临近既有线桥梁爆破防护技术

郭　煜

(中铁大桥局集团有限公司一公司　郑州　450053)

临近既有线桥梁爆破防护技术

郭煜

(中铁大桥局集团有限公司一公司郑州450053)

摘要新白沙沱长江特大桥3号墩位于长江深水区，临近既有运营铁路桥梁，施工前需爆破清理河床基底。文中通过合理选择施工机具和爆破物品、采用水下微差爆破技术，根据震动监测数据优化爆破参数，布设减震孔等方法降低了爆破振速和地震波强度，解决了水下爆破对临近既有铁路桥梁的安全控制难题。

关键词临近既有线桥梁控制爆破防护减振孔

爆破作业是一项对安全要求极高的特殊作业。不仅作业本身存在危险，而且爆破实施过程中产生的飞石、震动波、水中冲击波等都会对周边环境的安全产生影响。新白沙沱长江特大桥3号墩位于长江深水中，距上游侧老白沙沱铁路桥最近距离为84 m(见图1)，采用常规爆破对正常运营的老白沙沱铁路桥的影响较大，经过方案比选，并经铁路相关单位评审，确定采用毫秒延时爆破方式，同时结合临近既有线的安全防护措施，炸除了3号墩处的礁石，取得了良好的效果。

1工程概况

新白沙沱长江特大桥位于重庆市大渡口区跳蹬镇与江津区珞璜镇接壤地带。新白沙沱长江特大桥分为渝黔客车线、渝黔货车线和渝湘预留通道3部分。主桥布置为81 m+162 m+432 m+162 m+81 m钢桁梁斜拉桥，全长920.4 m。大桥距上游既有渝黔铁路白沙沱长江大桥约100 m，见图1。

图1　新建线和既有线距离图

3号墩为主塔墩，位于长江深水区，爆破工程量的约15 000 m3，开挖区长73 m，宽41 m，面积约2 993 m2。本工程爆破范围内贵阳侧上游有小部分露出水面的礁石，大部分为水下爆破，爆破区地质为砂岩、页岩夹砂岩。

2爆破施工影响

水下爆破施工中除了要保证不发生爆破作业现场的安全事故，杜绝爆破物品丢失事故发生外，更重要的是要确保爆破施工不影响施工区河段过往船舶，特别是既有渝黔铁路大桥的营运安全。

爆破施工的影响主要包括3个方面：减震孔对周边建(构)筑物的影响；陆上爆破飞散物(飞石)对周边的影响；爆破冲击波(水中冲击波和空气冲击波)对水上船舶和人员的影响[1]。在本次爆破施工过程中，减震孔对周边建(构)筑物的影响主要通过控制保护对象(主要是距离爆破区域最近的现有铁路大桥桥墩)处的质点峰值振动速度在安全范围内来保证建筑物的安全[2]；陆上爆破飞散物(飞石)通过选择合理的爆破参数、对爆破区进行全覆盖，不会产生飞石，并确定合理的爆破安全警戒距离来保证周边不受飞石影响；水下爆破产生的水中冲击波和陆上爆破产生的空气冲击波根据爆破安全规程确定安全距离，不会对周边船舶和人员产生影响[3]。

3露出水面礁石钻孔爆破

3号墩爆破范围内贵阳侧上游有小部分露出水面的礁石，施工船舶无法进行水下钻孔爆破施工，须将露出水面的礁石炸除到一定标高(水面以下，满足钻爆船舶吃水要求)后再采用钻爆船进行水下钻孔爆破施工。露出水面的礁石采用浅孔爆破施工方法进行施工。因礁石露出水面，为避免爆破产生飞石和空气冲击波，影响铁路安全，采用手持风钻进行小孔径钻孔爆破施工，按照少药量、多次爆破的原则进行。每次爆破做好防飞溅防护。

3.1　设备及参数选择

(1) 钻孔设备和孔径。Y-23~26风钻，孔径42 mm。

(2) 爆破器材选用乳化炸药，毫秒延期电雷管，避免爆破地震波的叠加。

(3) 炮孔布置和爆破网路。布孔方式采用单排炮孔和多排炮孔2种。雷管采用毫秒延期电雷管，每孔使用一发，沿河心方向开始布孔，即先外侧后内侧布孔，前排孔先爆，后排孔后爆，相邻2排电雷管起爆时间间隔为50 ms，获得较好的爆破效果。炮孔间爆破网路的连接采用串联联接，使用“1000发”即发式起爆器起爆，以确保通过每个电雷管的电流不小于2 A。

3.2　预防爆破个别飞散物(飞石)

根据爆破安全规程，水深大于6 m时，不考虑飞石影响，但本工程有部分水深小于6 m的礁石，对于这部分礁石的爆破施工，必须严格控制爆破飞石，爆破采取浅孔爆破同时使用以下防护措施。

(1) 个别飞石影响距离(R)。

R=20Kn2W=20×1.5×12×1.5=45m

式中：R为个别飞石影响半径，m；K为与岩石性质、地形、地质气象有关的系数，取值范围1.0～1.5，该处取1.5；n为最大一个药包的爆炸作用指数，n=1 时，形成的爆破漏斗称为标准抛掷漏斗，13 时，爆破岩石很少，无使用价值)，0.75

爆破区与运营铁路桥桥墩承台最近点距离为84 m，飞石影响距离为45 m，个别飞石对运营铁路桥梁无影响。

(2) 合理布孔，优化爆破参数。爆破飞石产生的主要原因在于没有选择好合理的爆破参数，特别是最小抵抗线大小和方向，因此，在施工中要选定正确的最小抵抗线和单耗药量、单孔装药量。根据钻孔期间地形变化及时调整孔位，根据暴露的深层地质结构(钻孔速度变化及岩粉)调整单耗，通过试爆和振速监测数据优化修正各爆破参数[4]。

(3) 精心施工。逐个检查炮孔、孔位、孔径、孔深、倾斜角度，是否畅通，有无积水；发现问题及时补救。严格控制装药长度与单孔药量；确保填塞密实和填塞长度，填塞物内不含碎石。

(4) 覆盖防护。按安全要求，采用爆破体覆盖法预防爆破个别飞散物(飞石)危害，起爆前在爆区岩石上覆盖铁皮、草垫等，必须将爆破区完全覆盖，首先覆盖1层铁皮，然后在铁皮上覆盖草垫，最后覆盖砂袋，防止产生飞石，见图2。

图2　覆盖防护示意图

4水下钻孔爆破

水下爆破采用毫秒微差爆破方式，用于水下钻孔爆破作业的施工船舶为：钻爆船、交通艇、抛锚艇、操舟艇等。疏浚船舶为：挖泥船、泥驳、拖船。钻爆船由GPS进行精确定位后，在需要钻孔的位置下套管、钻杆，进行水下钻孔作业。当钻至预定深度后，起升钻杆，经检查孔深后，进行装药、堵塞和联线作业。一个排次钻完后，按预定的排距移动钻爆船，再进行下一排钻孔作业。达到规定的单段药量后，移动钻爆船到安全区，并确认所有船舶、机械设备和人员均处于安全区后，发令通电起爆。至此，一炮次结束，照此循环进行施工。

4.1　爆炸物品种类的选取

为获得较好的爆破效果，采用防水性能较好的乳化炸药，并使用PVC管加工包装，防止药柱变形。雷管采用段发电雷管，采用微差分段爆破以减小爆破地震波和水下冲击波。炸药和雷管在使用前必须进行检验和试验，必要时采用防水药包进行防水处理，以确保性能和安全。

4.2　进行减震孔安全验算，严格控制单段起爆药量

(1) 单孔装药量计算公式

Q=q0abH0

式中：Q为单孔装药量，kg；q0为水下爆破单位炸药消耗量，kg/m3，根据岩石硬度、孔排距、及实际施工经验及挖泥的性能等因素确定，取q=1.3 kg/m3；a为炮孔间距，m，a=2.0 m；b为炮孔排距，m，b=2.0 m；H0为钻孔深度，m，钻孔深度由爆破层厚度决定，该区域最大爆破区厚度为14 m，为降低爆破药量，拟采用分层爆破施工，分层厚度为5 m，当爆破层厚度超过5 m时进行分层，则钻孔深度取为5 m。

首排炮孔装药量由下式计算

Q=0.9q0abH0=0.9×1.3×2×2×5=23.4kg

正常炮孔装药量计算为

Q=q0abH0=1.3×2×2×5=26kg

(2) 根据《爆破安全规程》(GB6722-2003)，采用保护对象峰值质点振动速度来衡量减震孔对保护对象的影响程度。

根据设计文件(大桥抗震6级)和以往施工经验，结合大桥的重要性，将爆破安全振速控制在1.5 cm/s以内。

根据《爆破安全规程》，最大单段起爆药量计算如下(爆破区为坚硬或中硬岩石)。

式中：V为质点峰值振动速度，cm/s，最大安全振速取为1.5 cm/s；K为与爆破点地形、地质等条件有关的系数，取为220；α为与爆破点地质等条件有关的衰减指数，考虑到减震孔的衰减作用，取为1.7；R为爆破地震安全距离，取80 m；Q为最大一段装药量，根据计算，控制在70 kg以内。

计算如下。

V=220×(701/3/80)1.7=1.42cm/s<1.5cm/s

故单次起爆最大一段药量在70 kg以内时，振速V<1.42 cm/s，在安全范围之内，即80 m以外的铁路大桥是安全的。

4.3　采用微差爆破降低地震波

4.3.1微差爆破的作用

微差爆破是指在爆破施工中采用一种特制的毫秒延期雷管，以毫秒级时差顺序起爆各个(组)药包的爆破技术。微差爆破的先爆孔为后爆孔增加新的自由面，后起爆药包是在相邻先起爆药包的应力、震动作用下处于预应力的状态中(即应力波尚未消失)起爆的，2组爆破产生的应力波相互叠加，可以加强爆破破碎效果。并使爆破地震能量在时间和空间加以分散，使地震强度大大降低，同时两组地震波还会相互干扰，也会削弱地震波的强度。因此，本工程采用微差爆破作为控制爆破的主要措施之一[5]。

4.3.2微差时间的确定

微差起爆间隔时间的确定，是一个十分重要的技术参数，合理的间隔时间，应以达到形成新自由面的时间最合理，破碎质量最佳，减震效果最好为原则。

微差间隔时间采用经验公式计算

Δt=KpW(24-f)

式中：Δt为微差时间，ms；Kp为岩石裂隙系数，裂隙少时Kp取0.5，裂隙中等时Kp取0.75，裂隙发育时Kp取0.9；W为最小抵抗线；f为岩石硬度系数。

取Kp=0.75，W=4 m，f=6，按上式计算，Δt=54 ms。根据经验，结合爆破分层厚度和岩石裂隙情况，本工程微差间隔时间取50～75 ms。

4.4　设置减震孔降低爆破强度

减震孔就是在减震孔的隔离缓冲地带，钻出一排一排的许多深孔(孔深视爆破深度而定)，当爆破的震动波传至此地带时，就会被这些孔吸收消耗掉大部分震动的能量，使隔离带后面的区域受到的震动大大减小。

4.4.1减振原理

振波在地下遇到不同的介质时，介质间差异越大，则振波越容易反射而不易穿过介质分界面。因此，通过设置减震孔改变原来的介质，从而达到减振的目的[6]。

4.4.2减振孔的设置

在距老白沙沱大桥的桥墩与爆破区之间，距老桥约50 m位置，钻2排减震孔，钻孔深度超过爆破设计底高2.0 m，排距1.0 m，孔距0.3 m，孔径110 mm，钻孔范围长60 m，把爆破区与桥墩隔离开，使减震孔在此衰减很快，形成了一很好的隔离缓冲地带，从而大大减小了减震孔对桥墩的影响。根据类似工程经验，减震孔的衰减作用能将爆破质点振速值降低20%～30%[7]。

5其他控制措施

5.1　进行爆破振动监测

为保证爆破安全，聘请有资质的单位对爆破时大桥桥墩的质点峰值振速进行监测，根据监测结果修正爆破药量，确保大桥安全。监测时在大桥桥墩处布置测点，监测质点各个方向的振动速度，施工时应首先小药量施工，根据监测结果逐步加大单段药量(但不得大于70 kg)，避免开始施工就发生超过安全允许振速的情况。

5.2　试验爆破

在开始爆破前，在施工区附近选一处周围无建筑物和民房的安全区域进行试爆，分别按设计药量的50%，60%，70%，80%进行爆破，同时监测质点振动速度，以进一步验证设计药量的安全性。

5.3　与铁路管理部门密切联系和配合，在铁路部门允许的时间段内起爆

为减小爆破施工对既有渝黔铁路营运影响，爆破作业宜安排在白天进行，爆破作业时段为07：00～19：00，爆破作业前与铁路部门加强联系，密切配合，必须在铁路部门允许的时间段进行爆破。每天爆破约5炮次，每炮次爆破时间在20 min内完成。

6结语

本工艺对露出礁石部分采用浅孔爆破并采取覆盖措施，水下礁石采用毫秒微差控制爆破，控制单段最大起爆药量，控制爆破安全振速，结合设置减振孔等一系列安全措施，消除了爆破对既有线桥梁老白沙沱铁路桥的影响，临近既有线桥梁控制爆破取得成功，为类似工程提供了借鉴和指导。

参考文献

[1]陆遐龄,梁向前,胡光川,等.水中爆炸的理论研究与实践[J].爆破,2006(2)：9-13+30.

[2]李德林,方向,齐世福,等.爆破震动效应对建筑物的影响[J].工程爆破,2004(2)：66-69.

[3]闫国斌,于亚伦.空气与水介质不耦合装药爆破数值模拟[J].工程爆破, 2009(4)：13-19+65.

[4]何国敏,周应军,安玉东,等.临近既有线土石方控制爆破技术应用[J].爆破,2013(2)：110-114.

[5]付天光,张家权,葛勇,等.逐孔起爆微差爆破技术的研究和实践[J].工程爆破,2006(2)：28-31.

[6]刘航.紧邻既有线石方安全控制爆破技术[J].铁道建筑技术,2012(1)：118-123.

[7]杨超.爆破地震波作用下桥梁结构的安全评估[D].西安:长安大学,2009.

Bridge Blasting Protection Technology Close to Existing Line

GuoYu

(China Railway Bridge Bureau Group First Engineering Company Co., Ltd, Zhengzhou 450053, China)

Abstract：The 3#bridge pier of Xinbaishatuo Extra Large Bridge across Yangtze River is located at the deep water area of Yangtze River, it is adjacent to existing railway bridge in operation, and the basement of riverbed needs to be cleared by blasting before construction. Through reasonable selection of construction implements and blasting objects, underwater micro-difference blasting technique is adopted for this engineering, and by optimizing the blasting parameters according to the shock monitoring data and arranging shock-absorbing hole, etc., the blasting vibration speed and intensity of seismic wave are greatly decreased. The safety control problem of nearby existing railway bridge affected by underwater blasting is solved.

Key words:bridge close to existing line; controlled blasting; protection; shock relieve vent

收稿日期：2015-09-25

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.012