水下鉆孔爆破的水擊波特性研究

2010-11-30 責任編輯：朱亮亮

梁向前¹，鄭德明²，張永哲¹

(1．中國水利水電科學研究院，北京100048；

2．上海同濟爆破工程有限公司天津分公司，天津300133)

摘要：以天津海河廣場橋水下橋墩爆破拆除為例，分析了水下鉆孔爆破的水擊波形成特征，并通過爆破區的水中沖擊波壓力監測，實測了不同距離處的水擊波壓力大小和變化規律，研究了淺水區水中沖擊波壓力幅值、正壓作用時間等作用特性，得到了海河淺水區水擊波傳播衰減公式。研究成果對指導工程設計施工和環境安全評估具有指導意義。

關鍵詞：水下鉆孔爆破；水中沖擊波；壓力特性

1 引言

近年來隨著沿海城市建設的發展，眾多原有的水上水下建筑物、公路橋梁等需要拆除，以滿足城市經濟、交通、航運的需要。但位于水下部分若采用機械拆除則成本高、難度大、工期長，往往需要采用爆破法來拆除。因此，安全地實施水下爆破以達到工程建設要求，除嚴格控制爆破振動、飛石外，還需降低爆炸瞬間的水中沖擊波、飛濺水柱等對周圍建筑結構和環境的影響，以維持城市工業、商貿、交通的正常運行。

本文以天津市海河廣場橋兩座水下橋墩爆破拆除為例，通過爆破近區的水中沖擊波壓力監測，分析了水中沖擊波的壓力傳播特性和對周圍環境的影響。

2 水下鉆孔爆破水擊波特性

水下鉆孔爆破多用于水下開挖、拆除等工程，其爆破特點為在巖石鉆孔后裝藥，爆炸時部分能量從孔口洩放至水體，水中沖擊波強度視水深條件及孔口填塞情況而差異較大^﹝1﹞。一般來說，水下鉆孔爆破產生的水中沖擊波主要由三部分組成：①炸藥爆炸應力波沿爆破體的破裂抵抗線作用于水體，產生水中沖擊波；②爆破產物的高速膨脹，引起水體的運動形成水擊波；③爆炸應力波的衰減引起的地震波的透射和水面反射等形成的水體的波動�？傊�，水下鉆孔爆破時，其形成水擊波能量的大小與爆破藥量、巖體完整性、鉆孔深度、鉆孔填塞長度、水深等因素有關。

目前，關于水中沖擊波的特性描述，一般用波陣面最大壓力p_m、比沖量I₊、水流能量密度ε等水中沖擊波的特征參數來度量。在水下工程爆破安全控制中，一般以水中沖擊波的峰值壓力作用安全控制指標，并采用經驗公式^﹝2﹞計算：

p_m =k·(Q^1/3/R)^a (1)

式中：p_m為水中沖擊波的峰值壓力，10⁵Pa；Q為水下爆破最大單響藥量，kg；R為爆源至測點距離，m；k、a值與爆源性質和炸藥品種有關。

3 水下橋墩爆破水擊波分析

3.1 爆破施工參數

待拆橋墩長約16.5m、寬5.5m、高2m，為鋼筋混凝土結構。橋墩頂部位于水下2m處，施工采用ф89mm地質鉆鉆孔，炸藥使用巖石乳化炸藥，藥卷規格ф70mm×1.2kg，孔網參數為1.2m×0.7m，孔深1.75～3.75m，梅花型布孔，2座橋墩共布置14排約180個炮孔。采用連續裝藥結構，每孔裝藥量3.3～6.Okg，總裝藥量為1544kg，最大單響藥量不超過9.Okg，炸藥單耗1.3kg／m³。起爆網路采用孔內半秒延時非電雷管、孔外毫秒延時非電雷管的起爆方式。

3.2 水擊波監測

根據爆破區環境條件和水深情況，在南橋墩不同距離處布置了3個水擊波測點，傳感器位于水面下3.5～2.0m處。爆破時對水擊波壓力進行了監測，具體監測結果見表1，實測波形見圖1，爆破瞬間場景（略）

3.3 水擊波壓力特性分析

(1)待拆橋墩頂部位于水下2m處，爆破深度1.75～3.75m，海河河水深度2.2～5.Om，寬度100m。從爆破監測數據分析，在爆源附近爆炸瞬間產生的水擊波壓力幅值較大，但隨距離增加呈迅速衰減的規律。在爆源0.5m處，瞬間壓力遠大于儀器設定的最大值；在爆源3m處，實測水擊波壓力3.266MPa；距爆源10.Om處，實測水擊波壓力0.52MPa，壓力幅值下降較快。同時，從波形分析，在河道中心處(測點2)實測到了兩個壓力波峰，這與兩個橋墩半秒時差爆破有關；而在岸邊附近(測點3)受到較多的反射干擾影響，壓力波形疊加，只有一個波峰出現。

(2)從爆破瞬間看出，在爆炸瞬間應力波迅速逸出，水柱垂直飛濺，不存在水中氣泡的二次脈動作用，表現為其水擊波隨距離衰減較快，對岸邊建筑物影響較小。這與深水區水中爆炸有明顯的區別。

(3)根據工程中常用的庫爾公式^﹝2﹞：

P_m=533·(Q^1/3／R)^1.13 (2)

在該次爆破條件下，距爆源3m處水擊波壓力為35.2MPa，10m處為9.04MPa，而實測水下鉆孔爆破產生的水擊波壓力是其1／10～1／17，這表明由于爆破作用方式、水深傳播條件的差異，水下鉆孔爆破的水擊波壓力與理論計算明顯不同。該次爆破炮孔上部水體高度與炮孔填塞高度相當，爆炸后近區實測壓力為爆炸產物沖擊壓力和水擊波壓力的綜合值，因此爆源附近實測壓力幅值較大，但隨距離增加迅速衰減。

(4)實測在距離爆源3～10m處水擊波正壓作用時間t₊均在50ms左右，而根據水中爆炸沖擊波正壓作用時間計算公式^﹝2﹞：

最大單響藥量9.0kg的藥包在水中爆炸時，沖擊波正壓作用時間僅為25～46μs，遠小于實測的毫秒級。因此，淺水區水下鉆孔爆破與水中爆炸相比，正壓上升沿作用長，但幅值衰減快、作用范圍小。

根據水下鉆孔爆破水擊波壓力衰減規律研究和工程經驗總結，該次水下爆破的水中沖擊波壓力衰減公式估算為：

△p=45.0(Q^1/3/R)^1.33 (4)

4 結語

天津海河廣場橋水下橋墩爆破拆除，因其位于城市交通重要地段、該處海河寬度窄、水深淺，對爆破安全效應控制要求較為嚴格。為控制水中爆破沖擊波對周圍環境的影響，深入分析水下鉆孔爆破的水擊波特性，在工程爆破時實施了水擊波壓力監測，并根據監測結果，與理論水中爆破相比較，從壓力幅值、正壓作用時間、二次脈沖及爆炸現象等方面做了較深入分析，并提出了水下鉆孔爆破的水擊波壓力計算公式。研究成果對完善水下爆破理論，指導工程設計施工和環境安全評估具有參考價值。

摘自《工程爆破》總第61期

參考文獻：

[1]陸遐齡，梁向前，胡光川．水中爆炸的理論研究與實踐[J]．爆破，2006，23(2)：9—14．

[2]北京工業學院八系編寫組．爆炸及其作用(下冊)[M]．北京：國防工業出版社，1979．

(3]陸遐齡，孫翠蘭．對水下鉆孔爆破動水壓力研究[J]．水利發電，1990，5：12—13．

[4]梁向前，張芳，陸遐齡．爆破擠淤水中沖擊波特性分析及工程監測[J]．工程爆破，2006，12(2)：16—18．

[5]方正，李世海，喬繼延．水中爆破氣泡脈動周期的試驗研究[J]．工程爆破，2001，7(2)：29—33．

[6]海河廣場橋水下橋體承臺爆破拆除[EB/OL]．From：http：//tj.house．sina.com.cn 2009—07—07．

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