沉管隧道對(duì)接端深基坑止水墻水下爆破對(duì)周?chē)h(huán)境的影響研究

錢(qián)海亮，曾波存，周興濤，孫曉偉，安雪鋒，胡嘉懿

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.湖北文理學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074 )

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，工程建設(shè)也在如火如荼地開(kāi)展，水中、水底或其他一些介質(zhì)中進(jìn)行的爆破作業(yè)需求不斷增加。水下爆破由于其高效、快捷的特點(diǎn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多工程建設(shè)領(lǐng)域，如水利水電建設(shè)[1]、港口碼頭修建[2]、橋梁建造[3]、航道整治[4]等。但是水下爆破在給工程建設(shè)帶來(lái)極大便利的同時(shí)，由于其裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式、爆破環(huán)境及波動(dòng)傳播途徑上的復(fù)雜性與特殊性[5]，也帶來(lái)了許多安全問(wèn)題，對(duì)周?chē)?構(gòu))筑物和水域帶來(lái)了一定的不利影響，與陸地爆破相比，其對(duì)周邊環(huán)境的影響更為突出，其主要危害效應(yīng)有水中沖擊波的破壞效應(yīng)及爆破地震波的破壞效應(yīng)等。水下爆破由于研究難度大、涉及問(wèn)題復(fù)雜且需要有專(zhuān)用防水設(shè)備，對(duì)其研究相對(duì)陸地爆破較少。目前學(xué)者和工程技術(shù)人員主要通過(guò)工程試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和理論分析等方法對(duì)水下爆破的破壞效應(yīng)開(kāi)展研究，研究?jī)?nèi)容主要集中于水下爆破危害效應(yīng)的形成機(jī)理與預(yù)測(cè)、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及其防控等方面。

在水下爆破危害效應(yīng)的形成機(jī)理與預(yù)測(cè)方面，劉志[6]利用高速攝影技術(shù)研究了水下爆炸沖擊波波陣面?zhèn)鞑ヒ?guī)律；司劍鋒[7]通過(guò)對(duì)靜水、動(dòng)水、水下裸爆、水下鉆孔等不同條件下的爆破水擊波進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試， 研究了水下炸礁工程爆破水擊波特性及其衰減規(guī)律；趙根等[8]從水下爆破機(jī)理、水下爆破器材、水下爆破設(shè)計(jì)及優(yōu)化等方面詳細(xì)總結(jié)了水下爆破技術(shù)的最新研究進(jìn)展。目前，工程實(shí)踐中主要以質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度作為主要判據(jù)來(lái)衡量水下爆破產(chǎn)生的地震波對(duì)周?chē)?(構(gòu))筑物的影響，并采用薩道夫斯基公式來(lái)預(yù)測(cè)水下爆破振動(dòng)速度的大小[9-11]；針對(duì)薩道夫斯基公式未考慮水下爆破復(fù)雜的場(chǎng)地條件、水壓力及爆破孔網(wǎng)參數(shù)等因素的影響，劉亞群等[12]基于灰色關(guān)聯(lián)分析的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立了水下爆破中質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度智能預(yù)測(cè)模型。在水下爆破危害效應(yīng)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面，趙根等[13]研究了爆破水擊波對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響超壓安全控制標(biāo)準(zhǔn)；賈欽基等[14]采用層次分析與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)水下爆破影響區(qū)域危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在水下爆破振動(dòng)危害效應(yīng)防控方面，陳春歌等[5]采用數(shù)值模擬的方法分析了水下爆破沖擊波的危害及安全控制措施；楊建等[15]、彭亞雄等[16]、胡偉才等[17]、張兵文等[18]基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值模擬方法研究了水下氣泡帷幕對(duì)水擊波峰值壓力的衰減效應(yīng)機(jī)理。

綜合以上研究分析發(fā)現(xiàn)，水下爆破工程存在毗鄰環(huán)境復(fù)雜多樣、影響因素眾多、爆破動(dòng)態(tài)效應(yīng)難以預(yù)測(cè)等問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水下爆破危害效應(yīng)的研究至關(guān)重要。目前，有關(guān)沉管隧道對(duì)接端深基坑止水墻水下爆破對(duì)周?chē)h(huán)境不利影響的研究較少。因此，本文基于爆破動(dòng)態(tài)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了襄陽(yáng)漢江魚(yú)梁州沉管隧道對(duì)接端深基坑止水墻水下爆破所引起的鄰近建(構(gòu))筑物爆破振動(dòng)效應(yīng)，探討了該水下爆破所致周?chē)蛩畵舨ǖ膭?dòng)水壓力衰減特性，以為類(lèi)似工程的水下爆破地震動(dòng)減震及危害效應(yīng)防控提供借鑒。

1 工程概況

襄陽(yáng)市東西軸線(xiàn)道路工程過(guò)漢江段采用隧道工程方案，線(xiàn)路兩穿漢江和魚(yú)梁洲，隧道工程包含：樊城明挖隧道段314 m、西汊沉管隧道段351 m、魚(yú)梁洲暗埋隧道段3 580 m、東汊沉管隧道段660 m、東津明挖隧道段495 m，其中東汊沉管段和西汊沉管段均采用軸線(xiàn)干塢預(yù)制方案(見(jiàn)圖1)。沉管預(yù)制完成后、浮運(yùn)出塢前，需在對(duì)接端深基坑內(nèi)部注水，然后拆除沉管對(duì)接端深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，即東汊沉管浮運(yùn)安裝前，需爆破拆除東汊干塢塢門(mén)支護(hù)結(jié)構(gòu)和東津明挖隧道對(duì)接端深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)接端深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)拆除過(guò)程中，先拆除深基坑內(nèi)鋼/混凝土支撐，然后爆破拆除塑性混凝土止水墻，最后拆除鎖口鋼管樁。

圖1 某隧道工程項(xiàng)目平面布置圖

東汊干塢塢門(mén)周邊需著重考慮的建(構(gòu))筑物為： 塢門(mén)兩側(cè)岸堤格型地下連續(xù)墻(即地連墻)永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，距塢門(mén)直線(xiàn)距離約45 m的待浮運(yùn)沉管，距塢門(mén)直線(xiàn)距離約345 m的污水處理廠球型罐體建筑物，見(jiàn)圖2。東津明挖隧道對(duì)接端周邊需著重考慮的建(構(gòu))筑物為：對(duì)接端兩側(cè)一字型地連墻永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，距對(duì)接端直線(xiàn)距離約9 m已現(xiàn)澆成型的暗埋段隧道主體結(jié)構(gòu)，距對(duì)接端北側(cè)直線(xiàn)距離約138 m的城市景觀河水閘，距對(duì)接端直線(xiàn)距離約220 m的新建圖書(shū)館，見(jiàn)圖3。

圖2 東汊干塢塢門(mén)周邊的環(huán)境

圖3 東津明挖隧道對(duì)接端周邊的環(huán)境(東汊干塢往東津方向)

2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)與安全監(jiān)測(cè)

2.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

東汊干塢塢門(mén)支護(hù)結(jié)構(gòu)及東津明挖隧道對(duì)接端深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破拆除高差大、厚度薄，是典型的高聳薄墻結(jié)構(gòu)，一般有兩種鉆孔爆破布孔方式： 第一種布孔方式是從深基坑止水墻內(nèi)向外鉆水平孔；第二種布孔方式是從深基坑止水墻頂向下鉆垂直孔。但深基坑止水墻內(nèi)側(cè)有一排鋼管鎖扣樁，不具備鉆設(shè)水平孔的條件，只能從止水墻頂向下鉆設(shè)垂直孔。因此，采用垂直鉆孔的水下爆破方案。根據(jù)汪旭光院士主編的《爆破手冊(cè)》[9]中所建議的水下磚石混凝土的鉆孔爆破裝藥量計(jì)算方法，并考慮到本項(xiàng)目沉管隧道對(duì)接端止水墻拆除時(shí)有鋼管樁的影響，將炮孔布置在靠鋼管樁一側(cè)，計(jì)算得到1 m長(zhǎng)度鉆孔爆破裝藥量為2.02 kg。本工程塑性混凝土抗壓強(qiáng)度為5～10 MPa，其堅(jiān)固性系數(shù)為0.5～1.0，通過(guò)查《爆破手冊(cè)》[9]表5-1-2可知，炸藥單耗取0.4 kg/m3，考慮受水深影響的炸藥爆速降低系數(shù)，根據(jù)長(zhǎng)江科學(xué)院張正宇等[19]所提出的修正方法，經(jīng)計(jì)算可知，東汊干塢對(duì)接端、東津明挖隧道對(duì)接端的炸藥單耗量分別為1.28 kg/m3、1.55 kg/m3。

考慮到四道塑性混凝土止水墻厚度僅為1.2 m，孔深均超過(guò)18 m，即使在止水墻中軸線(xiàn)上鉆孔，孔底偏差大于0.6 m就會(huì)鉆穿，因此為了保證鉆孔垂直精度，采用液壓巖心鉆機(jī)鉆孔，鉆孔孔徑取Φ75 mm。為了避免止水墻留根底影響后期沉管安裝，孔深均超深鋼管樁切割位置1.5 m，結(jié)合東汊干塢塢門(mén)支護(hù)結(jié)構(gòu)及東津明挖隧道對(duì)接端深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)需要爆破拆除的高度，確定鉆孔孔深為19.6～28.0 m。為了盡量避免爆破對(duì)深基坑止水墻內(nèi)側(cè)鎖扣鋼管樁的破壞，且避免其變形，以便于其被順利拔出，同時(shí)為了避免出現(xiàn)個(gè)別大塊爆破飛石影響后期水下清渣，將炮孔布置在兩根鎖扣鋼管樁之間的咬口連接處，則炮孔間距均為 1.48 m?？紤]到藥卷與炮孔直徑匹配的關(guān)系，采用Φ60 mm 乳化炸藥藥卷，上層部分采用Φ32 mm藥卷。

為了避免爆破對(duì)地連墻永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，考慮深基坑止水墻與地連墻永久支護(hù)結(jié)構(gòu)存在施工縫且接觸面有限等因素，在與兩側(cè)地連墻永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的連接處順深基坑止水墻軸線(xiàn)布置1～3個(gè)空孔，作為減震孔，其孔徑與主爆孔一致。 東汊干塢對(duì)接端布置28個(gè)爆破孔(主爆孔)、2 個(gè)空孔(減震孔)，炮孔布置見(jiàn)圖4(a)；東津明挖隧道對(duì)接端布置29個(gè)爆破孔(主爆孔)、6個(gè)空孔(減震孔)，炮孔布置見(jiàn)圖4(b)。其中，主爆孔、減震孔分別以Z、J開(kāi)頭的編號(hào)表示。主爆孔主要采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，為了減弱水上部分的單耗，主爆孔底部采用Φ60 mm 乳化炸藥連續(xù)裝藥，上部4.5 m的范圍采用Φ32 mm 乳化炸藥連續(xù)裝藥，孔口堵塞1.5 m，則東汊干塢對(duì)接端、東津明挖隧道對(duì)接端的單孔連續(xù)裝藥量分別為45 kg、66 kg。采用電子雷管微差起爆網(wǎng)路時(shí)，兩孔之間間隔17 ms；同時(shí)為了嚴(yán)格控制爆破危害效應(yīng)，選用高精度電子數(shù)碼雷管，采用微差順序起爆網(wǎng)路。

圖4 對(duì)接端炮孔布置示意圖

2.2 爆破安全監(jiān)測(cè)

爆破作業(yè)區(qū)環(huán)境復(fù)雜，要嚴(yán)格控制作業(yè)安全，且施工場(chǎng)地條件差，工程地處一級(jí)水源地，塑性混凝土止水墻與地連墻永久支護(hù)結(jié)構(gòu)緊鄰，距離待浮運(yùn)沉管45 m，距離暗埋段隧道主體結(jié)構(gòu)僅8 m，故爆破危害效應(yīng)的控制是本次水下爆破拆除的重大難點(diǎn)。爆破必須確保周?chē)Ｗo(hù)物的安全，否則將嚴(yán)重影響預(yù)制沉管與周邊建筑物的安全以及后期沉管浮運(yùn)的按期施工。因此，需要在東汊干塢塢門(mén)以及東津明挖隧道對(duì)接端深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破拆除過(guò)程中進(jìn)行爆破安全監(jiān)測(cè)，研究不同爆破部位產(chǎn)生的危害效應(yīng)(爆破振動(dòng)、空氣沖擊波、 噪聲、水中沖擊波等)對(duì)保護(hù)對(duì)象可能造成的不利影響，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)保護(hù)對(duì)象受到的影響進(jìn)行分析評(píng)估，水下爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 水下爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖6 典型的水下爆破現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用美國(guó)Mini-Seis爆破測(cè)振儀[見(jiàn)圖7(a)]，主要監(jiān)測(cè)干塢塢門(mén)及對(duì)接端兩側(cè)岸堤地連墻永久支護(hù)結(jié)構(gòu)、待浮運(yùn)沉管、暗埋段隧道主體結(jié)構(gòu)以及周邊重要的建(構(gòu))筑物，如污水處理廠球型罐體建筑物、城市景觀河水閘、新建圖書(shū)館等，并在這些重要的爆破部位各布置1個(gè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上均布設(shè)1套三向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度傳感器進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。爆破水擊波動(dòng)水壓力監(jiān)測(cè)采用MiniMate Plus測(cè)試系統(tǒng)[見(jiàn)圖7(b)]和Blast-Pro測(cè)試系統(tǒng)[見(jiàn)圖7(c)]。其中，MiniMate Plus測(cè)試系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)最大水深為46 m，可測(cè)量最大爆破水擊波動(dòng)水壓力為0.324 MPa，分辨率為0.01 KPa；Blast-Pro測(cè)試系統(tǒng)可測(cè)量最大爆破水擊波動(dòng)水壓力為34.5 MPa，分辨率為0.14 kPa。爆破水擊波動(dòng)水壓力測(cè)點(diǎn)主要布置在待浮運(yùn)沉管附近水域、漢江水域內(nèi)，測(cè)試傳感器沒(méi)入水下6 m，按近密遠(yuǎn)疏的原則布置。

另外，沉管對(duì)接端止水墻拆除爆破時(shí)，炸藥在水下爆炸過(guò)程中釋放的能量除了作用于破碎塑性混凝土(巖體)之外， 部分能量釋放在水體中形成的主要危害之一就是水中沖擊波，可能會(huì)對(duì)施工水域的水生生物產(chǎn)生較大的影響。因此，在沉管對(duì)接端止水墻爆破拆除時(shí)，采用在外側(cè)漢江水域布設(shè)氣泡帷幕的方式進(jìn)行近體防護(hù)，以減弱爆破產(chǎn)生的水中沖擊波對(duì)水中生物的影響。

2.3 爆破控制標(biāo)準(zhǔn)分析

沉管對(duì)接端止水墻拆除爆破控制的重點(diǎn)是爆破振動(dòng)。但由于受周邊建筑物的限制，止水墻距被保護(hù)的建(構(gòu))筑物(岸堤永久支護(hù)結(jié)構(gòu)、待浮運(yùn)沉管、暗埋段隧道主體結(jié)構(gòu)、城市景觀河水閘、新建圖書(shū)館、泵房以及周邊的民房)較近，其中岸堤永久支護(hù)結(jié)構(gòu)與沉管對(duì)接端止水墻緊鄰，暗埋段隧道主體結(jié)構(gòu)和待浮運(yùn)沉管距離沉管對(duì)接端止水墻僅為8～47 m，因此爆破振動(dòng)、爆破飛石及爆炸水擊波也是本次爆破控制的重點(diǎn)。現(xiàn)有的國(guó)家規(guī)范《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[20]中未明確規(guī)定爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)以往類(lèi)似的工程經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗振性能，爆破振動(dòng)速度控制值較高。例如葛洲壩大江圍堰混凝土芯墻、山西禹門(mén)口提水工程進(jìn)口圍堰、東風(fēng)水電站導(dǎo)流洞進(jìn)出口圍堰等的爆破拆除中，由于圍堰體均距主體建筑物很近，有些還是緊連，最近處實(shí)測(cè)到的質(zhì)點(diǎn)振速為20 cm/s 左右，而緊鄰爆區(qū)的質(zhì)點(diǎn)振速還會(huì)更大，但爆破拆除后這些建筑物均未發(fā)生破壞。按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[20]中“表13-1爆破振動(dòng)速度的安全允許標(biāo)準(zhǔn)”和“表13-8爆破水中沖擊波超壓峰值對(duì)魚(yú)類(lèi)影響安全控制標(biāo)準(zhǔn)”的規(guī)定，并參考既往工程經(jīng)驗(yàn)，綜合分析確定了沉管對(duì)接端止水墻拆除爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)和沉管對(duì)接端止水墻拆除爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值控制標(biāo)準(zhǔn)，分別見(jiàn)表1和表2。

表1 沉管對(duì)接端深基坑止水墻拆除爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)

表2 沉管對(duì)接端深基坑止水墻拆除爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值控制標(biāo)準(zhǔn)

3 爆破監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 周?chē)h(huán)境爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

東汊干塢對(duì)接端深基坑止水墻爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值的監(jiān)測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表3。

由表3可知：東汊干塢對(duì)接端的南側(cè)地連墻順軸向爆破振動(dòng)速度峰值達(dá)到8.16 cm/s，小于支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)下限10 cm/s(見(jiàn)表1)；北側(cè)地連墻的豎直向速度振動(dòng)速度峰值達(dá)到8.07 cm/s，小于支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)下限10.0 cm/s(見(jiàn)表1)；由于干塢內(nèi)水體黏滯阻尼的減震效應(yīng)，東汊干塢對(duì)接端干塢深基坑內(nèi)待浮運(yùn)沉管的最大爆破振動(dòng)速度峰值(豎直向)為3.70 cm/s，明顯小于預(yù)制沉管爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)下限10.0 cm/s(見(jiàn)表1)；污水處理廠球形罐體結(jié)構(gòu)的最大爆破振動(dòng)速度峰值(徑向)為0.29 m/s，明顯小于其爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)上限3.5 cm/s。因此，東汊干塢對(duì)接端爆破對(duì)其附近干塢深基坑內(nèi)待浮運(yùn)沉管、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的污水處理廠球形罐體等重要結(jié)構(gòu)的影響較小，爆破振動(dòng)速度峰值均在設(shè)計(jì)的安全允許值以?xún)?nèi)；東汊干塢對(duì)接端爆破對(duì)附近的地連墻等爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)內(nèi)薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響較大，其爆破振動(dòng)速度峰值均超過(guò)安全允許值。同時(shí)，由表3還可知：爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)內(nèi)地連墻等薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)速度峰頻較高，超過(guò)50 Hz；而爆破振動(dòng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)污水處理廠球形罐體等結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)速度峰值頻率較低，小于5 Hz；東汊干塢對(duì)接端干塢深基坑內(nèi)待浮運(yùn)沉管的爆破振動(dòng)速度峰頻較高，超過(guò)50 Hz。由此可見(jiàn)，爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)內(nèi)地連墻等薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)速度呈現(xiàn)高峰值、高峰頻特征；爆破振動(dòng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)污水處理廠球形罐體等地面結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)速度呈現(xiàn)低峰值、低峰頻特征;東汊干塢對(duì)接端附近干塢內(nèi)待浮運(yùn)沉管的爆破振動(dòng)速度呈現(xiàn)低峰值、高峰頻特征。

表3 東汊干塢對(duì)接端深基坑止水墻爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值的監(jiān)測(cè)結(jié)果

東津明挖隧道對(duì)接端止水墻爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值的監(jiān)測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4 東津明挖隧道對(duì)接端止水墻爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值的監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表4可知：東津明挖隧道對(duì)接端的南側(cè)地連墻徑向爆破振動(dòng)速度峰值達(dá)到7.20 cm/s，接近支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)下限8.0 cm/s(見(jiàn)表1)；北側(cè)地連墻的徑向爆破振動(dòng)速度峰值達(dá)到7.49 cm/s，接近支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)下限8.0 cm/s(見(jiàn)表1)；東津明挖隧道對(duì)接端附近城市景觀河水閘結(jié)構(gòu)的最大爆破振動(dòng)速度峰值(順軸向)為1.30 m/s，明顯小于其爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)下限8 cm/s；東津明挖隧道對(duì)接端附近新建圖書(shū)館結(jié)構(gòu)的最大爆破振動(dòng)速度峰值(豎直向)為0.18 m/s，明顯小于其爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)上限3.5 cm/s。同時(shí)，由表4還可知：爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)內(nèi)地連墻等薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)速度峰值頻率較高；而爆破振動(dòng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)城市景觀河水閘、新建圖書(shū)館等結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)速度峰值頻率較低。由此可見(jiàn)，爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)內(nèi)地連墻等薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)速度呈現(xiàn)高峰值、高峰頻特征；爆破振動(dòng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)城市景觀河水閘、新建圖書(shū)館等地面結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)速度呈現(xiàn)低峰值、低峰頻特征；東津隧道對(duì)接端深基坑內(nèi)暗埋段主體結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)速度峰頻(豎直向)超過(guò)10 Hz，爆破振動(dòng)速度峰值低于安全允許標(biāo)準(zhǔn)值。

為了進(jìn)一步研究場(chǎng)地地形、爆源距離等因素對(duì)周?chē)?(構(gòu)) 筑物的爆破振動(dòng)效應(yīng)的影響特性，本文根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[20]的規(guī)定，采用薩道夫斯基(Sadaovsk)公式來(lái)預(yù)測(cè)具有不同爆源水平距離的爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，其公式如下：

(1)

式中：v為爆破振動(dòng)速度(cm/s)；Q為最大單段藥量(kg)；R為爆源水平距離，即保護(hù)對(duì)象至爆區(qū)中心的距離(m)；k、α分別為與爆源至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，根據(jù)類(lèi)似地區(qū)實(shí)測(cè)振動(dòng)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，本次取k=32.1、α=1.54。

將各質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度峰值的監(jiān)測(cè)值和理論值與爆源水平距離的變化關(guān)系曲線(xiàn)繪制于圖8。

注：DC-DQS表示東汊干塢對(duì)接端南側(cè)地連墻；DC-DQN表示東汊干塢對(duì)接端北側(cè)地連墻；DJ-DQS表示東津明挖隧道對(duì)接端南側(cè)地連墻；DJ-DQN表示東津明挖隧道對(duì)接端北側(cè)地連墻；DC-ZST表示東津明挖隧道對(duì)接端暗埋段隧道主體結(jié)構(gòu)；DC-CG表示東汊干塢對(duì)接端干塢內(nèi)待浮運(yùn)沉管；DJ-CJ表示東津明挖隧道對(duì)接端附近城市景觀河水閘；DJ-XT表示東津明挖隧道對(duì)接端附近新建圖書(shū)館；DC-WS表示東汊干塢對(duì)接端附近的污水處理廠球形罐體。

由圖8可見(jiàn)，當(dāng)爆源水平距離小于50 m時(shí)，隨著爆源水平距離的增大，各質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度峰值的監(jiān)測(cè)值和理論值都快速衰減，此區(qū)間屬于爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)，但由于薩達(dá)夫斯基公式?jīng)]有考慮水的影響及爆破影響因素的復(fù)雜性，理論計(jì)算值明顯小于實(shí)際監(jiān)測(cè)值；當(dāng)爆源水平距離位于50～150 m范圍內(nèi)時(shí)，隨著爆源水平距離的增大，各質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度峰值的衰減趨勢(shì)變緩，此區(qū)間屬于爆破振動(dòng)過(guò)渡區(qū)；當(dāng)爆源水平距離大于150 m時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度峰值理論值與近場(chǎng)區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)值相比很小，此區(qū)間屬于爆破振動(dòng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。

同時(shí),將表4、表3與圖8對(duì)比可知，東津明挖隧道對(duì)接端爆破區(qū)附近新建圖書(shū)館的爆源水平距離(220 m)比東汊干塢對(duì)接端爆破區(qū)附近污水處理廠球形罐體的爆源水平距離(345 m)小，然而污水處理廠球形罐體結(jié)構(gòu)的三向爆破振動(dòng)速度峰值(順軸向0.20 cm/s、徑向0.29 cm/s、豎直向0.15 cm/s)大于或接近新建圖書(shū)館結(jié)構(gòu)的三向爆破振動(dòng)速度峰值(順軸向0.09 cm/s、徑向0.05 cm/s、豎直向0.18 cm/s)，分析其原因認(rèn)為：由于污水處理廠球形罐體位于東汊超大型干塢深基坑邊緣(見(jiàn)圖2)，且其臨坑側(cè)地基得到了明顯的加固處理，高陡的坑邊地形引起爆破地震動(dòng)在此處局部放大效應(yīng)；而東津明挖隧道對(duì)接端圖書(shū)館周邊地形平坦，不存在地形造成的爆破地震動(dòng)放大效應(yīng)。

3.2 周?chē)虮扑畵舨ūO(jiān)測(cè)結(jié)果分析

沉管對(duì)接端深基坑止水墻拆除爆破時(shí)，一部分炸藥能量從被爆體中逸出至水中或者爆破時(shí)生成的高壓氣體直接作用于水中形成水擊波，其動(dòng)水壓力峰值隨傳播距離的增加很快衰減，持續(xù)時(shí)間一般在幾個(gè)毫秒以?xún)?nèi)；另外還有部分炸藥能量通過(guò)巖體或被爆體以應(yīng)力波的形式作用于水中，產(chǎn)生水體振動(dòng)而形成脈動(dòng)水壓力。由于大部分炸藥能量被用來(lái)破碎、拋擲被爆體，只有小部分能量形成水擊波，另外巖坎爆破拆除為有限水域，水擊波在傳播中經(jīng)過(guò)多次折射與反射，還將耗散部分能量。因此，在工程實(shí)際中，要從理論上計(jì)算爆破水擊波效應(yīng)是非常困難的，對(duì)于較重要的工程，一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)或參考類(lèi)似工程的實(shí)測(cè)資料，來(lái)確定適用于工程的爆破水擊波動(dòng)水壓力計(jì)算值。

由于沉管對(duì)接端深基坑止水墻爆破拆除時(shí)，內(nèi)側(cè)有鋼管樁阻擋，爆破時(shí)生成的高壓氣體不能直接作用于內(nèi)側(cè)水域形成水擊波對(duì)待浮運(yùn)沉管以及暗埋段隧道主體結(jié)構(gòu)造成影響。因此，本研究考慮水擊波作用于止水墻外側(cè)漢江水域，即研究由爆破所誘發(fā)的漢江水域水擊波對(duì)水生生物(魚(yú)類(lèi))的影響。本文主要根據(jù)類(lèi)似工程爆破水擊波動(dòng)水壓力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)預(yù)測(cè)爆破所誘發(fā)的水擊波動(dòng)水壓力的理論值，并對(duì)漢江水域各測(cè)點(diǎn)所得到爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值監(jiān)測(cè)值與爆源水平距離之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行非線(xiàn)性擬合，所采用的經(jīng)驗(yàn)公式以及擬合得到的公式，見(jiàn)表5。

表5 類(lèi)似工程爆破水擊波動(dòng)水壓力計(jì)算所采用的經(jīng)驗(yàn)公式及本研究所得擬合公式

由表5可知，本研究所得到的爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值的擬合公式系數(shù)明顯大于類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)，反映了沉管隧道對(duì)接端深基坑止水墻水下爆破作用的特殊性及其影響因素的復(fù)雜性，可為今后類(lèi)似工程案例爆破動(dòng)水壓力預(yù)測(cè)提供借鑒。

東汊干塢對(duì)接端深基坑止水墻爆破所誘發(fā)的水擊波動(dòng)水壓力峰值監(jiān)測(cè)結(jié)果和東津明挖隧道對(duì)接端止水墻爆破所誘發(fā)的水擊波動(dòng)水壓力峰值監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別見(jiàn)表6和表7。

表6 東汊干塢對(duì)接端爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值的監(jiān)測(cè)結(jié)果

表7 東津明挖隧道對(duì)接端爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值的監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表6和表7可知：在爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)的漢江水域內(nèi)產(chǎn)生的爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值達(dá)到了0.786 MPa，但隨著爆源水平距離的增加，爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值迅速衰減，爆破水擊波的影響范圍較??；此外，由于內(nèi)側(cè)鎖扣鋼管樁的阻擋作用以及水體黏性阻尼的減震效應(yīng)，待浮運(yùn)沉管附近水域內(nèi)的水擊波動(dòng)水壓力峰值僅為0.200 MPa，表明爆破引起的水擊波動(dòng)水壓力對(duì)其不產(chǎn)生影響，不會(huì)影響沉管對(duì)接端封門(mén)的止水結(jié)構(gòu)。

漢江水域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值的監(jiān)測(cè)值和擬合值及基于表5經(jīng)驗(yàn)公式所得預(yù)測(cè)值與爆源水平距離的變化關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)比，見(jiàn)圖9。

圖9 漢江水域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值的監(jiān)測(cè)值和擬合值及基于表5經(jīng)驗(yàn)公式所得預(yù)測(cè)值與爆源水平距離的變化關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)比

由圖9可見(jiàn)：當(dāng)爆源水平距離小于50 m時(shí)，隨著爆源水平距離的增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值的監(jiān)測(cè)值和預(yù)測(cè)值都快速衰減，此區(qū)間屬于爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)，但由于爆破影響因素的復(fù)雜性及沉管對(duì)接端止水墻水下爆破作用的特殊性，經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)值明顯小于實(shí)際監(jiān)測(cè)值；當(dāng)爆源水平距離位于50～150 m范圍內(nèi)時(shí)，隨著爆源水平距離的增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值的監(jiān)測(cè)值和預(yù)測(cè)值衰減趨勢(shì)變緩，此區(qū)間屬于爆破振動(dòng)過(guò)渡區(qū)；當(dāng)爆源水平距離大于150 m時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值的監(jiān)測(cè)值和預(yù)測(cè)值明顯小于近場(chǎng)區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)值和預(yù)測(cè)值，此區(qū)間屬于爆破振動(dòng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)沉管隧道對(duì)接端深基坑止水墻水下爆破對(duì)周?chē)h(huán)境的影響研究，主要得到如下結(jié)論：

(1) 當(dāng)爆源水平距離小于50 m時(shí)，爆破振動(dòng)速度峰值和爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值均隨爆源水平距的增加而快速衰減，爆源附近方圓50 m范圍內(nèi)屬于爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)；當(dāng)爆源水平距離在50～150 m范圍內(nèi)時(shí)，爆破振動(dòng)速度峰值與爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值的衰減速率均隨爆源水平距離的增加而變緩，爆源附近方圓50～150 m范圍內(nèi)屬于爆破振動(dòng)過(guò)渡區(qū)；當(dāng)爆源水平距離大于150 m時(shí)，爆破振動(dòng)速度峰值和爆破水擊波動(dòng)水壓力峰值的監(jiān)測(cè)值和預(yù)測(cè)值明顯小于近場(chǎng)區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)值和預(yù)測(cè)值，爆源附近方圓150 m范圍外屬于爆破振動(dòng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。

(2) 爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下連續(xù)墻等薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)速度呈現(xiàn)高峰值、高峰頻特征；爆破振動(dòng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)污水處理廠球形罐體等地面結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)速度呈現(xiàn)低峰值、低峰頻特征；而對(duì)接端附近干塢內(nèi)待浮運(yùn)沉管爆破振動(dòng)速度呈現(xiàn)低峰值、高峰頻特征。

(3) 對(duì)接端深基坑止水墻爆破對(duì)其近場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下連續(xù)墻等薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響較大，其爆破振動(dòng)速度峰值可超過(guò)其安全允許值，需考慮減震與隔震措施。

(4) 大型干塢深基坑的坑邊高陡地形將對(duì)爆破地震動(dòng)產(chǎn)生局部放大效應(yīng)，導(dǎo)致其附近地面建(構(gòu))筑物的爆破振動(dòng)效應(yīng)增強(qiáng)。

(5) 由于干塢深基坑內(nèi)水體黏滯阻尼的減震效應(yīng)，待浮運(yùn)沉管的爆破振動(dòng)速度峰值及水擊波動(dòng)水壓力峰值均明顯小于安全允許值，爆破危害效應(yīng)不會(huì)對(duì)其造成影響。爆破振動(dòng)近場(chǎng)區(qū)內(nèi)水擊波動(dòng)水壓力的峰值較大，但爆破水擊波的影響范圍較小。