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氣泡帷幕在長江三峽泄水箱涵口爆破的應用

2016-04-28 責任編輯:崔瑋娜

胡鵬飛

(長江重慶航道工程局,重慶,400011)

摘要:長江三峽工程永久船閘泄水箱涵的臨時封堵門由橡膠止水密封與永久船閘相連,箱涵出口爆破開挖時臨時船閘正在無水施工,爆破不能引起橡膠止水漏水,否則,永久船閘的后期設備安裝、閘門的無水調試等工作將無法進行。為此,必須降低爆破水擊波壓力。

關鍵詞:氣泡帷幕;水擊波壓力;封堵門;應用

1工程概況

1﹒1地理位置及周圍環境

長江三峽工程永久船閘旁側泄水箱涵出口位于隔流堤的GJ圍堰內,其樁號為CK+005~CK+103,全長98m,其河床地標高45~54m。GJ圍堰與隔流堤相連,泄水箱涵為隱蔽工程,在隔流堤以下,為圍堰現澆的鋼筋混凝土工程,其橫斷面為兩孔箱涵,中間為隔墻,作用為永久船閘的泄水通道,以便永久船閘的水流能夠通過泄水箱涵順利排入長江。泄水箱涵出口為U形槽,U形槽與爆破開挖的最近距離僅5m。泄水箱涵出口距臨時封堵門的距離約為500m。臨時封堵門由橡膠止水密封與永久船閘相連,箱涵出口爆破開挖時臨時船閘正在施工,爆破不能引起橡膠止水漏水,否則,臨時船閘的后期設備安裝、閘門的無水調試等工作將無法進行。工程平面布置示意圖如圖1所示。

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1.2水文條件

根據多年三峽流量與水位變化關系,洪峰出現在每年的6~8月,在此期間流速接近3m/s,其余時間施工條件較好。施工區表面流速在1m/s左右,主流偏南,流態較好。施工水深在12~2lm之間。

1.3地質及隔流堤填料組成

箱涵出口段河床表面由塊球體和淤沙組成,底層為花崗巖,基巖的表層為強風化層,其下為弱風化層。隔流堤填料由風化沙、碎石、中石及大塊石組成,堰體以下的河床表面為泥沙或塊球體,下層為基巖。

1.4爆破工程量

水下巖石開挖:出流槽開挖長度98m,斷面編號為CK+103~CK+005,寬度22.3~24.7m,設計底高為44.4m,設計斷面為梯形斷面,其邊坡為1:1(見圖2)。最大開挖厚度為9m,平均開挖厚度約為4m,爆破工程量為23300m3

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1.5  保護對象及爆破安全指標允許值

本工程的重點保護對象為泄水箱涵的臨時封堵門、箱涵出口U形槽混凝土和隔流堤的安全。其安全振速、水擊波壓力允許標準見表1。

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該工程為水下炸礁,為保證保護對象的安全,需采取控制爆破措施,降低爆破震動效應,減小水擊波壓力值。

2爆破方案的制定

箱涵口爆破開挖工程距重要的保護對象很近且為水下炸礁,在制定爆破開挖方案時,既要提高爆破功效,又要保證被保護的重要建筑物的安全。根據爆源與保護對象的距離,采用分區段控制爆破方案,即分三個區段爆破,嚴格控制單段起爆藥量;爆破施工順序按距箱涵口由遠到近既由河心一側向岸邊推進的次序進行。

距離箱涵口最近的CK+020~CK+005區段分三層爆破,其余區段單層爆破,但根據不同的距離控制單段的起爆藥量并采取如下的爆破措施:

(1)雷管及炸藥的加工。采用毫秒電雷管起爆。每個起爆體用兩發雷管。鑒于雷管承受3個以上的壓力,雷管應作防水處理。乳化炸藥用PVC管加工成錐形,便于炸藥裝入孔底部。嚴格控制各段雷管的時間差,以控制單段齊爆藥量,減小爆破地震波和水擊波的危害。

(2)炮孔堵塞措施。用碎石堵塞至孔口,減小爆破產生的水擊波。

(3)單段最大藥量和一次性起爆藥量。爆破初期用《爆破安全規程》的振速計算公式:  421163531.jpg

   

確定單段最大藥量。結合爆破試驗及爆破監測的水擊波壓力值和振速值,藥量由小到大,直到最終確定一次性的起爆藥量和單段最大藥值數值。

(4)采用氣泡帷幕降低水擊波壓力。分區段監測爆破水擊波壓力值和振速值。CK+020~CK+005區段每炮次監測,其余區段開始階段各監測3次。

3爆破參數

3.1孔距、排距最小抵抗線的選取

決定鉆孔孔距及排趴的主要因素為巖石性質、孔深、炸藥種類、單孔裝藥量、清渣設備、起爆方式等。其計算公式見式(1):

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式中   W---最小抵抗線;

  H---爆破層厚度,1.5~9m。

實際工作中,孔排距應于斗容為4m3的挖泥船匹配,為便于清查,實際布孔如下:a=2.5m,b=2.20m。

水下鉆孔輔助時間長,工效比陸地上低得多。炮孔孔徑較大,既便于裝藥又可適當加大孔排距,鉆孔直徑為105mm。

3.2鉆孔超深

河床由于受到水流的沖刷,表面凹凸不平裂隙較多地形復雜,為使巖石一次均勻破碎到設計高程而不留殘埂,考慮到水下爆破的復雜性和施工區巖石堅硬,超深應加大,取超深1.5~2.0m。同一施工區域采用同一超深值,以便爆破清查后的巖面達到同一標高。

3.3單孔裝藥量計算

水下鉆孔爆破單孔裝藥量計算見式(2):

首排鉆孔:                  421163533.jpg

后排鉆孔:              

式中q----單位體積炸藥消耗量,kg/m3。水下爆破受水文、地質、河床形態的影響,炸藥單耗比陸上大。水下鉆爆炸藥單耗取q=1.3kg/m3

a——炮孔間距,m;

b——炮孔排距,m;

h——設計開挖厚度。

3.4裝藥和堵塞

當孔深小于5m時用于一個起爆體,采用連續裝藥,起爆體布置在裝藥長度的中上部;孔深大于5m時,用兩個起爆體。每個起爆體中用同段的兩發電雷管,孔深大于5m的鉆孔裝藥結構如圖3所示。

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堵塞長度:CK+020~CK+005段距箱涵口最近,需加大堵塞長度,堵塞長度為2.2m左右,其余區段炮孔的堵塞長度取1.8m左右,用碎石夾砂堵塞至孔口。

3.5各區段單段最大藥量和一次起爆藥量

(1)CK+103~CK+040斷面的爆破。該區段距箱涵口較遠,開挖厚度在3m左右,每次鉆爆的區域可大一些,一次鉆爆的排數為3~4排,施工中最大單段藥量控制在200kg以內,同排的10個鉆孔布置兩個段別的雷管,一次性起爆最大藥量控制在800kg以內。

(2)CK+040~CK+020斷面的爆破。該區段距箱涵口較近,開挖厚度5m左右,單孔裝藥量亦較大,一次鉆爆的區域應適當縮小。每次鉆爆不超過兩排,同排的10個鉆孔,雷管布置5個段,單段最大藥量控制在60kg以內,一次性起爆最大藥量控制在200kg以內。

(3)CK+020~CK+005斷面的爆破。該區段距箱涵口U形槽最近,為施工的重點和難點。為減小每段的裝藥量分三層爆破,爆破分層最大厚度定為3m,且雷管一孔一段,為避免爆破產生水擊波壓力疊加,相鄰孔的雷管時間間隔應適當加大。水擊波壓力箱涵出口處應為最大,箱涵出口處滿足了設計要求,封堵門距箱涵出口相距近500m,更能滿足設計要求。每鉆一排就起爆一次,每孔布置不同段位的雷管,單段藥最大量控制在8kg以內,一次性起爆的最大藥量控制在60kg以內。

3.6起爆網絡

為能達到減小振動和水擊波壓力,獲得好的爆破效果,需合理確定毫秒延期時間間隔。結合類似工程經驗,CK+020~CK+005斷面時間間隔定為75~100ms。其余區段毫秒延期時間間隔定為50~75ms。

段發雷管的布置方式由河心到岸邊,雷管段位由低到高即河心一側先爆,岸邊一側后爆。雷管段位為1~10段,即采用分排毫秒延期和同排相鄰孔毫秒延期爆破。

每個起爆體兩發雷管先串聯,孔與孔之間(或起爆體之間)再串聯,組成并串聯的電爆網路。鉆孔布置及起爆網路如圖4所示。

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4降低水擊波壓力的措施

4.1封堵門受水擊波壓力影響的主要因素

單段藥量的大小、爆破距離、毫秒延期間隔時間、堵塞情況、開挖厚度、水深、流速、爆破時淤沙是否“液化”、是否形成“管道效應”、是否采取封堵攔截措施等,這些因素皆為封堵門受水擊波壓力影響的主要因素。

4.2降低水擊波壓力方案

方案一:砂卵石堵塞箱涵口。在泄水箱涵口前面拋筑一層砂卵石保護層,阻擋水擊波進入泄水箱涵內,可以降低水擊波對臨時封堵門的破壞,但事后清理難度大、工作量大、成本高,施工時間將延長約20d,進入箱涵口的沙、卵石挖泥船無法清除。

方案二:氣泡帷幕措施。氣泡帷幕具有所需設備材料簡單、易實施、成本極低、效果好的優點。為防止爆破時淤沙“液化”和形成“管道效應”,爆破前,要清除箱涵口前段的淤沙。

通過以上分析,宜采用氣泡帷幕措施降低水擊波壓力值。

4.3氣泡帷幕裝置構成

用一根長25m、Ф70mm的無縫鋼管,高壓膠管一端與無縫鋼管連接成氣泡帷幕管,另一端與空壓機相連。無縫鋼管上鉆孔的孔距0.5m、孔徑Ф10mm,鉆兩排相互交錯的氣泡孔,其兩端封堵。氣泡帷幕管的結構如圖5所示。

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4.4氣泡帷幕裝置的布置

氣泡發射裝置長度應大于U形槽寬度,其位置選在箱涵出口以外垂直于U形槽前端約3m、水深約為17m的河床表面,這樣水擊波進入箱涵口之前受氣泡帷幕的影響就會衰減。

為保證獲得較好的氣泡帷幕效果,連接的空壓機壓力要達到1.3MPa,風量要達到20m3/min。氣泡帷幕的厚度越大,空氣含量越多,對水擊波的衰減作用越明顯。為此,設置兩層氣泡帷幕。

氣泡帷幕裝置的連接布置如圖6所示。

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5爆破振速監測

采用爆破振動記錄儀測試爆破振速,該儀器是集振動測量、數據處理、結果輸出為一體的測振儀器,配有專業軟件進行數據處理和分析。每個測點能測試出水平橫向、水平縱向和垂直向振速。箱涵口U形槽混凝土位于水下,儀器不能直接放置于該處,為此儀器放置于與箱涵口相連的陸上混凝土頂板和隔流堤處。

水擊波測試,每次爆破之前在箱涵口和出流槽軸線上布設水下傳感器,用浮標定位。PDL擊波測試儀配INV智能信號采集處理分析儀記錄,通過計算機配DASP數據處理分析軟件進行波形分析處理,輸出測試成果。從測試波形可以明顯看出,分段時間差大于50ms,波形無明顯的疊加現象,藥量最大的段別產生的振動速度值,水擊波壓力值亦最大,通過氣泡帷幕后的水擊波壓力值有明顯的衰減。

5.1  不采取氣泡帷幕措施的試驗監測成果

在沒有具體的數據可供參考與分析的情況下,我們在無氣泡帷幕情況下(即不影響施工進度,同等爆破藥量與爆破條件相似的區域)進行了試驗,監測水擊波壓力數據結果見表2。

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測得的水擊波壓力最小值為0.584MPa,遠遠大于泄水箱涵臨時封堵門的設計水擊波壓力安全0.06MPa,由此可如,如不采取任何降低水擊波壓力的措施,就不能保證泄水箱涵封堵門的安全。

5.2施工時實施氣泡帷幕后監測的水擊波壓力

在箱涵出門U形槽內設置氣泡帷幕后,水擊波壓力降低明顯,通過多次監測,水擊波壓力成果見表3。

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監測時在氣泡帷幕前后各布置一個測點,對水擊波壓力的衰減情況進行了監測。以便于對氣泡帷幕前后的水擊波壓力進行比較。測點布置情況如圖7所示。

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為保證被保護建筑物的安全,共進行14次爆破振動監測,12次水擊波測試,實測隔流堤爆破振動速度為0.28~2.54cm/s,推算出箱涵口U形槽混凝土的爆破最大振速為6.8m/s,頻率為15~7lHz,實測箱涵出口處水擊波壓力值為0.032~0.055MPa,均在安全控制標準以內。

6爆破效果

鉆爆結束后,用抓揚式挖泥船清渣,巖石粒徑一般在0.5m以內,爆破效果好。U形槽在水下,振速監測儀器不能直接放置于該處,為此,儀器放置于與箱涵口相連的陸上混凝土頂板上。混凝土頂板處所測得的最大爆破振速為2.54m/s,由此推算出箱涵出口U形槽的最大爆破振速為6.8m/s,U形槽和隔流堤處產生的爆破振速均滿足安全允許值。爆破產生水擊波壓力最大值為0.055Mp,小于設計的O.06Mp,水擊波壓力也滿足設計要求。通過現場觀察U形槽和隔流堤無任何裂紋產生,由此可知,爆破產生的振速、水擊波壓力對被保護的建筑物無害。因臨時封堵門距箱涵口約500m,該處水擊波壓力值難以定量,但在整個爆破開挖過程中并未發現閘門處的橡膠止水滲漏量增加,而致使KL圍堰內積水水位明顯變化。說明閘門及止水系統完好無損,確保了泄水箱涵和箱涵封堵門的安全。

參考文獻

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摘自《中國爆破新進展》