安全爆破拆除鋼筋混凝土圍堰的研究與實踐

唐 凱， 熊 亮

(中國水利水電第五工程局有限公司第三分局，四川 成都 610066)

1 工程概況

都柳江從江航電樞紐是一座以航運為主，同時具有泄洪、發(fā)電和旅游等綜合功能的低水頭航電樞紐工程，電站周圍民居眾多。水庫正常蓄水位193 m，裝機容量4.5萬kW，總庫容56.9萬m3。工程主體土建施工、金屬結(jié)構(gòu)安裝和廠房機電安裝調(diào)試都已基本結(jié)束。根據(jù)設(shè)計要求，為不影響泄洪，在二期導(dǎo)流結(jié)束后，將上游縱向鋼筋混凝土圍堰1#-7#堰段拆除至175 m高程；下游縱向混凝土圍堰11#-15#堰段全部拆除，共計19 615.6 m3。

該圍堰位于河中，下游8#-10#堰段為永久導(dǎo)墻，與泄水閘3#閘墩相連。圍堰上游端與岸坡民居最近距離約90 m，下游爆破點距110 kV變電站最近距離約100 m，距發(fā)電廠房最近約60 m，距平瑞橋為120 m；距中寨約180 m；圍堰正上方80 m有若干高壓線通過；其他方向開闊空曠。該圍堰1#-7#及11#-15#段均為C20三級配鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。上游段1#-7#段長127 m，下游11#-15#段長85.8 m；段與段間設(shè)沉降縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)采用瀝青木板填塞。

上游待拆縱向混凝土圍堰墻高17 m，頂寬5 m，兩側(cè)坡面垂直；下游待拆縱向混凝土圍堰呈倒“T”形，T型墻高13 m，寬5 m；底板厚4 m，寬10.5 m，兩側(cè)坡面垂直。工程量大，施工環(huán)境復(fù)雜，技術(shù)要求高、難度大。圍堰距廠房、泄水閘排架非常近，右側(cè)正在進行二期施工以及堆放有大量的施工設(shè)備，保護廠房建筑物的安全為重中之重。施工場地高度比較大，鉆孔精度要求高，作業(yè)困難；圍堰頂面寬度5 m，兩側(cè)布滿鋼筋，作業(yè)較困難。

2 爆破振動控制要求

通過對爆破破壞機理進行研究，結(jié)合已有的圍堰爆破拆除實測資料、類似工程的數(shù)值計算及理論分析，綜合分析從江航電樞紐工程縱向鋼筋混凝土圍堰爆破拆除時周邊建筑物、構(gòu)筑物及機電設(shè)備等需保護對象的破壞機理及同爆區(qū)的相對位置。爆破質(zhì)點振動速度允許標準見下表1[1]。

表1 爆破振動安全允許標準

注1：表中質(zhì)點振動速度為三個分量中的最大值，振動頻率為主振頻率；注2：頻率范圍根據(jù)現(xiàn)場實測波形確定或按如下數(shù)據(jù)選?。喉鲜冶苀小于20 Hz，露天深孔爆破f在10 Hz～60 Hz之間，露天淺孔爆破f在40 Hz～100 Hz之間；地下深孔爆破f在30 Hz～100 Hz之間，地下淺孔爆破f在60 Hz～300 Hz之間。

因圍堰拆除工程地處河道區(qū)域，爆體圍堰與主體結(jié)構(gòu)較為特殊，河岸有自然村寨、民房及其他建筑物，爆破時還要考慮到爆破有害效應(yīng)對施工人員、車輛及設(shè)備的影響。為確保施工安全，根據(jù)上表，爆區(qū)周圍民房的爆破振動安全允許振動速度取2.3 cm/s；平瑞大橋的爆破振動安全允許振動速度取2.5 cm/s；110 kV從江變電站的爆破振動安全允許振動速度取1 cm/s，發(fā)電廠房的爆破振動安全允許振動速度取0.7 cm/s。

3 施工組織實施方案

拆除鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，應(yīng)沿拆除輪郭線割斷鋼筋，再進行鉆孔爆破[2]。即按照2m間距，在堰體兩側(cè)及端頭鑿槽。混凝土鑿除完成后，采用氧氣焊切割豎向和橫向受力筋，減少鋼筋對爆破體的約束，增強爆破效果。

鋼筋預(yù)切割完成，根據(jù)四周環(huán)境及拆除順序,采取分層分段微差控制爆破拆除，每次按分層作業(yè)高度實施爆破，上游圍堰段與主體工程保留5～10 m距離作為保護體，再使用YT28手風(fēng)鉆以淺孔剝離爆破方式，由上而下分層爆破拆除，以保證主體工程不受影響；在7#堰段與閘室段分縫處采用雙排減震孔，間距0.5 m，下游圍堰10#～11#堰段接縫處往下游側(cè)1 m處鉆1～2排減震孔，間距0.5 m。

上游縱向鋼筋混凝土圍堰按從上游至下游的順序采用DOC-D7鉆機逐段鉆孔，逐段爆破，下游縱向鋼筋混凝土圍堰按從下游至上游的順序進行鉆爆作業(yè)[1]。每次爆破臨空面選朝右岸側(cè)，以達到對廠房建筑物及設(shè)備進行有效的保護。

在爆破拆除前，在上游圍堰1#堰段進行拆除爆破試驗，以選擇合理的爆破參數(shù)，保證爆破效果。對要拆除的砼縱向圍堰嚴格控制裝藥量，盡可能將最大塊徑控制到小于70 cm。每層鉆孔前要對表面進行清理，方可布孔鉆孔。

結(jié)合工程實際情況，上游圍堰拆除分三層，第一層▽192 m～▽186 m，第二層▽186 m～▽180 m，第三層▽180 m～▽175 m高程；下游圍堰分三層，第一層▽191 m～▽185 m，第二層▽185 m～▽179 m，第三層為▽179 m～▽174 m。每一層根據(jù)施工情況進行分段爆破，減小一次性爆破規(guī)模。爆破時采用密孔、少藥量和微差爆破技術(shù)。

4 爆破參數(shù)的選擇與裝藥量的計算

采用ROC-D7鉆機鉆孔，取爆破作用指數(shù)0.75

(1)分段高度H：選用H=6 m ；

(2)鉆孔直徑D：選用D=70 mm；

(3)最小抵抗線W：W=(20～40)D，選用30D，取2.1 m；

(4)鉆孔深度L：L=6 m；

(5)炮孔間距a：a=mw=1.25×2.1=2.62 m ，梅花型布孔取2.6 m，m為炮孔相鄰系數(shù)(取值1.2～1.5)；

(6)炮孔排距取b=1.25 m；

(7)裝藥量Q：Q=kqabH(q為單位耗藥量，取0.615 kg/m3，k為1)

Q=1×0.615×2.6×1.25×6=12(kg)

采用逐孔爆破，一次最大單響起爆裝藥量：Qmax=12(kg)。

每次爆破前需上報專門的爆破設(shè)計方案，經(jīng)監(jiān)理工程師批復(fù)后方可實施爆破作業(yè)，藥量和孔間排距需在試驗和每次鉆爆中實時調(diào)整，最終得到合理爆破參數(shù)。

5 爆破施工工藝

5.1 鉆 孔

上下游縱向鋼筋混凝土圍堰均采用D7鉆機鉆孔，4套手風(fēng)鉆輔助。鉆孔過程中，嚴格控制鉆孔的方向、角度和深度，孔眼鉆進時留意施工中變化情況并做好記錄，遇到問題及時向現(xiàn)場技術(shù)人員反應(yīng)并研究處理，鉆孔完成后及時用編織袋將孔口塞緊，防止雜物掉入孔內(nèi)，堵塞炮孔。

接頭部位的特殊鉆孔：上游圍堰與3#閘墩相連接，下游圍堰與泄水閘導(dǎo)墻相連。在距泄水閘下游導(dǎo)墻分縫處1 m距離范圍用D7鉆機打1～2排防震孔，孔距50 cm，上游堰段在距3#閘墩5～10 m處用D7鉆機打1～2排預(yù)裂孔進行預(yù)裂爆破，剩下5～10 m采用手風(fēng)鉆鉆孔，多層多次密孔微差爆破，孔排距1 m×0.8 m，采用梅花形布置，布孔由遠及近可逐漸加密。

5.2 裝 藥

根據(jù)工程實際情況，底部拆除高程低于水面，因此，爆破中水下所用炸藥應(yīng)以乳化炸藥為主。

裝藥結(jié)構(gòu)原則是滿足堵塞長度要求達到最佳破碎效果。因此，主爆孔采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，使用φ32 mm乳化炸藥(單卷炸藥長30 cm，重300 g)，6 m孔深間隔捆綁13節(jié)藥卷，起爆藥包放在炮孔中下部，封堵材料采用粘土。第三層裝藥結(jié)構(gòu)可根據(jù)實際情況，在保證堵塞長度的前提下，孔的下部連續(xù)裝藥，上部間隔裝藥，以取得較好的破碎效果。

5.3 堵 塞

大孔徑堵塞長度2 m，手風(fēng)鉆小孔徑鉆孔堵塞長度0.8～1 m；堵塞物采用粘土，藥卷安放后及時進行堵塞，嚴格控制堵塞長度，使用木棍分層壓緊搗實，堵塞時注意保護導(dǎo)爆索或?qū)П堋?/p>

炮孔堵塞完成后，根據(jù)實際情況，采用廢舊運輸皮帶、草簾、竹夾板，編織袋裝粘土等材料進行孔口鋪蓋，減小爆破飛石破壞。

5.4 起爆網(wǎng)絡(luò)

爆破由現(xiàn)場爆破技術(shù)人員依據(jù)設(shè)計方案，控制爆破振動、個別飛石，起爆網(wǎng)絡(luò)采用導(dǎo)爆索引爆，雙復(fù)式網(wǎng)絡(luò)起爆[2]，孔內(nèi)孔外微差擠壓爆破，爆破前對炸藥和雷管進行性能抽查試驗。所有炮孔在使用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管時，孔外采用低段別，孔內(nèi)采用高段別，保護好腳線不受損壞，為控制爆破方向，采用孔內(nèi)11段，孔間3段，排間5段布置網(wǎng)絡(luò)。

5.5 出 碴

圍堰爆破后，利用挖掘機將爆堆碴清除至工作面外，為下一層鉆孔創(chuàng)造工作面，采用裝載機或挖掘機進行集料，便于PC200液壓反鏟裝20 t自卸汽車運輸至指定備料場。對于爆破后的大塊，及時采取機械法進行二次破碎，以便裝運。

6 爆破安全驗算

確保爆破安全是縱向鋼筋砼圍堰拆除施工安全管理工作的關(guān)鍵，一般爆破安全包括爆破震動、爆破飛石和空氣沖擊波等安全措施，爆破振動安全允許標準見上表1。

6.1 最大爆破震動速度計算[4]

式中V為爆破安全允許震動速度查表值1 cm/s；Qmax為本次爆破實際最大單響藥量；R為被保護建筑物至爆破作業(yè)點水平距離；K為巖石性質(zhì)系數(shù)，高強度混凝土為150；α為衰減系數(shù)，取1.5.

圍堰大孔徑分層深孔爆破逐孔起爆時最大單響藥量為12 kg；

R=(K/V)1/α×Q1/3=(150/1)1/α×121/3=65 m

對照本工程周圍環(huán)境，可以保證東北岸民房的安全。鄰近主體建筑物、設(shè)備(發(fā)電機組未運行)時應(yīng)依次遞減孔深和裝藥量。

6.2 爆破作業(yè)產(chǎn)生的飛石

《爆破安全規(guī)程》有關(guān)個別飛石最小安全允許距離的規(guī)定為：爆破個別飛石最小安全允許距離不小于200 m，因此，嚴格控制爆破作業(yè)產(chǎn)生的飛石應(yīng)予以高度重視。爆破時警戒線應(yīng)該放在200 m以外。

分層爆破時：

R=20Kn2W=20×2×0.6152×2.1=31.8(m)

實際警戒范圍在此基礎(chǔ)上擴大定為200 m左右，實際施工作業(yè)中，在此范圍內(nèi)確定警戒點。在施工過程中，實際使用膠皮網(wǎng)及沙袋對炮孔進行覆蓋，起到減少飛石的效果。

6.3 空氣沖擊波

在露天爆破中，為防止空氣沖擊波對人和物的傷害，禁止采用露天裸露爆破，確定空氣沖擊波對民房、作業(yè)人員的安全允許距離公式如下(圍堰小孔徑爆破拆除時單孔最大藥量均未超過25 kg)[1]；

(2)R沖=25×Q1/3

式中R沖為最小允許距離，單位m；Q為一次爆破最大單響藥量

在圍堰拆除分層爆破時：

Rk=25×Q1/3=25×121/3=57.2(m)

在特殊地理環(huán)境爆破作業(yè)時，特別在鉆孔結(jié)構(gòu)薄弱面或預(yù)裂結(jié)構(gòu)縫時，取實際人員和建筑物的最小允許的安全距離后還應(yīng)適當加大安全距離，在此實際取避炮人員的安全距離為200 m。

7 震動速度監(jiān)測

本方案采用了一系列綜合控爆技術(shù)以降低爆破時對各保護體的振動，包括采用高精度導(dǎo)爆管雷管、逐孔起爆、孔內(nèi)微差爆破、預(yù)裂爆破、淺孔爆破等。盡管如此，由于施工中影響爆破振動的因素較多，現(xiàn)場情況復(fù)雜、變化大，只有嚴格的實測振動速度才能從本質(zhì)上最直接地實際反應(yīng)出各保護建筑物受爆破振動影響的程度，因此，在整個圍堰爆破拆除施工過程中，全程對各保護目標實時的爆破振動速度進行監(jiān)測[3]，具體詳見表2《圍堰周邊保護對象爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄表》：

表2 圍堰周邊保護對象爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄表

由上表最近民房實測數(shù)據(jù)，通過水平矢量數(shù)據(jù)回歸分析得出，K值為185.67028，α值為1.3059；各保護體建筑物實測振動速度均小于國家安全允許標準，這表明爆破振動計算值科學(xué)合理，充分滿足安全振動標準的要求。

8 結(jié) 語

從江航電樞紐工程縱向鋼筋混凝土圍堰緊鄰居民密集區(qū)，鄰近高壓變電站，周邊環(huán)境復(fù)雜，拆除時采用與永久建筑物連接處設(shè)置減振帶減振、增加保護體、底板預(yù)裂爆破、淺孔爆破、破碎錘二次破碎、增加空孔增大臨空范圍、分段落階梯起爆防止沖擊共振破壞等方法，結(jié)合爆破試驗然后優(yōu)化爆破參數(shù),最后對主體圍堰進行爆破的方式進行拆除。過程中采用同步爆破振動安全監(jiān)測手段，對閘墩、廠房及機電設(shè)備、110 kV變電站、附近民房等重要建筑物、重要部位進行了安全監(jiān)測，由遠及近的逐漸分段爆破過程中獲得了切實可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，降低了爆破振動破壞力，控制了爆破飛石影響距離，有效的保護了永久建筑物混凝土及周圍民居、高壓線等，同時保障了發(fā)電機組的安全運行，得到了監(jiān)理和業(yè)主的高度認可，該施工方法和控制過程及監(jiān)控所得的數(shù)據(jù)，在同類復(fù)雜環(huán)境項目可以借鑒應(yīng)用，即分析環(huán)境、實踐、實驗、收集分析數(shù)據(jù)、重復(fù)實驗、調(diào)整參數(shù)達到目的。