柳江双线特大桥深水墩基础水下控制爆破综合技术研究

（中铁二十五局集团 第六工程有限公司，广西 柳州 545007）

【摘 要】水的压缩系数为0.5×10-4，仅为空气的1/30 000～1/20 000，水的密度为空气的780倍，黏滞系数为空气的100倍。水的这些不同于空气的物理力学性质及水的流动性、波动性，使水下施工的难度要远远大于陆地上的施工，导致水下爆破在爆破器材的选用、爆破参数的选择及爆破形成冲击波、地震波具有许多不同于陆地爆破的特点。文章以柳江双线特大桥工程为背景，介绍了水下控制爆破技术在柳江深水桥墩基础施工中的应用及防止水下爆破危害的措施。实践证明，该水下爆破设计合理、施工方便，可为类似工程提供借鑒和参考。

【关键词】深水桥墩基础；水下爆破技术；防水击波工艺

【中图分类号】U445 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）04-0039-04

1 工程与地质水文概况

1.1 工程概况

柳江双线特大桥位于湘桂线永州至柳州段的柳州境内的柳江之上，为深水复杂特大桥，列XG-7标及湘桂线控制性工程，该桥全长640.95 m。全桥过江共设置27#～32#六个水中墩，钻孔桩柱桩基础，桩径2.0 m，桩长均为20～30 m；承台采用双壁钢围堰施工，爆破理论总方量为3 400 m3。施工水位标高为78.50 m，枯水期平均水深在9 m左右，爆破深度在1.5～4.6 m，地形极为复杂，水下基础施工难度极大。为将双壁钢围堰下沉就位，需要对其河床基坑采用水下爆破法开挖清理。

1.2 地质与水文情况

本文以地形极为复杂施工难度最大的29#墩施工实例，29#墩桥位覆盖层为第四系更新统（Qp）和全新统（Qh），下覆各岩层 风化程度很小，分别为白云岩和页岩，强度为200～700 kPa，且埋置较浅，基岩呈倾斜面且凹凸不平。桥下游修建有红花水电站，电站泄洪时水流较快，百年一遇的洪水（水位H1%=93.95 m）时其水流速可达到2.1 m/s，施工期间实测桥址处水流速为0.27 m/s。

2 水下爆破设计

2.1 工程特点和难点

柳江双线特大桥河床地质均为弱风化白云岩或弱风化页岩节理不发育，29#墩桥位处水较深；设计图纸显示，墩位处水下地形极为复杂，基岩已侵入部分承台及封底砼内。但设计图纸中无指导施工用的水下地形图，经施工单位加密精确测量后发现，钢围堰需置于裸露基岩上，基岩呈倾斜面且凹凸不平，基岩局部裸岩高出围堰刃脚近2 m，超高裸岩平均高出围堰刃脚2～3 m，且在墩位处有一个“V”形深沟，钢围堰下放及护筒定位施工难度极大，需采用水下爆破方式将高出承台封底砼顶面标高的岩体进行破碎，使钢围堰能顺利下沉就位。

2.2 水下爆破设计要点

针对柳江双线特大桥水下爆破的特点，确定以下爆破设计要点。

（1）根据现场情况及钻孔直径，综合考虑钻孔参数，绘制爆破漏斗叠加示意图，找到科学合理的孔距、排距及超钻深度。

（2）比照相关爆破理论推荐的计算方法，通过多次现场试验调整取值，得出适合现场最佳单孔装药量，獲得最佳爆破效果。

（3）爆破用非电导爆管毫秒延时起爆网路。每个药包装两发爆塑料导爆管，并采取复式微差爆破法分段爆破，以增大启爆保险系数和小齐爆药量，确保周围建筑物不受损害。

（4）严格控制爆破震动、冲击波等有害效应，保障周围设施的安全。

（5）分层爆破，先爆破中间2排孔，再分层分区爆破。每层共分成4区，增大爆破效果。

2.3 爆破参数确定

（1）钻孔直径。采用GY-2A型潜孔钻，垂直钻孔成孔直径为108 mm，药卷直径d=90 mm。

（2）孔间距。第1层、第2层均取孔间距a=1.8 m，排距b=0.9×1.8=1.62 m，取1.6 m。

（3）布孔方式：采用排列方式。

（4）钻孔深度及钻孔超深值。根据爆破岩石的性质和爆破的深度，爆破深度第1层为4 m、第2层为3.5 m。钻孔超深值分别为Δh1=μΗ=0.2×4=0.8；Δh2=μΗ=0.2×3.5=0.7 m。其中，μ为超钻系数，一般取0.1～0.3，该处岩层较硬取0.2。

钻孔超深值：即施工时的超钻深度，为做到清渣后不留“残坎”，超深必不可少，根据现场情况及钻孔直径、爆破装药量综合考虑。爆破中超深形成的爆破漏斗对破裂岩石的影响如图1所示。

2.4 装药量设计

2.4.1 炸药单耗

炸药单耗q按（1）计算：

q=q1+q2+q3+q4（1）

式中：q为岩石单位炸药消耗量（kg/m3），q1=1.1 kg/m3，根据岩石硬度系数f=6，查表可知露天水下爆破取1.1 kg/m3；q2=0.01H0，H0为水深，第1层取9.0 m、第2层考虑剩余取14.0 m；q3=0.01H3，H3为覆盖层厚度，第2层考虑剩余清渣取1.0 m；q4=0.03 H，H为孔深。第1层炸药单耗q=1.1+0.01×9.0+0.01×0+0.03×4=1.31 kg/m3。第2层炸药单耗q=1.1+0.01×14.0+0.01×1.0+0.03×3.5=1.355 kg/m3。

2.4.2 单孔装药量

单孔装药量Q按式（2）计算：

Q=k1qabH（2）

式中：k1为水下爆破药量增大系数，一般为1.1～1.3，本文取1.3；q为岩石单位炸药消耗量（kg/m3 ）；a为孔距，单位为m；b为排距，单位为m；H为开挖层厚度，单位为m。第1层单孔装药量Q=1.3×1.31×1.8×1.6×4=19.619 kg；第2层单孔装药量Q=1.3×1.355×1.8×1.6×3.5=17.756 kg。采用防水性良好的70#乳化炸药，排列方式布孔。

2.5 爆破网路的设计

采取复式微差爆破法分段爆破，每个药包装两发爆塑料导爆管，以增大启爆保险系数和小齐爆药量，确保周围建筑物不受损害。采用非电导爆管起爆网路引爆，并用起爆电雷管作为击发元件，导爆网路中采用不同段别的毫秒延期非电雷管实现微差爆破。启爆网路为串并联网路，爆破网络示意如图2所示。

微差间隔时间Δt可采用经验式（3）计算：

Δt=KpW（24-f ）（3）

式中：Δt——微差时间，单位为ms；f——岩石硬度系数；Kp——岩石裂隙系数，裂隙少Kp=0.5，裂隙中等Kp=0.75，裂隙发育Kp=0.9。

合适的爆破时间间隔，有利于岩石的抛掷，同时避免了爆破引起地震波叠加，有利于减小震动效应。微差爆破时间间隔一般为50～75 ms。具体操作方法为平行于航槽每一排孔4孔为一组，各组之间使用不同段别的导爆管雷管按顺序分别由低段别到高段别进行连接，间隔时间取岩石振动周期（约50 ms）1/2的奇数倍，震动将会减弱。本工程微差间隔时间取△T=50 ms，使用导爆管雷管段别为1、3、5、7、9段，每次启爆用5个段别。

3 水下爆破对地基、周围建筑物的影响及控制

水下爆破产生的飞石由于受到水的阻力，飞散距离比陆上爆破要小得多。但是，爆破产生的水冲击波却比空气冲击波要强烈得多。炸药爆炸释放出来的能量转化成地震波的百分数在水中则达到20%左右。这表明在同等药量情况下，水下爆破产生的地震波要比陆地爆破大得多，而且水底任一质点的振动还会受到水冲击波的影响。因此，水下爆破产生的破坏作用有时是水冲击波和地震波共同引起的。水下爆破工点附近建筑物，特别是水中建筑物、生物及水面船舶都必须有一定安全距离，或采取可靠的防护措施。

3.1 爆破地震安全计算

根据《水运工程爆破技术规范》中的要求，为确保主要类型建、构筑物的爆破地震安全，允许齐爆用药量按式（4）计算：

Q=R1/m（V/K）3/α（4）

式中：Q——齐爆药量，单位为kg；R——药包至建筑物距离，单位为m；V——安全振动速度，单位为cm/s；K、α——与爆破有关的地形、地质系数；m——炸药量指数，取1/3。

根据本工程实际情况，爆破点距离建筑物最近距离为R=130 m。按规范要求，安全振动速度V查表取V=1.0 m/s，K查表取K=150，a查表取a=1.5。

Q=

最大一段齐爆药量可达97.00 kg。但除了齐爆药量之外，还需考虑水击波超压峰值对周围的围堰和导向船造成伤害，再综合取值。

3.2 水击波超压峰值计算

当水下爆破时，爆炸冲击波对水体的作用会形成水冲击波，如果不进行控制，会对周围的围堰和导向船造成伤害。水下爆破产生的水击波压力大小与单段最大药量和起爆点距需安全防护物的距离有关，这是影响其大小的2个内部因素。由于起爆点与需防护物的距离有一定限制，所以无法通过增大距离来实现水击波压力降低，对水击波压力的控制变成对单段起爆药量的控制。根据文献[4]，采取库尔公式（5）进行计算：

（5）

式中：Ps为水击波压力，单位为MPa；Q为单段最大药量，单位为kg，本次爆破按72 kg计算；R为距爆破区的距离，单位为m。

根据式（5）计算出的不同距离的水击波超压峰值，得出水击波压力通过气泡帷幕墙时被衰减，从而起到保护水下钢围堰和导向船的作用。气泡帷幕对水击波的降压效果目前没有理论数值，参考多个案例，气泡帷幕可以将水击波压力降低40%～60%。本次爆破取保守值为40%。计算结果表明，只有满足单段最大药量72 kg和起爆距离1 m这2个条件时，水击波超压峰值才大于导向船体钢板最低屈服点185 N/mm2，会对钢围堰和导向船造成影响；采取气泡帷幕的措施后，水击波超压峰值在起爆距离为1 m时只有105.86 N/mm2，小于最低屈服点185 N/mm2；而当起爆距离2 m以上时，水击波超峰值由48.37 N/mm2逐渐降低，远小于最低屈服点185 N/mm2，这时爆破产生的水击波对于周边的钢围堰和导向船是安全的。

4 水下爆破施工工艺

4.1 炮眼潜孔钻钻孔作业

本工程水下爆破的另一个最关键环节是在湍急的江水中精确布孔、钻孔、成孔，以确保炸药、雷管等爆破器材能顺利入孔就位，而这没有施工经验和方法可供借鉴。本工程施工中采用内外双层导管配合潜孔钻成孔的方法来解决這一难题。双层导管法就是在每个钻孔的孔位下2根导管，外管为1根外径为186 mm的钢管，此钢管起阻水作用和在135 mm台阶孔时起导向作用；内层导管采用外径为127 mm的钢管，此钢管内置于台阶孔内主要是精确定位爆眼孔的导向孔，在此钢管中利用潜孔钻钻直径为108 mm的炮眼孔，目的是装直径为90 mm的炸药卷。采用双层导管的目的：一是便于在装炸药时顺利找到已成的炮眼孔，二是保护已成孔不被江中的河沙所填埋。双层导管法是在江中基岩钻孔进行水下爆破的较好成孔方法。具体操作方法：利用2艘100 t船舶设作爆破施工钻孔平台，钻机可以在施工钻孔船舷外爆破钻孔平台导轨上灵活移动及准确对孔位。利用外层钢管钻直径为135 mm的台阶孔，台阶孔深约50 cm，在台阶孔内下放内层直径为127 mm的钢管并钻直径为108 mm的孔，孔深比設计封底砼标高低100 cm。爆破施工钻孔平台如图3所示。

4.2 水下装药工艺

逐孔编号，钻孔，确定孔深后，按单孔药量法计算该孔药量，将乳化炸药按量分配。选9OPVC管，沿孔壁置人l根可伸出到水面上的钢筋，装入乳化炸药50 cm，装入起爆体（起爆体内置2发雷管），再装药至分配重量，并将导爆管与钢筋绑在一起牵出水面。要求PVC管内炸药用木棍装密实，PVC管底密封牢固，管内钢筋在管口处与PVC管（PVC管两端提前钻小孔各4个）绑扎牢固，装药后将上、下孔口用堵漏灵密封。原则上，装药高度不超过内套管下缘。

4.3 防水击波工艺

采用气泡帷幕防水击波工艺。气泡帷幕的原理是利用压缩气体从气泡帷幕管的小孔中喷出，并在水中形成一排连续上升的帷幕状气泡空气墙，当爆破形成的水击波通过该气泡帷幕墙时，由于气体的可压缩性质，冲击波的动能转化为受压缩气泡的内能，内能通过气泡的膨胀过程释放出来。这样水击波压力通过气泡帷幕墙时被衰减，从而起到保护水下钢围堰和导向船的作用。具体施工是在钢围堰内侧下缘布置气幕管道，用50水管按间距a=10 cm钻孔φ2～φ3的小孔将其按围堰内轮廓连接为一矩形环状，同时接一对φ50输气管至围堰顶面，四角及中间每隔3 m焊上悬吊挂钩，将其置入围堰内侧刃角处，挂钩固定在围堰顶部。爆破前将空压机风管接至围堰顶部2个气幕管道的入口，供气后，即形成保护气幕。

4.4 网路连接与起爆作业

由于有水冲力，以及钻孔船移位后导爆管连接接头会落入水中，所以网路连接接头都用胶布捆紧，不得松散。最后用一个电雷管引爆。起爆作业步骤：起爆器性能检查，电池更换，起爆实验；电雷管专用检查，电桥准备与起爆电阻阻值检查；起爆导线采用线芯2.5 mm铜芯导线，检查导线的导通情况及长度，长度应满足起爆警戒要求；进入起爆准备，起爆器或起爆电源的钥匙由连接雷管的操作人员保管。

4.5 盲炮处理

如果发现出现盲炮应及时处理，处理过程中应遵循以下原则。

（1）因启爆网路绝缘不好或连接错误造成的盲炮，可重新连网启爆。

（2）因填塞长度小于炸药的爆炸距离或全部用水填塞而造成的盲炮，可另装入启爆药包诱爆。

（3）可在盲炮附近投入裸露药包诱爆。

（4）遇有难于处理而又危及航行船舶安全的盲炮，应延长警戒时间，继续处理。

4.6 清渣

岩石爆破完毕后，进行清除岩渣，清渣用1.5 m3。水上抓斗船开挖，岩渣抓到泥驳中运到指定位置倾倒，抓斗清不完的少量岩渣可由潜水员下水清理。基坑开挖完毕后，采用HD-27型水中测深仪（带GPS定位功能）进行坑底测量，可准确测出基坑底面高程，简洁而又方便。

5 爆破效果

柳江双线特大桥29#实际爆破时，单段最大药量≤70 kg，起爆距离≥2 m。爆破后检验，礁石破碎度达到设计要求；靠近岸边的导向船底板发生轻微鼓泡变形，但对导向船的安全没有任何影响。说明采取的毫秒微差爆破技术、压缩空气气泡帷幕等防护技术措施是有效的，确保了钢围堰和船只的安全。经过4次深水爆破循环，最终在2个月零15天的时间内超过预定工期15天完成了全部施工任务。经过验收，爆破后河床面大面平整度为0.1 m，个别爆破漏斗深不大于0.6 m，为双壁钢围堰平稳就位及成功浇筑钢围堰水下封底混凝土创造了非常好的条件。

6 结语

通过在钢围堰内进行深水水下爆破，成功地解决了柳江双线特大桥工程双壁钢围堰的顺利下沉的技术难题。施工实践证明，采用在钢围堰內进行水下控制爆破施工技术爆破水下基岩是完全可行的，为特殊条件下钢围堰顺利下沉就位积累了宝贵的施工经验，确保柳江双线特大桥水中基础水下爆破在3个月内完成，可为类似基础工程的实施起到一定的借鉴作用。

参 考 文 献

[1]交通部第一公路工程总公司.公路施工手册：桥涵[M].北京：人民交通出版社，2000.

[2]JTJO 41—2000，公路桥涵施工技术规范[S].

[3]何广沂.工程爆破新技术[M].北京：中國铁道出版社，2000.

[4]刘殿中.工程爆破实用手册[M].第2版.北京：冶金工业出版社，2003.

[5]GB 6722—2003，爆破安全规程[S].

[责任编辑：钟声贤]

【作者简介】蒋向阳，男，广西柳州人，本科，中铁二十五局集团第六工程有限公司副总经理，从事土木工程工作。