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气泡帷幕在长江三峡泄水箱涵口爆破的应用

2016-04-28 10:33:11.0 责任编辑:崔玮娜

胡鹏飞

(长江重庆航道工程局,重庆,400011)

摘要:长江三峡工程永久船闸泄水箱涵的临时封堵门由橡胶止水密封与永久船闸相连,箱涵出口爆破开挖时临时船闸正在无水施工,爆破不能引起橡胶止水漏水,否则,永久船闸的后期设备安装、闸门的无水调试等工作将无法进行。为此,必须降低爆破水击波压力。

关键词:气泡帷幕;水击波压力;封堵门;应用

1工程概况

1﹒1地理位置及周围环境

长江三峡工程永久船闸旁侧泄水箱涵出口位于隔流堤的GJ围堰内,其桩号为CK+005~CK+103,全长98m,其河床地标高45~54m。GJ围堰与隔流堤相连,泄水箱涵为隐蔽工程,在隔流堤以下,为围堰现浇的钢筋混凝土工程,其横断面为两孔箱涵,中间为隔墙,作用为永久船闸的泄水通道,以便永久船闸的水流能够通过泄水箱涵顺利排入长江。泄水箱涵出口为U形槽,U形槽与爆破开挖的最近距离仅5m。泄水箱涵出口距临时封堵门的距离约为500m。临时封堵门由橡胶止水密封与永久船闸相连,箱涵出口爆破开挖时临时船闸正在施工,爆破不能引起橡胶止水漏水,否则,临时船闸的后期设备安装、闸门的无水调试等工作将无法进行。工程平面布置示意图如图1所示。

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1.2水文条件

根据多年三峡流量与水位变化关系,洪峰出现在每年的6~8月,在此期间流速接近3m/s,其余时间施工条件较好。施工区表面流速在1m/s左右,主流偏南,流态较好。施工水深在12~2lm之间。

1.3地质及隔流堤填料组成

箱涵出口段河床表面由块球体和淤沙组成,底层为花岗岩,基岩的表层为强风化层,其下为弱风化层。隔流堤填料由风化沙、碎石、中石及大块石组成,堰体以下的河床表面为泥沙或块球体,下层为基岩。

1.4爆破工程量

水下岩石开挖:出流槽开挖长度98m,断面编号为CK+103~CK+005,宽度22.3~24.7m,设计底高为44.4m,设计断面为梯形断面,其边坡为1:1(见图2)。最大开挖厚度为9m,平均开挖厚度约为4m,爆破工程量为23300m3

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1.5  保护对象及爆破安全指标允许值

本工程的重点保护对象为泄水箱涵的临时封堵门、箱涵出口U形槽混凝土和隔流堤的安全。其安全振速、水击波压力允许标准见表1。

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该工程为水下炸礁,为保证保护对象的安全,需采取控制爆破措施,降低爆破震动效应,减小水击波压力值。

2爆破方案的制定

箱涵口爆破开挖工程距重要的保护对象很近且为水下炸礁,在制定爆破开挖方案时,既要提高爆破功效,又要保证被保护的重要建筑物的安全。根据爆源与保护对象的距离,采用分区段控制爆破方案,即分三个区段爆破,严格控制单段起爆药量;爆破施工顺序按距箱涵口由远到近既由河心一侧向岸边推进的次序进行。

距离箱涵口最近的CK+020~CK+005区段分三层爆破,其余区段单层爆破,但根据不同的距离控制单段的起爆药量并采取如下的爆破措施:

(1)雷管及炸药的加工。采用毫秒电雷管起爆。每个起爆体用两发雷管。鉴于雷管承受3个以上的压力,雷管应作防水处理。乳化炸药用PVC管加工成锥形,便于炸药装入孔底部。严格控制各段雷管的时间差,以控制单段齐爆药量,减小爆破地震波和水击波的危害。

(2)炮孔堵塞措施。用碎石堵塞至孔口,减小爆破产生的水击波。

(3)单段最大药量和一次性起爆药量。爆破初期用《爆破安全规程》的振速计算公式:  421163531.jpg

   

确定单段最大药量。结合爆破试验及爆破监测的水击波压力值和振速值,药量由小到大,直到最终确定一次性的起爆药量和单段最大药值数值。

(4)采用气泡帷幕降低水击波压力。分区段监测爆破水击波压力值和振速值。CK+020~CK+005区段每炮次监测,其余区段开始阶段各监测3次。

3爆破参数

3.1孔距、排距最小抵抗线的选取

决定钻孔孔距及排趴的主要因素为岩石性质、孔深、炸药种类、单孔装药量、清渣设备、起爆方式等。其计算公式见式(1):

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式中   W---最小抵抗线;

  H---爆破层厚度,1.5~9m。

实际工作中,孔排距应于斗容为4m3的挖泥船匹配,为便于清查,实际布孔如下:a=2.5m,b=2.20m。

水下钻孔辅助时间长,工效比陆地上低得多。炮孔孔径较大,既便于装药又可适当加大孔排距,钻孔直径为105mm。

3.2钻孔超深

河床由于受到水流的冲刷,表面凹凸不平裂隙较多地形复杂,为使岩石一次均匀破碎到设计高程而不留残埂,考虑到水下爆破的复杂性和施工区岩石坚硬,超深应加大,取超深1.5~2.0m。同一施工区域采用同一超深值,以便爆破清查后的岩面达到同一标高。

3.3单孔装药量计算

水下钻孔爆破单孔装药量计算见式(2):

首排钻孔:                  421163533.jpg

后排钻孔:              

式中q----单位体积炸药消耗量,kg/m3。水下爆破受水文、地质、河床形态的影响,炸药单耗比陆上大。水下钻爆炸药单耗取q=1.3kg/m3

a——炮孔间距,m;

b——炮孔排距,m;

h——设计开挖厚度。

3.4装药和堵塞

当孔深小于5m时用于一个起爆体,采用连续装药,起爆体布置在装药长度的中上部;孔深大于5m时,用两个起爆体。每个起爆体中用同段的两发电雷管,孔深大于5m的钻孔装药结构如图3所示。

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堵塞长度:CK+020~CK+005段距箱涵口最近,需加大堵塞长度,堵塞长度为2.2m左右,其余区段炮孔的堵塞长度取1.8m左右,用碎石夹砂堵塞至孔口。

3.5各区段单段最大药量和一次起爆药量

(1)CK+103~CK+040断面的爆破。该区段距箱涵口较远,开挖厚度在3m左右,每次钻爆的区域可大一些,一次钻爆的排数为3~4排,施工中最大单段药量控制在200kg以内,同排的10个钻孔布置两个段别的雷管,一次性起爆最大药量控制在800kg以内。

(2)CK+040~CK+020断面的爆破。该区段距箱涵口较近,开挖厚度5m左右,单孔装药量亦较大,一次钻爆的区域应适当缩小。每次钻爆不超过两排,同排的10个钻孔,雷管布置5个段,单段最大药量控制在60kg以内,一次性起爆最大药量控制在200kg以内。

(3)CK+020~CK+005断面的爆破。该区段距箱涵口U形槽最近,为施工的重点和难点。为减小每段的装药量分三层爆破,爆破分层最大厚度定为3m,且雷管一孔一段,为避免爆破产生水击波压力叠加,相邻孔的雷管时间间隔应适当加大。水击波压力箱涵出口处应为最大,箱涵出口处满足了设计要求,封堵门距箱涵出口相距近500m,更能满足设计要求。每钻一排就起爆一次,每孔布置不同段位的雷管,单段药最大量控制在8kg以内,一次性起爆的最大药量控制在60kg以内。

3.6起爆网络

为能达到减小振动和水击波压力,获得好的爆破效果,需合理确定毫秒延期时间间隔。结合类似工程经验,CK+020~CK+005断面时间间隔定为75~100ms。其余区段毫秒延期时间间隔定为50~75ms。

段发雷管的布置方式由河心到岸边,雷管段位由低到高即河心一侧先爆,岸边一侧后爆。雷管段位为1~10段,即采用分排毫秒延期和同排相邻孔毫秒延期爆破。

每个起爆体两发雷管先串联,孔与孔之间(或起爆体之间)再串联,组成并串联的电爆网路。钻孔布置及起爆网路如图4所示。

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4降低水击波压力的措施

4.1封堵门受水击波压力影响的主要因素

单段药量的大小、爆破距离、毫秒延期间隔时间、堵塞情况、开挖厚度、水深、流速、爆破时淤沙是否“液化”、是否形成“管道效应”、是否采取封堵拦截措施等,这些因素皆为封堵门受水击波压力影响的主要因素。

4.2降低水击波压力方案

方案一:砂卵石堵塞箱涵口。在泄水箱涵口前面抛筑一层砂卵石保护层,阻挡水击波进入泄水箱涵内,可以降低水击波对临时封堵门的破坏,但事后清理难度大、工作量大、成本高,施工时间将延长约20d,进入箱涵口的沙、卵石挖泥船无法清除。

方案二:气泡帷幕措施。气泡帷幕具有所需设备材料简单、易实施、成本极低、效果好的优点。为防止爆破时淤沙“液化”和形成“管道效应”,爆破前,要清除箱涵口前段的淤沙。

通过以上分析,宜采用气泡帷幕措施降低水击波压力值。

4.3气泡帷幕装置构成

用一根长25m、Ф70mm的无缝钢管,高压胶管一端与无缝钢管连接成气泡帷幕管,另一端与空压机相连。无缝钢管上钻孔的孔距0.5m、孔径Ф10mm,钻两排相互交错的气泡孔,其两端封堵。气泡帷幕管的结构如图5所示。

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4.4气泡帷幕装置的布置

气泡发射装置长度应大于U形槽宽度,其位置选在箱涵出口以外垂直于U形槽前端约3m、水深约为17m的河床表面,这样水击波进入箱涵口之前受气泡帷幕的影响就会衰减。

为保证获得较好的气泡帷幕效果,连接的空压机压力要达到1.3MPa,风量要达到20m3/min。气泡帷幕的厚度越大,空气含量越多,对水击波的衰减作用越明显。为此,设置两层气泡帷幕。

气泡帷幕装置的连接布置如图6所示。

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5爆破振速监测

采用爆破振动记录仪测试爆破振速,该仪器是集振动测量、数据处理、结果输出为一体的测振仪器,配有专业软件进行数据处理和分析。每个测点能测试出水平横向、水平纵向和垂直向振速。箱涵口U形槽混凝土位于水下,仪器不能直接放置于该处,为此仪器放置于与箱涵口相连的陆上混凝土顶板和隔流堤处。

水击波测试,每次爆破之前在箱涵口和出流槽轴线上布设水下传感器,用浮标定位。PDL击波测试仪配INV智能信号采集处理分析仪记录,通过计算机配DASP数据处理分析软件进行波形分析处理,输出测试成果。从测试波形可以明显看出,分段时间差大于50ms,波形无明显的叠加现象,药量最大的段别产生的振动速度值,水击波压力值亦最大,通过气泡帷幕后的水击波压力值有明显的衰减。

5.1  不采取气泡帷幕措施的试验监测成果

在没有具体的数据可供参考与分析的情况下,我们在无气泡帷幕情况下(即不影响施工进度,同等爆破药量与爆破条件相似的区域)进行了试验,监测水击波压力数据结果见表2。

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测得的水击波压力最小值为0.584MPa,远远大于泄水箱涵临时封堵门的设计水击波压力安全0.06MPa,由此可如,如不采取任何降低水击波压力的措施,就不能保证泄水箱涵封堵门的安全。

5.2施工时实施气泡帷幕后监测的水击波压力

在箱涵出门U形槽内设置气泡帷幕后,水击波压力降低明显,通过多次监测,水击波压力成果见表3。

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监测时在气泡帷幕前后各布置一个测点,对水击波压力的衰减情况进行了监测。以便于对气泡帷幕前后的水击波压力进行比较。测点布置情况如图7所示。

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为保证被保护建筑物的安全,共进行14次爆破振动监测,12次水击波测试,实测隔流堤爆破振动速度为0.28~2.54cm/s,推算出箱涵口U形槽混凝土的爆破最大振速为6.8m/s,频率为15~7lHz,实测箱涵出口处水击波压力值为0.032~0.055MPa,均在安全控制标准以内。

6爆破效果

钻爆结束后,用抓扬式挖泥船清渣,岩石粒径一般在0.5m以内,爆破效果好。U形槽在水下,振速监测仪器不能直接放置于该处,为此,仪器放置于与箱涵口相连的陆上混凝土顶板上。混凝土顶板处所测得的最大爆破振速为2.54m/s,由此推算出箱涵出口U形槽的最大爆破振速为6.8m/s,U形槽和隔流堤处产生的爆破振速均满足安全允许值。爆破产生水击波压力最大值为0.055Mp,小于设计的O.06Mp,水击波压力也满足设计要求。通过现场观察U形槽和隔流堤无任何裂纹产生,由此可知,爆破产生的振速、水击波压力对被保护的建筑物无害。因临时封堵门距箱涵口约500m,该处水击波压力值难以定量,但在整个爆破开挖过程中并未发现闸门处的橡胶止水渗漏量增加,而致使KL围堰内积水水位明显变化。说明闸门及止水系统完好无损,确保了泄水箱涵和箱涵封堵门的安全。

参考文献

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摘自《中国爆破新进展》