紧邻桥梁水下钻孔爆破安全防控技术研究

覃振洲，苏 莹

(1.贵州宏信创达工程检测咨询有限公司，贵州 贵阳 550014；2.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

水下钻孔爆破是水下基坑基槽开挖的主要手段，在紧邻桥梁区域进行水下钻孔爆破，爆破产生的地震不可避免地会对桥梁结构的安全性与稳定性造成影响[1]。采用合理的控制措施减少爆破振动有害效应，保证桥梁安全性能是水下精细爆破的关键性技术。

水下钻孔爆破施工期过程中确保紧邻爆区桥梁安全是工程顺利进行的重要环节。本文针对水下钻孔爆破特点，提出了主动与被动爆破安全防控技术，从爆破器材、减振孔、爆破监测和起爆方式等方面对爆破振动效应进行有效控制，并将防控技术应用于实际工程，取得了较好的爆破控制效果。

1 主动控制技术

1.1 限制最大药量

单段最大药量是控制爆破效果和爆破有害效应的关键参数：若取值过大，会产生较大的地震波，从而引发桥梁强烈的爆破振动，同时也会使得岩块抛掷距离增大，不利于后期清渣；若取值过小，则达不到爆破效果。

《爆破安全规程》[2]中规定，质点峰值振速可按萨达夫斯基公式计算，其表达式为：

(1)

式中：K和α均为地质系数；R为爆心距；单段最大药量Q与质点峰值振速V成正比。为保证在爆破全过程中爆破振动速度始终处于可控范围内，则需要限制单段装药量Q的取值。对公式(2)进行等效变形可以得出：

(2)

1.2 优化炮孔布置与起爆

传统水下钻孔爆破通常采用直线型起爆方式，该方法的爆破设计、施工过程均较为简单，对爆破技术要求较低，但是存在许多缺点：起爆后形成的爆堆位移较大；爆破振害较为严重，后冲破坏大，将直接影响下一爆区的爆破效果；爆破块度较大，爆堆比较分散，清渣难度大。

紧邻桥梁水下钻孔爆破振动控制要求高，为了降低爆破振动强度，提出了“V”型起爆方式。同段炮孔之间呈折线型分布，加强了同段岩石间的碰撞挤压，岩石破碎效果较好；同时也为后段的爆破创造了较长的自由面，后冲力较小，避免了段间爆破的相互影响。“V”型起爆炮孔布置，如图1所示。

图1 “V”型起爆炮孔布置

1.3 采用微差爆破

爆破设计过程中所涉及的药量、孔距与排距在内的孔网参数、所采用的爆破形式及微差起爆的延迟间隔都会对爆破振动效应产生较大影响。在上述因素中微差起爆延迟间隔对爆破振动效应的影响最为显著。微差爆破的作用主要在于改变爆破总体能量在各爆破频带范围内的分布规律，分散爆破能量使邻近桥梁结构不致产生共振。因此，水下钻孔爆破必须采用微差爆破方式。

2 被动控制技术

2.1 减振孔减振

在爆源与被保护区域之间设置减振孔可使爆破振动减少30%～50%。爆破施工前，在掏槽区及爆破区域附近钻凿减振隔离带，从而使爆破过程中所产生的振动能量在临空面及隔离带被大量消耗吸收，用以保证隔离带后方对象的安全性能[3]。

由于爆破临空面中充满水体或空气，其波速远小于岩石波速，在爆破时所传递的振动能量远小于无裂隙的岩石直接传递的振动能量。当地震波传播至爆破临空面时传播介质发生了改变，爆破振动能量被大量消耗，从而达到对隔离带后方区域的保护作用。减振孔的减振效果主要与减振孔深度及爆源中心距离减振孔的距离有关。在减振孔深度一定的情况下，减振孔距爆源越近效果越好；在爆源中心相对减振孔位置一定的情况下，减振孔越深减振效果越好。

2.2 气泡帷幕控制

气泡帷幕就是控制水击波的一种有效措施[4]，其作用原理在于：在水下钻孔爆破过程中，通过在爆区周边预埋的管道装置喷射高压气体，在水中形成一堵密实的帷幕状空气墙，由于气泡具有可压缩性，当水击波波峰传播至气泡帷幕墙时，水击波动能部分转化为气泡压缩所需的内能，气泡中的能量一部分以热能的形式散发到水中，另一部分则是在气泡膨胀过程中被不断消耗，通过气泡的“卸载”作用，水击波压力得到衰减，从而起到保护周边建(构)筑物的作用。

2.3 试爆与监测

在开始爆破之前，应在待爆区域附近实施多次试爆，以保证爆区地形地质条件的一致性。在试爆过程中分别采用设计药量的50%，60%，70%，80%进行爆破，同时在爆区周边布设多个监测点，用以监测爆破过程中地面质点的振动速度，进一步保证周边建(构)筑物在设计药量作用下的安全性能。

为保证爆破安全，应在试爆过程中在桥墩及桥身布置多个测点，用来监测爆破过程中质点各个方向的振动速度、振动频率值，并依据监测获得的爆破振动数据修正爆破药量，确保桥梁在爆破振动作用下的安全性能。

3 工程应用

3.1 工程概况

重庆万州长江公路大桥全长为856.12 m，其中主跨长达420 m，是一座特大跨度的钢筋混凝土箱形拱桥。由于桥梁桥身及拱圈的防撞能力差，当船舶失控或走偏航道碰撞拱圈和立柱时，易引发重大安全事故，需要修建防撞设施保护桥梁安全。

防撞设施的水下基坑及基槽施工采用水下钻孔爆破进行，爆区距桥梁近(最近距离56 m)。爆破施工既要保证爆破效果又要确保万州长江公路大桥及导向井的安全，施工难度大。总体布置，如图2所示。

图2 桥梁防撞设施平面布置

3.2 爆破控制技术

3.2.1 药量控制

基于瑞典法爆破炸药单耗设计计算结果，本工程应将最大单段药量控制为12.5 kg，并且还应当根据现场的环境条件及地质条件调整爆破参数。当实际所需药量大于该值时，必须采用分段起爆方式进行爆破，使振动强度符合实际安全施工要求，保证施工安全及周边水域、环境的安全。

3.2.2 起爆方式

在万州长江公路大桥防撞带基槽爆破开挖工程中，由于节理裂隙发育，且具有一定倾角，采用“V”型爆破方式能达到更好的爆破效果；由于“V”型爆破抵抗线方向远离桥墩，爆破对桥梁影响较小，能起到更好的减震效果。

3.2.3 微差爆破

采用毫秒延期雷管进行微差爆破能够有效减小爆破地震效应。爆破施工时，延期段别应根据起爆炮孔数确定，1孔1段，因此最大单段药量即单孔药量。毫秒延期爆破能将一次起爆的总药量分散在不同的时间段(毫秒级)爆破，避免了爆破地震波的叠加。

3.2.4 减振孔

减振孔深度应当大于炮孔深度，同时孔间距不应大于500 mm。爆破设计过程中应当综合考虑实际情况，在本工程中可设置两组减振孔，组距5.5 m，每组两排，排距1.5 m；一排设置5个减振孔，孔距300 mm。减振孔直径为110 mm，距炮孔最优距离为15 m。

3.2.5 爆破监测

爆区与桥梁最近距离仅56 m，为了掌握爆破作用桥梁振动情况，在桥墩、桥面分别布设了监测点，如图3所示。

图3 桥梁振动监测点布置

施工顺序遵循由远及近原则，向桥梁方向推近，随着爆心距减小调整单段最大药量，确保实测桥梁爆破峰值振速控制在1.5 cm/s。

3.3 爆破效果

水下爆破试验完成后，采用4 m3铲斗挖泥船进行清渣施工，将水下破碎礁石挖起，以达到设计标高，从而满足设计要求。爆破完成后的清渣结果显示：礁石直径小于700 mm，松散系数为1.10～1.20，爆破粉碎效果较好，满足清渣要求。清渣施工效果，如图4所示。

图4 爆后清渣效果

同时，施工期内所有桥梁爆破振动监测数据均小于1.5 cm/s，处于安全范围内，确保了万州长江公路大桥安全。

4 结语

本文从爆破方式、减振孔、气泡帷幕和爆破监测措施等方面提出了水下钻孔爆破主被动联合防控技术。将主被动防控技术应用于重庆万州长江公路大桥防撞带建设项目，对工程实际的爆破控制技术进行了介绍，优化了爆破方案，获得较好的爆破效果，有效降低了爆破有害效应，确保了桥梁结构安全，研究成果对类似的紧邻建(构)筑物水下钻孔爆破工程具有一定借鉴意义。