葛洲壩3號船閘爆破拆除方案及爆破振動控制研究

孫 穎，蘇 利 軍，陳 明，董 恒，魏 東

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072; 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

《國務(wù)院關(guān)于依托黃金水道推動長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的指導(dǎo)意見》要求發(fā)揮長江黃金水道的獨(dú)特作用，構(gòu)建現(xiàn)代化綜合交通運(yùn)輸體系。然而，伴隨沿江經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，葛洲壩水利樞紐作為三峽工程的重要組成部分，目前已面臨通航能力不足的問題。擬將通航能力不高的3號船閘部分結(jié)構(gòu)拆除，并改建成與1號及2號船閘規(guī)模相當(dāng)?shù)拇l，以進(jìn)一步提高葛洲壩樞紐的通航能力。

3號船閘擬拆除部分除輔助設(shè)施設(shè)備和框架結(jié)構(gòu)外均為大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的拆除方法主要有機(jī)械拆除[1]、靜態(tài)破碎拆除[2-3]和爆破拆除[4-6]。而對于大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，爆破拆除是目前最有效且技術(shù)成熟的方法。爆破拆除近年來發(fā)展十分迅速，Noriyuki Utagawa[7]等基于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的AVS模塊，合作開發(fā)了控制爆破拆除的模擬系統(tǒng)；KojiUenishi等[8]利用一個曾用于模擬裂縫在巖石中擴(kuò)展的有限差分法程序，模擬了爆破拆除鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的全過程；So-Young Park等[9]探討了某一鋼筋混凝土筒形結(jié)構(gòu)爆破拆除前的預(yù)弱化設(shè)計(jì)，并采用有限元軟件直觀地模擬了該結(jié)構(gòu)的倒塌過程；苗勝坤[10]對大體積混凝土部分拆除方法進(jìn)行了綜合介紹；張仁鑑[11]對大體積混凝土的爆破抽槽進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究；蘇利軍等[12-13]對復(fù)雜工況下老閘拆除爆破進(jìn)行了研究，并介紹了現(xiàn)場控制措施；汪永劍[14]對北江西南大型水閘閘室拆除技術(shù)進(jìn)行了闡述；張麗華[15]結(jié)合京杭運(yùn)河微山一線船閘老閘工程概況，對該船閘拆除工程的原則及施工順序進(jìn)行了分類論述?？梢姡m然爆破拆除技術(shù)研究成果較多，但對于爆破用于船閘拆除以其引發(fā)的振動響應(yīng)的研究較少。

葛洲壩3號船閘為大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拆除體量大、工期緊，基于此背景，本文研究了葛洲壩3號大型鋼筋混凝土船閘拆除技術(shù)及方案，并采用數(shù)值模擬方法，研究了爆破拆除下結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)特性，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和相關(guān)行業(yè)規(guī)范，提出了各保護(hù)對象的爆破振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)和控制措施。

1 葛洲壩3號船閘爆破拆除方案

1.1 工程概況

葛洲壩水利樞紐位于湖北省宜昌市長江三峽出口南津關(guān)下游2.3 km處。葛洲壩3號船閘擋水前沿寬度為49.0 m，閘室有效尺寸為120.0 m × 18.0 m × 3.5 m，主要供客輪、小型貨輪、其他專業(yè)船舶以及地方小型船隊(duì)使用，其尺度較1,2號船閘要小很多。隨著三峽水庫的建成運(yùn)行，3號船閘已不能滿足通航需求，擬將其拆除，并在左岸新建雙線船閘。新建雙線船閘位于三江沖沙閘左側(cè)，共用上下游引航道，雙線船閘軸線之間的距離為66.0 m，其中心線與壩軸線正交。船閘主體包含橋墩段、上閘首、閘室和下閘首等建筑物，其中橋墩段長25.5 m，上閘首長60.0 m，閘室段長266.0 m，下閘首長48.0 m，船閘航槽寬34.0 m，左、右側(cè)邊墩寬度均為25.0 m，中墩寬32.0 m，結(jié)構(gòu)總長為399.5 m。

3號船閘主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由上導(dǎo)墻段、橋墩段、上閘首段、閘室段、下閘首段、下導(dǎo)墻段組成，橋墩段根據(jù)過壩公路的需要布置在壩軸線，往下依次布置上閘首、閘室和下閘首(見圖1)。

3號船閘改建過程涉及到靠船墩、導(dǎo)航墻、導(dǎo)流墩、泄水系統(tǒng)、船閘橋墩段、閘首段、閘室段等鋼筋混凝土的拆除，拆除施工過程中，需保證保留結(jié)構(gòu)安全及工作船閘、壩體、電廠等的正常運(yùn)行。

1.2 拆除方案

3號船閘拆除施工期間，通航任務(wù)由1,2號船閘承擔(dān)。為了便于布置施工場地，消除水下爆破作業(yè)帶來的困難以及減輕鋼筋混凝土拆除過程對保留結(jié)構(gòu)的影響，鋼筋混凝土拆除工作擬在上下游圍堰構(gòu)筑完成之后進(jìn)行。依據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)度，船閘主體結(jié)構(gòu)拆除設(shè)計(jì)工期約為2個月，是影響船閘拆除的具體方案選擇的關(guān)鍵因素。

3號船閘保留船閘右墩(墻)全部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拆除船閘底板鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和左墩(墻)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如圖1所示。目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拆除主要有爆破拆除、機(jī)械拆除和靜態(tài)破碎拆除等方法，其中爆破法是國內(nèi)使用最多的一種方法，在大體積混凝土開挖時(shí)多采用松動爆破技術(shù)。在爆破設(shè)計(jì)中，要盡量使用小孔徑鉆機(jī)鉆孔，小臺階微差多段起爆，最大限度地降低單段起爆藥量，減輕爆破振動破壞效應(yīng)；機(jī)械拆除可分為機(jī)械切割法和機(jī)械撞擊法，采用物理切割或撞擊的方法實(shí)現(xiàn)拆除的目的；靜態(tài)破碎法是利用填入于擬拆除結(jié)構(gòu)鉆孔內(nèi)的膨脹劑的膨脹壓力實(shí)現(xiàn)破碎拆除的方法。爆破拆除使用范圍最廣，拆除效率相對較高；機(jī)械拆除適用于一般小規(guī)模拆除，機(jī)械設(shè)備成本投入相對較大，拆除效率較爆破拆除低；靜態(tài)爆破可以避免產(chǎn)生振動、飛石及噪音等有害效應(yīng)，常用于拆除特殊環(huán)境結(jié)構(gòu)，拆除效率相對較低。結(jié)合3號船閘拆除規(guī)模、施工進(jìn)度和保護(hù)對象有害效應(yīng)可控措施，選用了爆破拆除為主、機(jī)械拆除為輔的拆除方法。

考慮施工場面布置及各拆除部位之間的邏輯關(guān)系，總體上將擬拆除船閘結(jié)構(gòu)分為3部分進(jìn)行：先拆除相關(guān)的輔助設(shè)施設(shè)備及框架結(jié)構(gòu)，再拆除大體積柱狀鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，最后拆除板狀鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。所以首先應(yīng)拆除閘門、管線等有關(guān)設(shè)施設(shè)備及簡易框架建筑物，再拆除3號船閘上下游導(dǎo)流墩、靠船墩、導(dǎo)航墻等船閘次要結(jié)構(gòu)，最后自上而下、分區(qū)分層依次拆除閘室主體部分。分別從上、下游兩個方向同時(shí)推進(jìn)，各部分爆破施工后的爆渣及破碎的混凝土需及時(shí)清理，且需對結(jié)構(gòu)中殘余的鋼筋進(jìn)行機(jī)械切割。

1.上閘首人字閘門；2.下閘首人字閘門；3.啟閉機(jī)房；4.閥井；5.泵站；6.控制樓；7.水泵井；8.左側(cè)進(jìn)水口；9.右側(cè)進(jìn)水口；10.左側(cè)泄水段；11.右側(cè)泄水段；12.變電所；13.活動橋

圖1 3號船閘縱平面布置

Fig.1 Vertical layout of No.3 ship lock

船閘主體部位包括橋墩、上閘首、閘室、下閘首。由于閘首采用分離式結(jié)構(gòu)，且配筋率較高，為提高爆破拆除效率及施工速度，船閘主體各部位可分不同區(qū)域同時(shí)拆除，直至拆除到閘室底板?？紤]到爆破拆除對保留結(jié)構(gòu)的影響，閘室底板拆除前在底板與右閘墻銜接處進(jìn)行預(yù)裂爆破，最后再對閘室底板及底板高程以下的閘墻、閘首、橋墩部位進(jìn)行爆破拆除。在這里選取圖1中閘室中部不含空腔的斷面為船閘主體的典型斷面進(jìn)行爆破拆除程序研究?？紤]結(jié)構(gòu)各部位配筋率的不同和爆破拆除時(shí)對保留結(jié)構(gòu)的影響大小不同，將船閘主體結(jié)構(gòu)在高程分為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ、Ⅲ、Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅳ共7個區(qū)域，在此基礎(chǔ)上選擇合適的拆除順序和拆除方法，如圖2所示。

圖2 船閘拆除示意(單位：m)

考慮爆破方式的不同，主體結(jié)構(gòu)拆除共有3種方案可供對比選擇，各拆除方案的拆除程序及爆破方式如表1所示。分別估算了3種方案的淺孔、深孔和預(yù)裂爆破工程量和各爆破方式一次循環(huán)作業(yè)所需時(shí)間。依據(jù)施工進(jìn)度分析，布設(shè)5個工作面(從3號船閘橋墩段、下閘首段開始分別設(shè)置一個工作面，船閘閘室段向上下游分別設(shè)置工作面，船閘底板設(shè)置一個工作面)的條件下，可基本保證3號船閘主體結(jié)構(gòu)按照方案2或方案3在2個月的設(shè)計(jì)工期內(nèi)拆除完成；也可通過增加拆除施工機(jī)械設(shè)備、人工數(shù)量，提高施工速度，從而在預(yù)定工期內(nèi)完成船閘的拆除。對于拆除方案1，在施工機(jī)械設(shè)備相同的情況下，至少需要布置7個工作面才能保證3號船閘主體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工期內(nèi)拆除完成，船閘頂部場地有限，施工干擾會非常大，此外大量增加施工機(jī)械設(shè)備和人工數(shù)量，導(dǎo)致施工成本大幅增加。

表1 船閘主體結(jié)構(gòu)拆除方案

綜合考慮3號船閘主體結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況、施工進(jìn)度要求、施工成本控制和可能產(chǎn)生的爆破有害效應(yīng)的控制措施，確定以深孔梯段爆破為主的拆除方案2和拆除方案3為備選拆除方案。最終的船閘主體結(jié)構(gòu)拆除方案可根據(jù)施工現(xiàn)場具體要求和實(shí)測保護(hù)對象振動資料決定。

2 船閘拆除爆破振動響應(yīng)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

依據(jù)設(shè)計(jì)資料，采用CAD/CAE集成技術(shù)建立工程區(qū)大型三維動力有限計(jì)算模型，如圖3所示。

為更加準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的爆破振動響應(yīng)，參考提供的葛洲壩工程爆破振動衰減公式中的K和α值，對選定的巖體參數(shù)進(jìn)行動力反演。數(shù)值計(jì)算時(shí)，為簡化模型網(wǎng)格劃分，縮減單元數(shù)目和計(jì)算工作量，將整個非彈性區(qū)(粉碎區(qū)和破碎區(qū))等效為爆破源[16]，將爆炸荷載曲線施加在擬形成的開挖輪廓面上，即預(yù)裂爆破荷載施加于保留結(jié)構(gòu)底部，淺孔和深孔爆破荷載作用于開挖輪廓面上，如圖4所示，并將爆破荷載的作用型式簡化為三角形，其中荷載上升時(shí)間為1 ms，荷載持續(xù)時(shí)間為6 ms，作用在炮孔中心面上。各工況下作用于彈性邊界的爆破等效荷載峰值如表2所示。

根據(jù)《葛洲壩工程叢書—混凝土工程施工》[17]提供的詳細(xì)混凝土標(biāo)號分區(qū)，該模型中主要考慮C20、C25兩種強(qiáng)度等級的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。各部位材料等效參數(shù)反演結(jié)果如表3所示。

圖3 葛洲壩航運(yùn)擴(kuò)能工程分析模型

圖4 開挖輪廓面示意

表2 各工況下爆破等效峰值荷載

表3 材料動力參數(shù)反演結(jié)果

2.2 計(jì)算工況

按照上述總體開挖方案和爆破方法，結(jié)合工程區(qū)域內(nèi)不同保護(hù)對象與爆源的相對位置，并考慮到不同類型爆源的距離和實(shí)際影響，在三維動力有限元模擬中分析了5個部位11種工況的爆破施工影響。各種計(jì)算工況的具體爆破參數(shù)如表4所示。

2.3 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬得到了不同工況下主要保護(hù)對象的振動響應(yīng)情況，橋墩段底板預(yù)裂爆破時(shí)，其分析計(jì)算結(jié)果如表5所示。

由表5中數(shù)據(jù)可以看出：橋墩段底板預(yù)裂爆破時(shí)，振動響應(yīng)隨爆心距的增加快速衰減，近區(qū)振動響應(yīng)較大，如3號船閘右側(cè)閘墻基礎(chǔ)的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度為12.64 cm/s，對應(yīng)的附加最大拉應(yīng)力分別為841 kPa；距爆源10 m處防滲帷幕處質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度為6.71 cm/s，附加最大拉應(yīng)力為538 kPa，而較遠(yuǎn)處的高壓線塔、二江電廠其它關(guān)鍵建筑物及設(shè)備的最大振速均小于0.5 cm/s?？梢姶l底板預(yù)裂爆破可能會對臨近的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，但不會影響大壩、廠房等保護(hù)建筑物的安全運(yùn)行。

淺孔爆破和深孔爆破的振動響應(yīng)傳播規(guī)律與預(yù)裂爆破類似，隨距離的增加快速衰減，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，淺孔和深孔爆破情況下的3號船閘保留右側(cè)閘墻、沖沙閘、防滲帷幕的振動響應(yīng)較大，其中主要保護(hù)對象為右側(cè)閘墻、防滲帷幕、沖沙閘、大壩、開關(guān)站及二江電站廠房，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)這些部位的振動監(jiān)測。

3 船閘拆除爆破振動控制

3.1 保護(hù)對象

根據(jù)葛洲壩水利樞紐航運(yùn)擴(kuò)能工程的特點(diǎn)，以及建筑物與爆源的距離，將原大壩、左岸壩肩、防滲帷幕、沖沙閘閘門及啟閉機(jī)、西壩開關(guān)站及二江電廠、高壓出線塔基礎(chǔ)、2號船閘(閘室、閘門、邊墻、啟閉機(jī))、3號船閘保留結(jié)構(gòu)、左岸民房、邊坡及其支護(hù)結(jié)構(gòu)等重要建(構(gòu))筑物確定為主要保護(hù)對象。

3.2 爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并參考國內(nèi)類似工程的經(jīng)驗(yàn)，針對葛洲壩水利樞紐航運(yùn)擴(kuò)能工程3號船閘爆破施工方案，提出了近距離反復(fù)爆破作用下防滲帷幕、沖沙閘、2號船閘、開關(guān)站和二江電站廠房等重要建(構(gòu))筑物及機(jī)電設(shè)施的爆破振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)，如表6所示。

對于防滲帷幕，初始階段爆破振動先按照2.50 cm/s控制，而后根據(jù)爆破振動跟蹤監(jiān)測結(jié)果確定合理的最終爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)。對于3號船閘保留鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主振頻率低于50 Hz時(shí)，控制標(biāo)準(zhǔn)為5.0 cm/s；高于50 Hz，臨近爆源10～15 m以內(nèi)控制標(biāo)準(zhǔn)為15.0 cm/s，其它區(qū)域取10.0 cm/s。對于調(diào)壓室附近高壓出線塔基礎(chǔ)，主振頻率低于10 Hz，控制標(biāo)準(zhǔn)為3.0 cm/s；高于50 Hz，控制標(biāo)準(zhǔn)為5.0 cm/s。

表4 各工況爆破參數(shù)

表5 橋墩段底板預(yù)裂爆破時(shí)各保護(hù)對象的振速峰值及附加應(yīng)力

3.3 爆破振動控制措施

爆破振動控制的途徑有兩類：① 通過采用合理的爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破起爆順序及抵抗線方向，選取合適的分段延遲時(shí)間，在爆源處控制爆破振動的強(qiáng)度；② 通過采用預(yù)裂爆破、開挖減振溝在爆破地震波的傳播途徑上削弱和降低爆破振動強(qiáng)度。對于葛洲壩3號船閘爆破拆除工程，可采取的工程措施如下。

(1)控制最大單響藥量。依據(jù)表6中的數(shù)值模擬結(jié)果及早期工程建設(shè)實(shí)測資料，根據(jù)薩達(dá)夫斯基公式反演確定本工程底板預(yù)裂爆破、底板淺孔臺階爆破與左側(cè)閘墻深孔臺階爆破最大單響藥量建議值分別為6.4，10，40 kg。

(2)起爆網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。起爆網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容為段間起爆延遲時(shí)間的優(yōu)選。合理選取微差間隔時(shí)間，將不同梯段爆破振動峰值錯位，防止其相互疊加。根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐，各段的起爆時(shí)間差至少保證在25 ms以上。

表6 葛洲壩3號船閘拆除爆破施工爆破振動安全控制建議標(biāo)準(zhǔn)

(3)采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。預(yù)裂爆破孔徑取42 mm，炸藥藥卷直徑取25 mm。淺孔爆破孔徑取42 mm，炸藥藥卷直徑取32 mm。深孔爆破孔徑取76 mm，炸藥藥卷直徑取50 mm。因拆除對象主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，爆破施工中還可采用較小的炮孔密集系數(shù)和炮孔間距。

(4)預(yù)裂成縫。利用臨近右側(cè)所保留船閘結(jié)構(gòu)的施工縫，采用預(yù)裂爆破，形成一條預(yù)裂縫或小破裂帶，并將爆破施工的推進(jìn)方向及抵抗線方向設(shè)置為平行于原船閘的軸線方向，即與水流方向平行。

4 結(jié) 論

(1)與靜態(tài)爆破和機(jī)械拆除相比，控制爆破技術(shù)能夠滿足大型船閘拆除施工進(jìn)度要求，且爆破次生災(zāi)害可控。而對于部分高配筋結(jié)構(gòu)，需借助機(jī)械拆除方法。因此，3號船閘鋼筋混凝土拆除方法建議以爆破拆除為主、機(jī)械拆除為輔的方案?？紤]葛洲壩3號船閘施工場面布置及各拆除部位之間的邏輯關(guān)系，船閘拆除方案為依次拆除閘區(qū)附屬結(jié)構(gòu)、次要結(jié)構(gòu)、主要結(jié)構(gòu)，并且分區(qū)進(jìn)行。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明：預(yù)裂爆破所引起的大壩及建筑物的振動響應(yīng)最大，此時(shí)右側(cè)直立墩、防滲帷幕、沖沙閘處產(chǎn)生的附加動應(yīng)力較大，應(yīng)加強(qiáng)這些部位的振動控制與監(jiān)測；爆破振動在開關(guān)站、二江電站廠房、附近民居等產(chǎn)生的振動及附加動應(yīng)力相對較小，爆破振動不會影響結(jié)構(gòu)安全及其正常運(yùn)行。

(3)給出了各保護(hù)對象的振動控制標(biāo)準(zhǔn)及振動控制措施，并根據(jù)保護(hù)對象到爆源的距離，提出了不同爆破方式下的最大單響藥量。