近年來隨著沿海城市建設(shè)的發(fā)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(jīng)濟(jì)、交通、航運(yùn)的需要。但位于水下部分若采用機(jī)械拆除則成本高、難度大、工期長(zhǎng)，往往需要采用爆破法來拆除。因此，安全地實(shí)施水下爆破以達(dá)到工程建設(shè)要求，除嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)、飛石外，還需降低爆炸瞬間的水中沖擊波、飛濺水柱等對(duì)周圍建筑結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響，以維持城市工業(yè)、商貿(mào)、交通的正常運(yùn)行。

本文以天津市海河廣場(chǎng)橋兩座水下橋墩爆破拆除為例，通過爆破近區(qū)的水中沖擊波壓力監(jiān)測(cè)，分析了水中沖擊波的壓力傳播特性和對(duì)周圍環(huán)境的影響。

 

水下鉆孔爆破多用于水下開挖、拆除等工程，其爆破特點(diǎn)為在巖石鉆孔后裝藥，爆炸時(shí)部分能量從孔口洩放至水體，水中沖擊波強(qiáng)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(chǎn)生的水中沖擊波主要由三部分組成：①炸藥爆炸應(yīng)力波沿爆破體的破裂抵抗線作用于水體，產(chǎn)生水中沖擊波；②爆破產(chǎn)物的高速膨脹，引起水體的運(yùn)動(dòng)形成水擊波；③爆炸應(yīng)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(dòng)�？傊�，水下鉆孔爆破時(shí)，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(zhǎng)度、水深等因素有關(guān)。

目前，關(guān)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(shù)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(biāo)，并采用經(jīng)驗(yàn)公式^﹝2﹞計(jì)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(cè)點(diǎn)距離，m；k、a值與爆源性質(zhì)和炸藥品種有關(guān)。

 

3.1 爆破施工參數(shù)

待拆橋墩長(zhǎng)約16.5m、寬5.5m、高2m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橋墩頂部位于水下2m處，施工采用ф89mm地質(zhì)鉆鉆孔，炸藥使用巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格ф70mm×1.2kg，孔網(wǎng)參數(shù)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(gè)炮孔。采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，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(wǎng)路采用孔內(nèi)半秒延時(shí)非電雷管、孔外毫秒延時(shí)非電雷管的起爆方式。

根據(jù)爆破區(qū)環(huán)境條件和水深情況，在南橋墩不同距離處布置了3個(gè)水擊波測(cè)點(diǎn)，傳感器位于水面下3.5～2.0m處。爆破時(shí)對(duì)水擊波壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1，實(shí)測(cè)波形見圖1，爆破瞬間場(chǎng)景（略）

 

(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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，在爆源附近爆炸瞬間產(chǎn)生的水擊波壓力幅值較大，但隨距離增加呈迅速衰減的規(guī)律。在爆源0.5m處，瞬間壓力遠(yuǎn)大于儀器設(shè)定的最大值；在爆源3m處，實(shí)測(cè)水擊波壓力3.266MPa；距爆源10.Om處，實(shí)測(cè)水擊波壓力0.52MPa，壓力幅值下降較快。同時(shí)，從波形分析，在河道中心處(測(cè)點(diǎn)2)實(shí)測(cè)到了兩個(gè)壓力波峰，這與兩個(gè)橋墩半秒時(shí)差爆破有關(guān)；而在岸邊附近(測(cè)點(diǎn)3)受到較多的反射干擾影響，壓力波形疊加，只有一個(gè)波峰出現(xiàn)。

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

(3)根據(jù)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(shí)測(cè)水下鉆孔爆破產(chǎn)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(jì)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(dāng)，爆炸后近區(qū)實(shí)測(cè)壓力為爆炸產(chǎn)物沖擊壓力和水擊波壓力的綜合值，因此爆源附近實(shí)測(cè)壓力幅值較大，但隨距離增加迅速衰減。

(4)實(shí)測(cè)在距離爆源3～10m處水擊波正壓作用時(shí)間t₊均在50ms左右，而根據(jù)水中爆炸沖擊波正壓作用時(shí)間計(jì)算公式^﹝2﹞：                       

 

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

根據(jù)水下鉆孔爆破水擊波壓力衰減規(guī)律研究和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，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)

 

天津海河廣場(chǎng)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(duì)爆破安全效應(yīng)控制要求較為嚴(yán)格。為控制水中爆破沖擊波對(duì)周圍環(huán)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(shí)實(shí)施了水擊波壓力監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，與理論水中爆破相比較，從壓力幅值、正壓作用時(shí)間、二次脈沖及爆炸現(xiàn)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(jì)算公式。研究成果對(duì)完善水下爆破理論，指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)施工和環(huán)境安全評(píng)估具有參考價(jià)值。