水下钻孔爆破在沉井施工中的应用

水下钻孔爆破在沉井施工中的应用□广西区梧州航道管理处钟鸣摘要：通过分析沉井施工过程产生倾斜、位移及扭转事故的原因，介绍沉井下沉施工过程中遇到较硬基岩情况下，采用水下钻孔爆破技术措施，预防沉井发生倾斜、位移及扭转事故，确保沉井均匀下沉至设计标高和满足基础容许承载力要求。关键词：水下爆破沉井应用1工程概况1.1工程简介清远北江大桥扩建工程（姐妹新桥）位于清远市北江大桥旧桥上游侧，大桥全长1033.45m。上部构造为连拱结构，共8孔跨径70m刚架拱和7孔跨径45m刚架拱（南岸3孔、北岸4孔），在70m刚架拱和45m刚架拱交节处设置单向推力墩，基础采用双孔圆端型阶梯式沉井，姐妹新桥12号桥墩沉井平面尺寸为16.0×14.6m，下沉深度25.0m，沉井刃脚设计在标高为－15.0ｍ的基岩上，基岩容许承载力不低于1800kPａ。姐妹新桥12号桥墩沉井沙土层采用抽砂泵抽砂（泥）下沉工艺，沉井在砂土层已均匀下沉至－14.2ｍ标高处，因遇到较硬基岩但未达到设计标高和基础容许承载力要求。1.2沉井下沉过程出现倾斜、位移及扭转的原因沉井下沉过程中，有时会出现倾斜、位移及扭转等情况，应及时发现并采取措施纠正。产生倾斜的原因可能有：（1）刃脚下土质软硬不均；（2）挖土不均，使井内土面高低悬殊；（3）刃脚下掏空过多，使沉井不均匀突然下沉；（4）排水下沉，井内一侧出现流砂现象；（5）刃脚局部被大石块或埋设物搁住；（6）井外弃土或施工荷载对沉井一侧产生偏压。位移产生的原因多由于倾斜导致，如沉井在倾斜情况下下沉，则沉井向倾斜相反方向位移，或在倾斜纠正时，如倾斜一侧土质较松软时,由于重力作用，有时也沿倾斜方向产生一定位移，因此预防位移应避免在倾斜情况下下沉，加强观测,及时纠正倾斜。沉井下沉产生扭转的原因是多次不同方向倾斜和位移的复合作用引起的。1.3在基岩上沉井下沉方案选择12号沉井以下基础为强风化、弱风化、微风化粉砂质泥岩，为了沉井底标高达到设计要求，当抽砂至较硬岩层面时，采用高压水枪不能对岩层进行破碎；采用潜水员水下风镐破碎清除方案存在施工时间长，凿岩清碴不均匀，使井内岩面高低悬殊，沉井不均匀下沉易发生倾斜，并导致位移及扭转事故发生；采用水下钻孔爆破方案对沉井刃脚下－14.2ｍ至－15.0ｍ岩层进行破碎，爆破方法为毫秒延期起爆，刃脚下岩层破碎达到同时、均匀的要求，然后用高压水枪对岩碴进行冲射，用Φ250ｍｍ吹砂管对破碎的岩碴进行抽碴清除，能确保沉井下沉过程中不发生倾斜、位移及扭转事故，安全、均匀沉至设计标高。2基岩地质及周边建筑物沉井位置地质钻探共钻孔9个，揭示地层情况从上到下依次为中砂、粗砂、强风化粉砂质泥岩、弱风化粉砂质泥岩、微风化粉砂质泥岩。标高－14.2ｍ以上为中砂、粗砂，－14.2ｍ以下为强风化、弱风化或微风化粉砂质泥岩，褐红色，中厚层状泥质结构，具水平层理，钙质胶质，岩芯完整，呈短柱状或长柱状。爆破施工区受影响的周边建筑物主要有下游原北江大桥桥墩，12号沉井外侧水平距原北江大桥桥墩（标高－14.5ｍ）5ｍ。3爆破施工技术方案3.1施工方法根据工程规模、工程地质、施工环境和安全要求，沉井内空部分基岩采用重锤冲击清除，清除至－15.5ｍ标高，以便水下潜水员钻孔及石碴堆积，沉井横梁高于刃脚1.0ｍ，横梁下基岩可预先单独爆破清除，对沉井砼墙身垂直以下部分岩层采用水下钻孔爆破施工方法进行破碎，设计超深0.2ｍ。爆破施工展开采用分三区（内区、中区、外区）爆破的方式（见图1、图2），梅花型布孔。内区为重锤冲击清除残留基岩，采取垂直钻孔爆破，中区、外区采取斜孔结构定向爆破，石碴向沉井中心侧向推移，减少单响用药量并装至孔底，进行松动爆破，避免冲击波和地震波对沉井或旁侧原北江大桥桥墩的损害。沉井横梁原桥墩刃脚新墩刃脚5ｍ－14.5ｍ超宽0.3m－14.2ｍ－15.2ｍ450角600角1.0ｍ1.2ｍ1.3ｍ图1垂直断面装药结构布置图内区直径13.2ｍ周长41.5ｍ一排86孔，分9个组，内周孔距0.40ｍ；中区直径14.3ｍ周长44.5ｍ一排98孔，分10个组，内周孔距0.40ｍ；外区直径16.3ｍ周长51.2ｍ一排101孔，分10个组，内周孔距0.42ｍ。每次爆破一个区，先后顺序为内区、中区、外区，每个区内分组起爆，从旧桥侧第1组开始起爆。分区分组如图2。1组1组1组2组2组2组3组3组3组4组4组5组5组4组5组6组6组7组7组6组7组8组9组8组9组10组10组内区外区药包中区内区中区外区图2分区分组平面布置示意图3.2爆破施工主要机具及施工人员依据本工程的施工条件和20个工作日的工期要求，基岩爆破施工投入潜水装备4套，5台孔径为45㎜的手提风动钻机，3台空气压缩机和其它清运石碴机具，龙门吊、吸碴管及配套空压机、水电供应等现场已具备。管理负责人、爆破员、安全员、保管员、押运员各1人，潜水员10人，后勤3人。3.3爆破施工工艺流程施工放样→人、机潜水就位→潜水员手提风动钻机钻孔→用木塞堵塞孔口保护→装药→堵塞炮孔→安全防护措施→警戒→起爆→检查确认无盲炮（如有盲炮必须处理）→抽碴（沉井下沉）→自检基槽底及沉井刃脚→清碴→检验合格。3.4爆破器材及起爆方法主要爆破器材包括：防水型2号乳化岩石炸药，药卷规格：直径40mm，长度25mm，每卷重量0.2kg。采用防水型8#毫秒延期非电导爆雷管引爆主炸药包，8#工业电雷管作击发元件电力引爆非电导爆管。3.5爆破参数的确定3.5.1参数a、b、△H的确定根据本工程的地质条件及施工要求，结合类似工程实践，参数a、b、△H选择如下：孔距a=0.5m，排距b=0.5m，岩层厚度=1.2～1.3m。3.5.2装药量Q值的计算计算公式：Q=q。baH。式中：Q——炮孔装药量（kg）；q。——爆破单位炸药消耗量（kg/m3），系经验值；根据本工程地质条件并结合工程实践经验，q。值取为0.15kg/m3；a——炮孔间距（m）；a=0.5m（为外周侧面间距）；b——炮孔排距（m）；b=0.5m；H。——设计爆破开挖岩石厚度，根据沉进壁厚2.20ｍ，内侧为重锤冲击清除残留基岩1.0ｍ，外侧面超挖0.3ｍ，分区厚度为内区1.3ｍ，中区1.2ｍ，外区1.0ｍ，计算岩层厚度取H。＝1.3ｍ。按公式计算平均单孔装药量（炸药换算系数1.0）：Q计=0.15×0.5×0.5×1.3×1.0=0.048kg实际平均单孔装药量，按安全距离要求取值，本公式爆破体积按外周周长计算，实际爆破体积小于计算体积（按梯形断面计算），药量取值可适当减小，或在原北江大桥桥墩侧爆区采取加密孔距的措施减少单孔装药量。本工程炸药雷管使用量：总钻孔数560个；炸药总用量28kg；非电导爆雷管总用量550发；工业电雷管用量8发。3.5.3装药结构为了减少爆破地震波、冲击波对沉井或旁侧原北江大桥桥墩的不利影响，采取斜孔装药结构，见图1。3.5.4起爆网路设计结合现场良好的施工条件，在保证爆破安全的前提下，施工中采取少药量、多炮孔、毫秒延期分段控制爆破的方法，以提高施工效率，加快施工进度。起爆网路采用并联网路。即每区分内外2排孔，近沉井中心侧为内排孔，每排孔86（或101）个孔并联成九组（或十组），每一组9～10个孔为一个起爆段，每孔1发雷管，内排孔近原北江大桥桥墩一组（9个孔）先起爆。外排孔在接着内排孔之后起爆，内外排间用秒差延期雷管串联起爆，亦从原北江大桥桥墩一组（9个孔）先起爆，用毫秒延期雷管起爆，减少爆破地震波、冲击波的影响，中区、外区分十组爆破，第十组用3段延期雷管串联10段延期雷管起爆。3.6爆破安全距离及药量控制3.6.1爆破地震波安全距离根据《爆破安全规程》（GB6722—2003）计算公式：R=(k/v)1/αQm式中：R——爆破地震安全距离（m）；Q——炸药量（kg），齐发爆破取总炸药量，毫秒延期爆破或秒延期爆破取最大一段的炸药量；V——安全振动速度（cm/s）；m——炸药量指数，取1/3；K，α分别为与爆破点地形、地质等条件有关的系数和衰减指数。危险源主要有：爆破引起的地震、空气冲击波、个别飞散物等有害效应。危险点主要有：沉井施工期有可动性，爆破地震主要考虑对原北江大桥桥墩影响，所以危险点主要是原北江大桥桥墩及过往车辆、人员和施工人员。根据中华人民共和国国家标准《爆破安全规程》(GB6722-2003)，为提高保险系数，沉井及原北江大桥桥墩按钢筋砼框架房结构选取安全震动速度V＝5cm／s；按地质钻探资料，高程－14.2ｍ以下为强风化、弱风化或微风化粉砂质泥岩，褐红色，中厚层状泥质结构，具水平层理，钙质胶质，岩芯完整，呈短柱状或长柱状，按中等硬地质条件取K＝150；衰减指数采取浅孔等措施，可取α＝1.8。将V＝5cm／s，K＝150，α＝1.8代入爆破地震安全距离公式，当安全距离为5ｍ时，最大安全用药量为0.432kg。远离旧桥侧爆破区可根据距离增加用药量，原北江大桥桥墩侧爆区可采取减少一次起爆孔数的措施（9孔×0.048kg＝0.432kg），减少单响起爆药量，最大安全用药量为0.432kg可满足岩体破碎要求。3.6.2飞石影响在沉井下爆破用土工布对沉井井口进行全方位覆盖，阻拦向上飞石，个别飞散物对人员的安全距离不作计算。3.7爆破安全措施3.7.1爆破安全技术防护措施①采用微秒延期爆破方法，控制每段齐爆药量，确保满足爆破地震波安全距离要求。②施工前进行详细的现场勘测，并进行分区爆破试验，校核、验证、调整有关爆破参数，并检验安全防护效果，确保爆破施工安全。③保证炮孔堵塞长度和质量。④用土工布对沉井井口进行全方位覆盖，防止个别飞散物上冲。3.7.2爆破器材安全保证措施①严格管理好爆破器材。严格按《中华人民共和国民用爆炸物品管理条例》的规定进行爆破器材的运输、贮存、保管与使用。②建立严格的爆破器材领取、清退制度。领取数量不得超过当班使用量，剩余的要当天退回，不得滞留施工现场。每班、每天核对数量，做到帐物相符。3.7.3其它安全措施①爆破施工严格执行《工程爆破技术规范》、《中华人民共和国民用爆炸物品管理条件》和《爆破安全规程》。②爆破作业前向周围群众发布施工通告，并设立爆破施工危险警戒区。爆破施工时严禁无关人员进入爆破作业警戒区。③坚持持证上岗，爆破作业总指挥由持有公安部签发的爆破安全作业证的人员担任。炮工由持有炮工证且责任心强的人员担任。④施工前做好施工机械性能检查和爆破器材性能检验工作。⑤检测爆破区杂散电流，如电流值大于30mA不得用普通电雷管起爆。⑥大雾天不得起爆，雷雨天应立即停止爆破作业。⑦起爆体和药包的加工必须在专用场所进行，加工场所内严禁烟火和杂散电流。⑧装药时必须用木棍或竹杆，轻戳轻装，不得用力猛戳药包。⑨起爆前必须做好施工现场清场和爆破警戒工作，在确认符合安全条件后方能进行爆破。3.8爆破安全评估爆破安全评估主要分析爆破产生的地震波、冲击波和飞石对周边环境，特别是重要构筑物及人员产生的安全影响。①根据施工图资料和施工现场调查分析，爆破区主要有沉井及原北江大桥桥墩及过往车辆、人员和施工人员受到影响，通过以上各种措施可避免损害。②在计算爆破地震安全距离时，沉井及原北江大桥桥墩按钢筋砼框架房结构选取安全震动速度V＝5cm／s；强风化粉砂质泥岩、弱风化或微风化粉砂质泥岩按中等硬地质条件取K＝150；衰减指数采取浅孔等措施，取α＝1.8。上述取值均属较保守取值，爆破安全保险系数较大。③在爆破网路设计中，采取毫秒延期起爆方法，控制每段齐爆药量，能满足安全距离要求。④爆破岩层位于沉井口20ｍ以下，加上对井口采取了覆盖的措施，爆破飞石不会造成危害。结论：通过采取以上措施，爆破的地震波、冲击波以及爆破飞石均不会对附近构筑物和人员的安全造成危害，爆破施工是安全的。4结语水下钻孔爆破技术应用于沉井基岩破碎，配合使用高压水枪对破碎岩层进行冲射，用Φ250ｍｍ吹砂管对破碎的岩碴进行抽碴清除，能避免基岩开挖不均、井内岩面高低悬殊或刃脚下掏空过多，使沉井不均匀突然下沉等有害因素，确保沉井下沉过程中不发生倾斜、位移及扭转事故，能安全、均匀沉至设计标高和符合基础容许承载力要