颗珠山山体控制爆破技术方案

2011-08-13姜海福

中国港湾建设 2011年3期

姜海福

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

1 总体环境

颗珠山岛位于洋山深水港区西港区，被东海大桥分成南北两半，南侧、北侧分别距东海大桥颗珠山斜拉桥最近处只有10 m和15 m。为推进西港区建设，需对颗珠山岛实施开山爆破至+5.0 m，回填至+6.5 m作为工业场地，山体最高处+34.0 m，开山区域面积为19.81万m2，总爆破量约为108.52万m3，开山爆破时间主要集中在2008年3—5月份。开山爆破必须绝对保证颗珠山斜拉桥结构安全，同时不能影响东海大桥的正常通行。颗珠山爆破设计平面图见图1。

2 爆破方案

为保证颗珠山斜拉大桥的结构安全和桥面交通安全，对山体爆破必须加以控制。经多方研究论证，确定采用小孔径、多钻孔、小梯段、小药量、小抵抗线、低炸药单耗等控制爆破措施防止爆破飞石、减少爆破震动。设计要求开山最终边坡坡度为1∶1，在边坡地段采用预裂爆破方案，可以起到降震和隔震的效果；根据山体距离大桥远近和开山高度等进行分区段差别控制爆破：东海大桥边线外10～30 m区域山体由于受大桥安全地震波条件限制最大一段齐爆药量过小，开挖深度大多小于2 m，采用浅孔控制爆破方案；原开山爆破形成的+7～+8 m的场地（约80 000 m2）也采用浅孔控制爆破方案；东海大桥边线外30～50m区域山体则采用深孔微差间隔装药弱松动控制爆破方案；大桥边线外50～100 m范围采用加密孔深孔微差间隔装药松动控制爆破方案；大挢边线100 m以外范围采用深孔微差间隔装药松动控制爆破方案。

2.1 预裂爆破参数取值

开山边坡控制采用预裂爆破。本工程岩性属于中等硬度岩石，预裂爆破钻孔直径D取76 mm，孔深度大于主爆孔深度并小于 15 m，炮孔间距 a=（8～12）D，实际取 800 mm，钻孔精度按爆破规范要求控制；不耦合系数E=D/d，一般E=2～5，实际取3；预裂线装药密度q1按下式计算：

式中：q1为预裂线装药密度，g/m；δ为岩石抗压强度，取δ=150 MPa（对应不耦合系数 E=2～4）。

经计算，q1=393 g/m，实际取q1=450 g/m。为克服孔底岩石的夹制力，孔底装药量为线装药量的4倍，增加的药量均匀分布在孔底1.0 m的长度内，药卷直径d=25mm。

根据类似工程经验，主爆区最后一排缓冲孔至预裂孔的距离一般控制在1.2～2.0 m范围内，本工程取1.5 m，预裂孔超前主爆孔的起爆时间不短于75 ms，本工程设定100 ms。炮孔装药结构见图2。

图1 颗珠山爆破设计平面图

图2 炮孔装药结构示意图

2.2 爆破控制参数取值

颗珠山斜拉桥边线外10～30 m段、30～50 m段、50～100 m段、以及100 m外段爆破控制参数取值见表1。

2.3 微差间隔、起爆网络路设计

为减少爆破震动对爆破作业点周围设施的危害，采用微差爆破法。合理选定微差间隙时间可以避免最大振动峰值的叠加，起到良好的减振作用，微差间隔时间一般由下式计算：式中：k为与岩石有关的系数，取k=6，W为最小抵抗线。

表1 爆破控制参数取值参考表

经过计算：t=15 ms

根据安全评估的要求，深孔微差间隙时间：孔间选用25 ms或50 ms，排间选定110 ms。起爆网路设计采用毫秒微差导爆雷管与电雷管联合起爆的方法，即：每孔内延伸出的导爆管用四通管联接成环形闭合网络，最后从网路延伸出来网路总线，在导爆管总线端反向绑扎起爆电雷管，再用导线联到起爆电源上。先用起爆器引爆电雷管，电雷管引爆导爆管雷管，再由导爆管雷管引爆孔内炸药，具体网路联接见图3。

图3 爆破网络图

2.4 爆破参数调整

在大规模爆破前，选择2～3处岩性较为典型的山体进行试爆，通过试爆比较，对预定的爆破参数进行修正，确定更合理的孔距、排距、起爆时差、炸药单耗等爆破参数，以有效控制后续大范围爆破施工。本工程需要爆破的山体大部分处于距离颗珠山斜拉桥50 m以外，试验爆破可选择在距离大桥100 m以外的合适位置，最大单响药量不大于150 kg，一次爆破总药量不超过1 000 kg，根据爆破监测情况逐步调整最大单响药量。

3 控制标准

洋山深水港区所处地理位置在VI度地震烈度区，根据国家抗震安全规定，并考虑到大桥的重要性，将控制标准提高一级，按VII地震区设防，大桥基础的安全振动标准控制在5 cm/s以内。

4 技术措施

4.1 减小振动的技术措施

减小振动的技术措施为：①减小单段最大药量；②增加起爆段数；③采用微量起爆时差改变振动叠加状态，降低振动影响；④采用预裂爆破或打防震孔，以降低主爆区地震波对保留区的影响；⑤一次起爆规模不要过大，避免由于实际抵抗线增加而加大地震效应。

4.2 防范飞石的技术措施

为了保证颗珠山斜拉桥的桥面通行安全，应严格防止飞石掉入大桥车道，主要采取以下防范措施：①控制起爆方向，使凌空面背离大桥或其他保护物方向；②对炮孔上部实施全覆盖和保护；③选择合理的松动爆破单位耗药量，不追求抛掷效果，选用低爆速炸药；④合理确定起爆顺序，采用斜线或V形起爆，使爆堆集中，排与排之间的起爆时间适当延长，避免后排岩体向上飞出；⑤注意断层、软弱带、裂隙等地质构造，改变装药结构；⑥在大桥两侧设立屏障或采取其他防护设施，以遮挡爆破飞散碎块。

5 安全分析

5.1 爆破振动安全校核

爆破地震安全性指标以保护对象所在质点峰值振动速度作为判断依据。根据有关规定[1-2]，“钢筋混凝土结构房屋”的安全允许振速取值为3～5 cm/s，鉴于东海大桥的特别重要性及特殊结构性，其坚固程度必须要比普通钢筋混凝土结构房屋高，所以取上限5 cm/s；参考中原苏联对爆破地震危险半径的计算所述[3]，“多次爆破作用下工业建筑、运输栈桥、坚固的或比较坚固的大中桥梁”的允许振动临界速度取值为5～10 cm/s；以及设计[4]提出的安全允许振速取值为5 cm/s；本次施工允许振速取5 cm/s。

按照规范[1-2]和大量工程实践经验，采用下式计算控制最大一段安全起爆药量。

式中：Q为最大一段安全起爆药量，kg；V为爆破地震波速度，cm/s；K为与地质、地形条件有关的系数，取K=200；a为衰减系数，取a=1.65；Rd为爆源中心至保护物距离，m。

取大桥允许振动临界速度值为5 cm/s，计算控制最大一段安全起爆药量Q，结果见表2。

表2 最大一段安全起爆药量

按前述爆破参数，距离大桥边线不同距离的单孔装药量见表3。

表3 单孔装药量

由于距离大桥边线10～50 m范围内的爆破山体集中在颗珠山下行匝道原开山部位，实际距离大桥超过50 m，上述单孔装药量足以满足正常的微差爆破网路连接。

5.2 爆破安全距离计算

1）爆破地震波安全距离Rd由式（3）为：

根据相关报告，取V=5 cm/s。计算结果列入表4。

表4 爆破地震波安全距离

2）爆破空气冲击波最小安全距离Rk按下式计算：

式中：K为与爆破作用指数，爆破状态有关的系数，取K=1.5；Q为一次爆破总装药量，kg。计算结果列入表5。

表5 爆破空气冲击波安全距离Rk

3）个别飞石安全距离计算。个别飞石对人员的安全距离必须符合规程[1]中个别飞石的最小安全距离。个别飞石安全距离RF按下式计算：

式中：RF为个别飞石安全距离，m；d为炮孔直径，为7.6 cm。

经计算：RF=120 m

为避免个别飞石的危害，要加强堵塞，堵塞长度不小于最小抵抗线。检查校核最小抵抗线，如发现和设计不符应及时更正，防止最小抵抗线方向产生的飞石朝向东海大桥方向。

4）圈定爆破警戒范围。根据规定[1]，计算距离取1）、2）、3）的最大值120 m，但当计算安全距离不符合规定[1]的深孔爆破不小于200 m时，按深孔爆破不小于200 m确定爆破安全距离。故取爆破安全警戒半径为200 m圈定爆破警戒范围，爆破警戒范围及警戒点以爆破通知单的形式送达有关单位。

6 安全监测

鉴于大桥的重要性，本工程爆破安全监测除了施工单位自己设定的监测外，委托两家有资质的监测单位联合对大桥实施监测。监测充分利用大桥已安装的桥梁健康监测系统，在此基础上再添置爆破振动监测所需的仪器设备及系统软件。监测内容为：桥梁振动加速度响应监测，梁、塔结构关键断面应变响应监测、大地振动速度监测，爆破视频监控等。监测点除对颗珠山斜拉桥设置外，增加对海堤及周围敏感物的布点监测。实际监测中共设置28个传感器、9个视频摄像头。根据监测数据的分析，总结爆破振动波的衰减规律，不断修正爆破控制参数，调整爆破方案，确保大桥安全。