的水擊波超壓峰值，得出水擊波壓力通過(guò)氣泡帷幕墻時(shí)被衰減，從而起到保護(hù)水下鋼圍堰和導(dǎo)向船的作用。氣泡帷幕對(duì)水擊波的降壓效果目前沒(méi)有理論數(shù)值，參考多個(gè)案例，氣泡帷幕可以將水擊波壓力降低40%～60%。本次爆破取保守值為40%。計(jì)算結(jié)果表明，只有滿足單段最大藥量72 kg和起爆距離1 m這2個(gè)條件時(shí)，水擊波超壓峰值才大于導(dǎo)向船體鋼板最低屈服點(diǎn)185 N/mm2，會(huì)對(duì)鋼圍堰和導(dǎo)向船造成影響；采取氣泡帷幕的措施后，水擊波超壓峰值在起爆距離為1 m時(shí)只有105.86 N/mm2，小于最低屈服點(diǎn)185 N/mm2；而當(dāng)起爆距離2 m以上時(shí)，水擊波超峰值由48.37 N/mm2逐漸降低，遠(yuǎn)小于最低屈服點(diǎn)185 N/mm2，這時(shí)爆破產(chǎn)生的水擊波對(duì)于周邊的鋼圍堰和導(dǎo)向船是安全的。

4 水下爆破施工工藝

4.1 炮眼潛孔鉆鉆孔作業(yè)

本工程水下爆破的另一個(gè)最關(guān)鍵環(huán)節(jié)是在湍急的江水中精確布孔、鉆孔、成孔，以確保炸藥、雷管等爆破器材能順利入孔就位，而這沒(méi)有施工經(jīng)驗(yàn)和方法可供借鑒。本工程施工中采用內(nèi)外雙層導(dǎo)管配合潛孔鉆成孔的方法來(lái)解決這一難題。雙層導(dǎo)管法就是在每個(gè)鉆孔的孔位下2根導(dǎo)管，外管為1根外徑為186 mm的鋼管，此鋼管起阻水作用和在135 mm臺(tái)階孔時(shí)起導(dǎo)向作用；內(nèi)層導(dǎo)管采用外徑為127 mm的鋼管，此鋼管內(nèi)置于臺(tái)階孔內(nèi)主要是精確定位爆眼孔的導(dǎo)向孔，在此鋼管中利用潛孔鉆鉆直徑為108 mm的炮眼孔，目的是裝直徑為90 mm的炸藥卷。采用雙層導(dǎo)管的目的：一是便于在裝炸藥時(shí)順利找到已成的炮眼孔，二是保護(hù)已成孔不被江中的河沙所填埋。雙層導(dǎo)管法是在江中基巖鉆孔進(jìn)行水下爆破的較好成孔方法。具體操作方法：利用2艘100 t船舶設(shè)作爆破施工鉆孔平臺(tái)，鉆機(jī)可以在施工鉆孔船舷外爆破鉆孔平臺(tái)導(dǎo)軌上靈活移動(dòng)及準(zhǔn)確對(duì)孔位。利用外層鋼管鉆直徑為135 mm的臺(tái)階孔，臺(tái)階孔深約50 cm，在臺(tái)階孔內(nèi)下放內(nèi)層直徑為127 mm的鋼管并鉆直徑為108 mm的孔，孔深比設(shè)計(jì)封底砼標(biāo)高低100 cm。爆破施工鉆孔平臺(tái)如圖3所示。

4.2 水下裝藥工藝

逐孔編號(hào)，鉆孔，確定孔深后，按單孔藥量法計(jì)算該孔藥量，將乳化炸藥按量分配。選9OPVC管，沿孔壁置人l根可伸出到水面上的鋼筋，裝入乳化炸藥50 cm，裝入起爆體（起爆體內(nèi)置2發(fā)雷管），再裝藥至分配重量，并將導(dǎo)爆管與鋼筋綁在一起牽出水面。要求PVC管內(nèi)炸藥用木棍裝密實(shí)，PVC管底密封牢固，管內(nèi)鋼筋在管口處與PVC管（PVC管兩端提前鉆小孔各4個(gè)）綁扎牢固，裝藥后將上、下孔口用堵漏靈密封。原則上，裝藥高度不超過(guò)內(nèi)套管下緣。

4.3 防水擊波工藝

采用氣泡帷幕防水擊波工藝。氣泡帷幕的原理是利用壓縮氣體從氣泡帷幕管的小孔中噴出，并在水中形成一排連續(xù)上升的帷幕狀氣泡空氣墻，當(dāng)爆破形成的水擊波通過(guò)該氣泡帷幕墻時(shí)，由于氣體的可壓縮性質(zhì)，沖擊波的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為受壓縮氣泡的內(nèi)能，內(nèi)能通過(guò)氣泡的膨脹過(guò)程釋放出來(lái)。這樣水擊波壓力通過(guò)氣泡帷幕墻時(shí)被衰減，從而起到保護(hù)水下鋼圍堰和導(dǎo)向船的作用。具體施工是在鋼圍堰內(nèi)側(cè)下緣布置氣幕管道，用50水管按間距a=10 cm鉆孔φ2～φ3的小孔將其按圍堰內(nèi)輪廓連接為一矩形環(huán)狀，同時(shí)接一對(duì)φ50輸氣管至圍堰頂面，四角及中間每隔3 m焊上懸吊掛鉤，將其置入圍堰內(nèi)側(cè)刃角處，掛鉤固定在圍堰頂部。爆破前將空壓機(jī)風(fēng)管接至圍堰頂部2個(gè)氣幕管道的入口，供氣后，即形成保護(hù)氣幕。

4.4 網(wǎng)路連接與起爆作業(yè)

由于有水沖力，以及鉆孔船移位后導(dǎo)爆管連接接頭會(huì)落入水中，所以網(wǎng)路連接接頭都用膠布捆緊，不得松散。最后用一個(gè)電雷管引爆。起爆作業(yè)步驟：起爆器性能檢查，電池更換，起爆實(shí)驗(yàn)；電雷管專用檢查，電橋準(zhǔn)備與起爆電阻阻值檢查；起爆導(dǎo)線采用線芯2.5 mm銅芯導(dǎo)線，檢查導(dǎo)線的導(dǎo)通情況及長(zhǎng)度，長(zhǎng)度應(yīng)滿足起爆警戒要求；進(jìn)入起爆準(zhǔn)備，起爆器或起爆電源的鑰匙由連接雷管的操作人員保管。

4.5 盲炮處理

如果發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)盲炮應(yīng)及時(shí)處理，處理過(guò)程中應(yīng)遵循以下原則。

（1）因啟爆網(wǎng)路絕緣不好或連接錯(cuò)誤造成的盲炮，可重新連網(wǎng)啟爆。

（2）因填塞長(zhǎng)度小于炸藥的爆炸距離或全部用水填塞而造成的盲炮，可另裝入啟爆藥包誘爆。

（3）可在盲炮附近投入裸露藥包誘爆。

（4）遇有難于處理而又危及航行船舶安全的盲炮，應(yīng)延長(zhǎng)警戒時(shí)間，繼續(xù)處理。

4.6 清渣

巖石爆破完畢后，進(jìn)行清除巖渣，清渣用1.5 m3。水上抓斗船開(kāi)挖，巖渣抓到泥駁中運(yùn)到指定位置傾倒，抓斗清不完的少量巖渣可由潛水員下水清理?；娱_(kāi)挖完畢后，采用HD-27型水中測(cè)深儀（帶GPS定位功能）進(jìn)行坑底測(cè)量，可準(zhǔn)確測(cè)出基坑底面高程，簡(jiǎn)潔而又方便。

5 爆破效果

柳江雙線特大橋29#實(shí)際爆破時(shí)，單段最大藥量≤70 kg，起爆距離≥2 m。爆破后檢驗(yàn)，礁石破碎度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；靠近岸邊的導(dǎo)向船底板發(fā)生輕微鼓泡變形，但對(duì)導(dǎo)向船的安全沒(méi)有任何影響。說(shuō)明采取的毫秒微差爆破技術(shù)、壓縮空氣氣泡帷幕等防護(hù)技術(shù)措施是有效的，確保了鋼圍堰和船只的安全。經(jīng)過(guò)4次深水爆破循環(huán)，最終在2個(gè)月零15天的時(shí)間內(nèi)超過(guò)預(yù)定工期15天完成了全部施工任務(wù)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)收，爆破后河床面大面平整度為0.1 m，個(gè)別爆破漏斗深不大于0.6 m，為雙壁鋼圍堰平穩(wěn)就位及成功澆筑鋼圍堰水下封底混凝土創(chuàng)造了非常好的條件。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在鋼圍堰內(nèi)進(jìn)行深水水下爆破，成功地解決了柳江雙線特大橋工程雙壁鋼圍堰的順利下沉的技術(shù)難題。施工實(shí)踐證明，采用在鋼圍堰內(nèi)進(jìn)行水下控制爆破施工技術(shù)爆破水下基巖是完全可行的，為特殊條件下鋼圍堰順利下沉就位積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，確保柳江雙線特大橋水中基礎(chǔ)水下爆破在3個(gè)月內(nèi)完成，可為類似基礎(chǔ)工程的實(shí)施起到一定的借鑒作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]交通部第一公路工程總公司.公路施工手冊(cè)：橋涵[M].北京：人民交通出版社，2000.

[2]JTJO 41—2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]何廣沂.工程爆破新技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.

[4]劉殿中.工程爆破實(shí)用手冊(cè)[M].第2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[5]GB 6722—2003，爆破安全規(guī)程[S].

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]

【作者簡(jiǎn)介】蔣向陽(yáng)，男，廣西柳州人，本科，中鐵二十五局集團(tuán)第六工程有限公司副總經(jīng)理，從事土木工程工作。