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水利工程开挖爆破对新浇筑混凝土影响研究与应用

2016-05-26 责任编辑:崔玮娜

刘治峰1  张戈平2  迟利梅1

(1.河北省水利工程局,河北石家庄,050021;

2.南水北调中线干线工程建设管理局,河北石家庄,050035)

摘要:为满足水库防汛安全需要,岗南水库新增溢洪道抗滑竖井爆破开挖与混凝土浇筑交替进行。为控制爆破施工对新浇混凝土的危害,本工程通过试验监测应力、应变、质点振动速度、声波等数据,得出了新浇混凝土附件的爆破控制依据,以指导施工,也为类似工程施工提供了参考。

关键词:新浇混凝土;控制爆破;监测;控制标准

 

1前言

水利水电改扩建及除险加固工程中,由于施工场地限制及施工进度等原因,往往需要在新浇混凝土附近采用控制爆破进行石方开挖。炸药爆炸时所产生的冲击和振动,是否会对新浇混凝土产生一定的影响作用,其影响程度如何,能否引起新浇混凝土的破坏,是否会降低它的后期强度,是大家所关心的问题,因此对在新浇混凝土附近的爆破开挖进行研究是十分必要的。

工程概况

岗南水库位于河北省平山县,是以防洪、城市供水、灌溉为主,结合发电的综合性水利枢纽,总库容为11.63亿立方米,大(I)型水库。为确保水库下游石家庄市和京广铁路等重要设施的防洪安全,岗南水库扩建新增溢洪道工程。新增溢洪道采用大直径钢筋混凝土抗滑竖井来承受挑坎的荷载和利用自身抗剪能力来承担闸室以下陡坡至挑坎全段的剩余下滑力。为防止齿墙上、下游较破碎岩体的下滑,满足深层抗滑稳定的需要,保证齿槽开挖的施工安全,设计将齿槽划分为31个连续的竖井,分奇偶数列跳仓开挖。连续竖井布置图如图1所示。井体断面为椭圆形,奇数井为6.6×4.5m,深20m,偶数井6×4m,深15m,奇偶井互相紧贴,接触面宽度为2m。奇数井先开挖后即浇筑混凝土,随后进行偶数序列井的开挖、回填。

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由于开挖工程量大,工期紧迫,在施工中形成爆破开挖与混凝土浇筑相互交错施工的局面。爆破开挖是否会造成竖井的破坏或降低后期强度,如何减少这种不利因素的影响及在施工中采取何种程度的保护措施是迫切需要解决的生产实际问题。

3抗滑桩受力分析和观测方法

爆破对新浇混凝土的影响涉及诸多因素,包括炸药品种、药量、钻孔质量、堵塞质量、爆源距离、地质情况、边界条件和混凝土材料的物理力学特性等,目前还难以从理论上找到简单而明确的计算方法求解药包周围介质的应力场来指导工程实践。在爆破工程中,一般采用一维应力波模型,根据现场试验得到的应力波参量核算介质受到的最大应力并根据材料的强度理论进行判断,动应力值超过混凝土材料的极限破坏值则材料被破坏,反之是安全的。爆炸应力波衰减很快,作用时间又短,对大体积的结构物而言,破坏往往是局部的,特别对混凝土这种脆性材料拉应力造成的破坏范围很小。因此在新浇混凝土靠近开挖区一侧沿不同高程埋入应变计进行观测。

大量现场实验表明质点振动速度可以作为爆破振动安全的控制参量,且根据一维应力波关系,介质中某点应力值与该处的质点振速成正比,因而振动观测可以与应力应变观测互相验证。因此在新浇混凝土内部和表面分别埋人速度传感器进行观测。

除了观测混凝土的应力应变和运动参量来研究爆炸波在混凝土中传播和衰减规律外,还可以根据超声波来确定爆源周围混凝土在动载作用下的物理力学特性和内部破坏状态。如果介质内部结构发生变化,出现开裂或损伤、骨料脱落等就会造成声波的绕射或衍射使波速降低,通过爆炸前后混凝土块体超声波传播速度的变化可以判断是否产生某种程度的破坏。声波的传播速度与介质的密度和弹性模量之间存在一定的函数关系,而介质的弹性模量往往与强度相关联,因此超声波观测还是介质抗压强度的检测手段之一,根据声波的变化来判断混凝土的强度以及随着龄期的增加强度变化状况。

4模拟试验

为了解新浇混凝土在1d、3d龄期时抵抗爆破振动的能力,研究爆破对新浇混凝土的作用规律,本工程进行了模拟试验。试验地点选择在与实际开挖区有着类似地质条件的开挖齿槽下游侧。在基岩中开挖出1.5m×1.5m×1.5m的正方形深坑并回填混凝土,设计标号为C20,骨料为2级配。

4.1  测点布置

在混凝土块体内部及表面分别布置应变、振动和声波观测点,平面布置如图2所示。

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图2中①表示三个应变仪按x、y、z三个互相垂直方向固定在用钢筋焊接的试验支架上埋入混凝土中。②为振动观测仪器。③为声波测试孔。

4.2炮孔布置

4.2.1  1d龄期爆破炮孔布置

炮孔共布置4排,与试块距离分别为2.5m、4.5m、8m、12m。每排3孔,孔间距25cm,沿轴线对称布置,孔深2.5m,每孔装药600g,每排1800g,从孔底连续装药,上部用黏土堵塞。由炮孔与混凝土块体的距离来调整爆破产生的振动强度。从远到近逐次爆破,试块受到的振动影响逐渐增加。ld龄期爆破炮孔布置如图3所示。

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4.2.2 3d龄期爆破炮孔布置

为了模拟竖井开挖实际的爆破布孔,3d龄期炮孔采取浅孔密孔的炮孔布置,斜孔为掏槽孔,与地平面夹角为70°,共两排,每排5孔,孔距0.3m,孔深0.8m,每孔装药300g,掏槽孔共装药3000g。垂直孔共4孔,孔距0.4m,孔深0.8m,每孔装药300g,共装药1.2kg。斜孔用1段非电雷管起爆,垂直孔用3段非电雷管起爆。3d龄期炮孔布置如图4所示。

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4.3试验结果及分析

4.3.1振动与应变

ld龄期的混凝土块体质点振动速度最大值水平方向为35.67cm/s,竖直方向为12.52cm/s,振动卓越频率为25~108Hz,振动持续时间为0.1s。,在试验选定的爆源与地质条件下,振动波的衰减规律为:

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式中,v水平和v垂直分别为混凝土质点振动速度,cm/s;Q为药量,kg;R为爆源与测点距离,m。,

3d龄期的混凝土试块质点最大振速水平方向为30.58cm/s,竖直方向为10.75cm/s,振动频率为27.8~62.5Hz,振动持续时间不到0.1s:

从应变测试结果来看,传感器均能较好地反应应变波形,波形上升时间约为10ms,作用时间为数百毫秒。实测最大压应变为29µε最大拉应变为30.4µε。将实测数据进行回归分析可得试验块体1d龄期混凝土的应变与炸药量和距离的关系式如下:

径向压应变525150213.jpg

竖直向拉应变525150214.jpg

式(3)和式(4)的适用条件为: 5251502131.jpg

3d龄期进行爆破试验时,实测最大压应变为22.8µε,最大拉应变为6.24µε,虽然此时  5251502132.jpg    大于ld龄期时试验的最大值   5251502133.jpg 而实测应变要小一些。说明随混凝土强度的增加,受荷载时的应变量相应减小。

4.3.2  声波

爆破前后混凝土的声波变化见表l。

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利用跨孔法观测混凝土块体内部受爆破振动的影响范围和程度。表1中结果表明爆破前后声速的变化在仪器测试误差范围内,说明1d龄期和3d龄期的混凝土块体受了30~35cm/s的水平振速后未产生破坏和裂缝。随着龄期的增加,声速也增加,表明混凝土的强度亦在提高,处于完好状态。

4.3.3  室内试验

15cm3的标准试块浇筑24h后进行抗压强度试验,结果见表2。

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在埋有应变计的标准试块(编号为岗1、岗2、岗3)ld龄期时进行抗压强度试验,应力应变关系保持良好的线性,如图5所示。

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在岗2、岗3试件4d龄期时再做抗压试验,加至5t时,试件完好无损,应力应变关系仍保持良好线性。与ld龄期试验比较可看出,虽加荷压力增加较多,但应变量增加不大,主要是混凝土的弹模提高及塑性减小之故。试件继续加压,得到4d的抗压强度为16.4MPa。从破碎的试件可以发现应变计与混凝土结合很好,整体性强,能准确反映混凝土的应力应变历程。28d龄期的混凝土抗压强度为25.2MPa。

4.3.4宏观检查

宏观检查未发现由于爆破振动在试验块体表面产生任何纵向或横向裂纹,也未发现其他异常现象,混凝土质量良好。

4.3.5混凝土后期强度检验

声波观测结果表明爆破前后混凝土强度没有发生变化。但是经过强烈的爆破振动以后是否会影响后期强度,为此也进行了模拟试验。将1d龄期的混凝土标准试件浇筑在混凝土块体中,置于同一高程靠近炮孔一侧受振动影响最大的位置,24h后进行爆破振动试验,爆后分离取出标准条件下养护28d做抗压强度试验,结果见表3。

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经受爆破振动后28d试件抗压强度为23.1MPa,与标准养护条件下试件抗压强度变化不大,说明2d龄期的混凝土经受35cm/s的强烈振动后对其后期强度会有一定影响,但强度仍然较高,若适当控制,对后期强度不会产生大的影响。

4.4实验结果

考虑到试验块体尺寸形状与竖井实际情况的差别,以及地质情况爆源和材料的差别,试验中单次爆破与施工中多次爆破频繁振动的差别,对试验结果应考虑一定的安全系数,确保工程安全。结合施工进度和现场情况全面综合比较,岗南水库竖井开挖爆破建议ld龄期混凝土块体允许质点振速控制在2~3cm/s,3d龄期的混凝土块体控制在6~8cm/s。上述控制标准与现行爆破安全规程的规定基本相符。

5采取的控制爆破措施

根据试验结果,虽确定了施工中的各项控制指标,但在施工中必须控制爆破规模,采取合理的爆破方法,减小振动影响,充分保护新浇混凝土竖井的质量安全。为此提出如下的控制爆破措施:

(1)控制单响最大药量,增加雷管分段,采用毫秒延迟爆破及合理的起爆顺序。单响药量开始应不超过3kg,根据观测结果,随龄期增长混凝土的强度变化和施工需要再逐渐增加药量。

(2)新浇混凝土竖井ld龄期时,开挖井与其相隔距离至少两个井宽(12m)以上,3d龄期以上时方可进行相邻井的爆破施工。

(3)竖井上部因混凝土龄期短,强度低,易于变形,相邻井应避免全断面开挖,应采用台阶爆破分两次开挖。

(4)当奇数井回填混凝土时,两侧加双层稻草保护垫层,厚约8~10cm,用塑料袋包好放在新浇混凝土外侧与岩体紧密贴合。

(5)当奇数井的混凝土浇筑时,在混凝土的材料配比中加入早强剂,提高早期强度,以增加抗振能力。

6爆破开挖监测

实际爆破开挖时,选取两个竖井作为试验井,在施工时进行监测,了解爆破对新浇混凝土影响的规律,取得科学资料,指导其他竖井的施工。

6.1测点布置

在19号竖井154.5m、150.5m、145m、139.5n,四个高程分别埋设三分向振动传感器,在150.5m、149.Om、139.5m三个高程沿竖井两侧距钢筋内侧30cm处(距混凝土边缘50cm)分别埋设三分向应变计,共设10个观测点,30台仪器,以观察18号井和20号井的爆破施工对19号竖井新浇混凝土的影响。为进一步校核19号井的监测结果,又在29号井的▽154.5m设置三分向振动传感器,▽150.5m埋入三分向应变计观测28号井和30号井开挖爆破对29号井的影响,具体布置如图6所示。

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声波管埋设位置如图7所示,在奇数井的一侧浇筑混凝土时埋入两根平行的硬塑料管,内径Ф8cm,壁厚1mm,从154.5m直到139m高程,两管间距lm,其连线中点距混凝土外侧50cm。钢筋外侧混凝土厚10cm。

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6·2观测结果与数据分析

实测爆破开挖2l炮,数中19号井14炮,29号井7炮。经统计最大装药44.4kg,单响最大药量达到16.8kg。开挖方式由分段开挖过渡到全断面开挖,使用1~6段非电雷管,毫秒延迟爆破,炸药单耗约2kg/m3

6.2.1  应力应变观测

应力应变实测结果处表4。

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3~7d龄期实测最大压应变178µε,拉应变为132µε,随着龄期增加混凝土强度也增加,同样规模的爆破应变量则减少。7~14d龄期实测最大压应变144.5µε,最大拉应变119µε,14d以上龄期最大压应变85µε,最大拉应变103.9µε。由表4可以看出压应变尚有余地,而拉应变已接近混凝土的静态抗拉极限值;压应力尚有很大安全度,有5~7倍的安全系数,而拉应力大部分超过了极限抗拉强度。

6.2.2振动观测

振动观测见表5。

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由表5可以看出小于8d龄期的混凝土实测最大质点振速为14.84cm/s,8d以上龄期振速一般小于9cm/s,基本满足试验确定的控制标准。

6.2.3  声波观测

声波观测结果见表6。

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由表6可以看出爆破前后波速的变化量很小,并且还有所增大,说明混凝土强度随龄期增长而提高,未受到爆破施工的影响。

6.2.4宏观检查

爆后清渣时对两侧混凝土竖井进行了外观检查,未发现混凝土表面有裂缝及破坏现象。

6.3控制爆破施工监测结果

经过实际爆破施工监测,在偶数井的爆破施工中对奇数井新浇混凝土内部和表面未产生破坏影响,质量是有保证的,可以满足设计要求。

7结论

(1)经过岗南水库模拟试验和爆破施工过程中进行的应力应变、质点振速、声波传播速度多项观测以及爆破前后混凝土强度对比和宏观调查综合分析表明,新浇混凝土经过一定时期的硬化,本身具有一定的强度和整体性,能够抵御一定强度的爆破冲击。

(2)在施工过程中采用的控制单响药量、增加分段、毫秒延期、分次爆破、防振垫层等工程措施有效降低了爆破施工对新浇混凝土的影响和破坏。

(3)岗南水库爆破产生的动态拉应力已接近混凝土材料的抗拉强度,风险较大,建议类似工程实践中留出足够的安全余地。

参考文献

[1]刘治峰,张戈平,等.大型病险水库除险加固控制爆破技术[].北京:中国水利水电出版社,2011.

[2]冶金部安全技术研究所.GB 6722—2003爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社,2004.