水下钻孔爆破振动对桥梁的影响分析

2023-11-16彭力肖敏

中国水运 2023年10期

彭力，肖敏

（长江宜昌航道工程局，湖北宜昌 443003）

1 研究背景

长江上游干线存在较多以碍航礁石为主的急流浅险滩，需要开展航道整治工程清除碍航礁石。由于机械清礁效率缓慢，一般采用水下爆破的方式对碍航礁石予以清除。水下爆破作业在给工程建设带来方便的同时，产生的振动响应会对周边桥梁造成不利影响[1-2]。因此开展水下爆破振动监测，分析爆破振速的传播规律可为水下爆破灾害的有效控制及桥梁的安全防护提供依据。

2 工程概况

2.1 工程简介

长江干线朝天门至涪陵段地处长江上游，是长江干线航道的重要组成部分，整个河段处于三峡库区变动回水区中下段，河道走向呈“Z”字型，河床以窄深河段为主，其航道水深不足、弯曲狭窄，礁石碍航等特点造成船舶航行困难，海损事故频发等问题[3]。为确保该航段通航安全，主要采用水下爆破清礁的方式对碍航礁石予以清除，但该航段位于重庆市主城区，分布有多座大型桥梁，为分析水下爆破振动对桥梁影响，在其南北桥墩不同位置处布置监测点，其中南桥墩中心点距爆源区166m，北桥墩中心点距爆源区228m，如图1 所示。

图1 清礁区与桥梁位置示意图

2.2 爆破参数设计

本次清礁爆破采用水下钻孔爆破方式进行，炸药选用1#岩石乳化炸药，用碎石堵塞炮孔，堵塞长度为0.5～0.8m。炮孔为小孔径的垂直孔，直径为110mm，各排炮孔呈梅花形交错布置，炮孔间距和排距均为2.0m，深度为2.5～4.5m。

单孔装药量计算公式如下[4]：

Q=q0·a·b·H0

式中：Q 为单孔装药量，kg；q0为水下钻孔爆破单位炸药消耗量，kg/m3，根据前人爆破清礁工程经验[5]取1.0～1.5kg/m3；a 为炮孔间距，m；b 为炮孔排距，m；H0为最大钻孔深度，m。

3 测点布置

为全面研究水下爆破振动对桥梁的影响，本次爆破振动监测的测点布置有如下原则：

（1）测点布置在保护物附近，且尽量测得振源近处的地表质点振动速度；

（2）为确保测振设备的安全性和数据的准确性，测振点尽量布置安全且容易测得数据的地方；

（3）测振点基本反映振动情况。

根据上述原则，确定在大桥南岸主桥墩为一测点，大桥北岸主桥墩为二测点，共布置2 个拾振器，每个测点包括水平横向1 个、水平径向1 个、垂直向1 个。爆破振动检测点的传感器用石膏粉牢固粘结，传感器至记录仪的传输信号线长度小于1m，以避免长距离的信号衰减。

4 现场测试结果及分析

4.1 公式与实测数据对比

根据水下爆破振动监测结果得到大桥南岸主桥墩测点在不同距离和不同炸药量下的水平横向（X）、水平径向（Y）、垂直向（Z）振动速度数据，如表1 所示。

表1 大桥南岸主桥墩测点振速结果

由表1 可知，测点在水平横向上振速最大，垂直向振速次之。爆破距离225m、单段最大药量60kg 时得到测点水平横向上的最大振速值为0.91cm/s。本研究重点分析水平横向上振速的传递规律，同时将桥梁归于工业和商业建筑物保护对象类别，根据爆破安全规程（GB6722-2014）[6]得出工业和商业建筑物的安全允许振速范围为2.5～5.0cm/s。因此，本试验中测点任意方向上的最大振速值均小于爆破安全规程中建筑物的安全允许振速，如表2 所示。

表2 爆破振动安全允许标准

由萨道夫斯基公式可得，测点振速除了与爆心距和炸药量有关系外还与场地地质、地形条件等因素密切相关[7]。因此，确定萨道夫斯基参数还需要依据现场振动监测数据进行最小二乘法拟合得到具体值。萨道夫斯基公式如下所示：

式中：v 为振动速度，cm/s；Q 为单段最大药量，kg；R 为距爆破的距离，m；K 和α 为地形、地质条件有关的系数和衰减指数，需根据实际工况确定。

通过对10 组振速监测数据的拟合，得到适合长江上游桥梁的振速随距离和药量变化的经验公式为v=149.45(Q1/3/R)1.33，如图2 所示。其中经验系数K 为149.45，经验系数α 为1.33，拟合系数R2为0.75，表明拟合公式与现场监测数据具有较好相关性，同时拟合得到的经验系数符合爆破安全规程（GB6722-2014）中爆区不同岩性下K、α 建议取值范围，如表3 所示。

表3 爆区不同岩性K、α 取值范围

图2 现场监测数据拟合示意图

通过以上的萨道夫斯基公式可以预测大桥南岸主桥墩测点水平横向上的振动速度，为了进一步验证拟合公式结果的准确性，以大桥北岸主桥墩测点为依据采用现场测试数据与预测值进行对比。数据如表4 所示，尽管预测值与实测值之间存在细微差异，但大部分仍较为接近，而造成细微差异的原因主要是由于现场爆破过程中场地有较强的复杂性。