顆珠山山體控制爆破技術(shù)方案

姜海福

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

1 總體環(huán)境

顆珠山島位于洋山深水港區(qū)西港區(qū)，被東海大橋分成南北兩半，南側(cè)、北側(cè)分別距東海大橋顆珠山斜拉橋最近處只有10 m和15 m。為推進(jìn)西港區(qū)建設(shè)，需對(duì)顆珠山島實(shí)施開(kāi)山爆破至+5.0 m，回填至+6.5 m作為工業(yè)場(chǎng)地，山體最高處+34.0 m，開(kāi)山區(qū)域面積為19.81萬(wàn)m2，總爆破量約為108.52萬(wàn)m3，開(kāi)山爆破時(shí)間主要集中在2008年3—5月份。開(kāi)山爆破必須絕對(duì)保證顆珠山斜拉橋結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)不能影響東海大橋的正常通行。顆珠山爆破設(shè)計(jì)平面圖見(jiàn)圖1。

2 爆破方案

為保證顆珠山斜拉大橋的結(jié)構(gòu)安全和橋面交通安全，對(duì)山體爆破必須加以控制。經(jīng)多方研究論證，確定采用小孔徑、多鉆孔、小梯段、小藥量、小抵抗線(xiàn)、低炸藥單耗等控制爆破措施防止爆破飛石、減少爆破震動(dòng)。設(shè)計(jì)要求開(kāi)山最終邊坡坡度為1∶1，在邊坡地段采用預(yù)裂爆破方案，可以起到降震和隔震的效果；根據(jù)山體距離大橋遠(yuǎn)近和開(kāi)山高度等進(jìn)行分區(qū)段差別控制爆破：東海大橋邊線(xiàn)外10～30 m區(qū)域山體由于受大橋安全地震波條件限制最大一段齊爆藥量過(guò)小，開(kāi)挖深度大多小于2 m，采用淺孔控制爆破方案；原開(kāi)山爆破形成的+7～+8 m的場(chǎng)地（約80 000 m2）也采用淺孔控制爆破方案；東海大橋邊線(xiàn)外30～50m區(qū)域山體則采用深孔微差間隔裝藥弱松動(dòng)控制爆破方案；大橋邊線(xiàn)外50～100 m范圍采用加密孔深孔微差間隔裝藥松動(dòng)控制爆破方案；大撟邊線(xiàn)100 m以外范圍采用深孔微差間隔裝藥松動(dòng)控制爆破方案。

2.1 預(yù)裂爆破參數(shù)取值

開(kāi)山邊坡控制采用預(yù)裂爆破。本工程巖性屬于中等硬度巖石，預(yù)裂爆破鉆孔直徑D取76 mm，孔深度大于主爆孔深度并小于 15 m，炮孔間距 a=（8～12）D，實(shí)際取 800 mm，鉆孔精度按爆破規(guī)范要求控制；不耦合系數(shù)E=D/d，一般E=2～5，實(shí)際取3；預(yù)裂線(xiàn)裝藥密度q1按下式計(jì)算：

式中：q1為預(yù)裂線(xiàn)裝藥密度，g/m；δ為巖石抗壓強(qiáng)度，取δ=150 MPa（對(duì)應(yīng)不耦合系數(shù) E=2～4）。

經(jīng)計(jì)算，q1=393 g/m，實(shí)際取q1=450 g/m。為克服孔底巖石的夾制力，孔底裝藥量為線(xiàn)裝藥量的4倍，增加的藥量均勻分布在孔底1.0 m的長(zhǎng)度內(nèi)，藥卷直徑d=25mm。

根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，主爆區(qū)最后一排緩沖孔至預(yù)裂孔的距離一般控制在1.2～2.0 m范圍內(nèi)，本工程取1.5 m，預(yù)裂孔超前主爆孔的起爆時(shí)間不短于75 ms，本工程設(shè)定100 ms。炮孔裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 顆珠山爆破設(shè)計(jì)平面圖

圖2 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 爆破控制參數(shù)取值

顆珠山斜拉橋邊線(xiàn)外10～30 m段、30～50 m段、50～100 m段、以及100 m外段爆破控制參數(shù)取值見(jiàn)表1。

2.3 微差間隔、起爆網(wǎng)絡(luò)路設(shè)計(jì)

為減少爆破震動(dòng)對(duì)爆破作業(yè)點(diǎn)周?chē)O(shè)施的危害，采用微差爆破法。合理選定微差間隙時(shí)間可以避免最大振動(dòng)峰值的疊加，起到良好的減振作用，微差間隔時(shí)間一般由下式計(jì)算：式中：k為與巖石有關(guān)的系數(shù)，取k=6，W為最小抵抗線(xiàn)。

表1 爆破控制參數(shù)取值參考表

經(jīng)過(guò)計(jì)算：t=15 ms

根據(jù)安全評(píng)估的要求，深孔微差間隙時(shí)間：孔間選用25 ms或50 ms，排間選定110 ms。起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)采用毫秒微差導(dǎo)爆雷管與電雷管聯(lián)合起爆的方法，即：每孔內(nèi)延伸出的導(dǎo)爆管用四通管聯(lián)接成環(huán)形閉合網(wǎng)絡(luò)，最后從網(wǎng)路延伸出來(lái)網(wǎng)路總線(xiàn)，在導(dǎo)爆管總線(xiàn)端反向綁扎起爆電雷管，再用導(dǎo)線(xiàn)聯(lián)到起爆電源上。先用起爆器引爆電雷管，電雷管引爆導(dǎo)爆管雷管，再由導(dǎo)爆管雷管引爆孔內(nèi)炸藥，具體網(wǎng)路聯(lián)接見(jiàn)圖3。

圖3 爆破網(wǎng)絡(luò)圖

2.4 爆破參數(shù)調(diào)整

在大規(guī)模爆破前，選擇2～3處巖性較為典型的山體進(jìn)行試爆，通過(guò)試爆比較，對(duì)預(yù)定的爆破參數(shù)進(jìn)行修正，確定更合理的孔距、排距、起爆時(shí)差、炸藥單耗等爆破參數(shù)，以有效控制后續(xù)大范圍爆破施工。本工程需要爆破的山體大部分處于距離顆珠山斜拉橋50 m以外，試驗(yàn)爆破可選擇在距離大橋100 m以外的合適位置，最大單響藥量不大于150 kg，一次爆破總藥量不超過(guò)1 000 kg，根據(jù)爆破監(jiān)測(cè)情況逐步調(diào)整最大單響藥量。

3 控制標(biāo)準(zhǔn)

洋山深水港區(qū)所處地理位置在VI度地震烈度區(qū)，根據(jù)國(guó)家抗震安全規(guī)定，并考慮到大橋的重要性，將控制標(biāo)準(zhǔn)提高一級(jí)，按VII地震區(qū)設(shè)防，大橋基礎(chǔ)的安全振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)控制在5 cm/s以?xún)?nèi)。

4 技術(shù)措施

4.1 減小振動(dòng)的技術(shù)措施

減小振動(dòng)的技術(shù)措施為：①減小單段最大藥量；②增加起爆段數(shù)；③采用微量起爆時(shí)差改變振動(dòng)疊加狀態(tài)，降低振動(dòng)影響；④采用預(yù)裂爆破或打防震孔，以降低主爆區(qū)地震波對(duì)保留區(qū)的影響；⑤一次起爆規(guī)模不要過(guò)大，避免由于實(shí)際抵抗線(xiàn)增加而加大地震效應(yīng)。

4.2 防范飛石的技術(shù)措施

為了保證顆珠山斜拉橋的橋面通行安全，應(yīng)嚴(yán)格防止飛石掉入大橋車(chē)道，主要采取以下防范措施：①控制起爆方向，使凌空面背離大橋或其他保護(hù)物方向；②對(duì)炮孔上部實(shí)施全覆蓋和保護(hù)；③選擇合理的松動(dòng)爆破單位耗藥量，不追求拋擲效果，選用低爆速炸藥；④合理確定起爆順序，采用斜線(xiàn)或V形起爆，使爆堆集中，排與排之間的起爆時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，避免后排巖體向上飛出；⑤注意斷層、軟弱帶、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造，改變裝藥結(jié)構(gòu)；⑥在大橋兩側(cè)設(shè)立屏障或采取其他防護(hù)設(shè)施，以遮擋爆破飛散碎塊。

5 安全分析

5.1 爆破振動(dòng)安全校核

爆破地震安全性指標(biāo)以保護(hù)對(duì)象所在質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度作為判斷依據(jù)。根據(jù)有關(guān)規(guī)定[1-2]，“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋”的安全允許振速取值為3～5 cm/s，鑒于東海大橋的特別重要性及特殊結(jié)構(gòu)性，其堅(jiān)固程度必須要比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋高，所以取上限5 cm/s；參考中原蘇聯(lián)對(duì)爆破地震危險(xiǎn)半徑的計(jì)算所述[3]，“多次爆破作用下工業(yè)建筑、運(yùn)輸棧橋、堅(jiān)固的或比較堅(jiān)固的大中橋梁”的允許振動(dòng)臨界速度取值為5～10 cm/s；以及設(shè)計(jì)[4]提出的安全允許振速取值為5 cm/s；本次施工允許振速取5 cm/s。

按照規(guī)范[1-2]和大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用下式計(jì)算控制最大一段安全起爆藥量。

式中：Q為最大一段安全起爆藥量，kg；V為爆破地震波速度，cm/s；K為與地質(zhì)、地形條件有關(guān)的系數(shù)，取K=200；a為衰減系數(shù)，取a=1.65；Rd為爆源中心至保護(hù)物距離，m。

取大橋允許振動(dòng)臨界速度值為5 cm/s，計(jì)算控制最大一段安全起爆藥量Q，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 最大一段安全起爆藥量

按前述爆破參數(shù)，距離大橋邊線(xiàn)不同距離的單孔裝藥量見(jiàn)表3。

表3 單孔裝藥量

由于距離大橋邊線(xiàn)10～50 m范圍內(nèi)的爆破山體集中在顆珠山下行匝道原開(kāi)山部位，實(shí)際距離大橋超過(guò)50 m，上述單孔裝藥量足以滿(mǎn)足正常的微差爆破網(wǎng)路連接。

5.2 爆破安全距離計(jì)算

1）爆破地震波安全距離Rd由式（3）為：

根據(jù)相關(guān)報(bào)告，取V=5 cm/s。計(jì)算結(jié)果列入表4。

表4 爆破地震波安全距離

2）爆破空氣沖擊波最小安全距離Rk按下式計(jì)算：

式中：K為與爆破作用指數(shù)，爆破狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)，取K=1.5；Q為一次爆破總裝藥量，kg。計(jì)算結(jié)果列入表5。

表5 爆破空氣沖擊波安全距離Rk

3）個(gè)別飛石安全距離計(jì)算。個(gè)別飛石對(duì)人員的安全距離必須符合規(guī)程[1]中個(gè)別飛石的最小安全距離。個(gè)別飛石安全距離RF按下式計(jì)算：

式中：RF為個(gè)別飛石安全距離，m；d為炮孔直徑，為7.6 cm。

經(jīng)計(jì)算：RF=120 m

為避免個(gè)別飛石的危害，要加強(qiáng)堵塞，堵塞長(zhǎng)度不小于最小抵抗線(xiàn)。檢查校核最小抵抗線(xiàn)，如發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)不符應(yīng)及時(shí)更正，防止最小抵抗線(xiàn)方向產(chǎn)生的飛石朝向東海大橋方向。

4）圈定爆破警戒范圍。根據(jù)規(guī)定[1]，計(jì)算距離取1）、2）、3）的最大值120 m，但當(dāng)計(jì)算安全距離不符合規(guī)定[1]的深孔爆破不小于200 m時(shí)，按深孔爆破不小于200 m確定爆破安全距離。故取爆破安全警戒半徑為200 m圈定爆破警戒范圍，爆破警戒范圍及警戒點(diǎn)以爆破通知單的形式送達(dá)有關(guān)單位。

6 安全監(jiān)測(cè)

鑒于大橋的重要性，本工程爆破安全監(jiān)測(cè)除了施工單位自己設(shè)定的監(jiān)測(cè)外，委托兩家有資質(zhì)的監(jiān)測(cè)單位聯(lián)合對(duì)大橋?qū)嵤┍O(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)充分利用大橋已安裝的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上再添置爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)所需的儀器設(shè)備及系統(tǒng)軟件。監(jiān)測(cè)內(nèi)容為：橋梁振動(dòng)加速度響應(yīng)監(jiān)測(cè)，梁、塔結(jié)構(gòu)關(guān)鍵斷面應(yīng)變響應(yīng)監(jiān)測(cè)、大地振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)，爆破視頻監(jiān)控等。監(jiān)測(cè)點(diǎn)除對(duì)顆珠山斜拉橋設(shè)置外，增加對(duì)海堤及周?chē)舾形锏牟键c(diǎn)監(jiān)測(cè)。實(shí)際監(jiān)測(cè)中共設(shè)置28個(gè)傳感器、9個(gè)視頻攝像頭。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)爆破振動(dòng)波的衰減規(guī)律，不斷修正爆破控制參數(shù)，調(diào)整爆破方案，確保大橋安全。

7 結(jié)語(yǔ)

顆珠山開(kāi)山爆破工程從2007年底開(kāi)始到2009年底全部完成，涉及距離大橋遠(yuǎn)近的各類(lèi)控制爆破。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，爆破實(shí)施過(guò)程中顆珠山斜拉橋基礎(chǔ)實(shí)際振動(dòng)速度在3 cm/s以?xún)?nèi)，未發(fā)現(xiàn)飛石掉入橋面車(chē)道，大橋運(yùn)行正常，控制爆破措施得當(dāng)，效果明顯，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

[1]GB6722—2003，爆破安全規(guī)程[S].

[2]JTS204—2008，水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范[S].

[3]爆破工程設(shè)計(jì)施工常用數(shù)據(jù)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范速用速查手冊(cè)[M].北京：中國(guó)知識(shí)出版社，2006.

[4]顆珠山剩余山體開(kāi)山方案及爆破對(duì)大橋安全影響評(píng)估專(zhuān)家評(píng)議意見(jiàn)書(shū)[R].上海：上海國(guó)際港口工程咨詢(xún)有限公司，2007.