预留钢管桩岩坎爆破拆除关键技术措施研究.pdf

第37卷第2期 2020年6月 Vo l . 37 No . 2 Jun . 2020 bMg do i10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.02.016 预留钢管桩岩坎爆破拆除关键技术措施研究* 刘浩阳赵根刘烈黎卫超马红鉤2 （1.长江水利委员会长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉430010； 2.中国水利水电第十四工程局有限公司，昆明650000） 摘要在灌浆钢管桩岩坎围堰距周边建（构）筑物较近的情况下克服钢管桩的影响，使钢管桩和岩石有 效分离是工程爆破上一大难点。结合山西中部引黄工程取水口岩坎爆破实例，在围堰被密集程度为 1.2 n /根的灌浆钢管桩加固、周边建（构）筑物距离较近等的苛刻条件下进行爆破拆除。爆前对内支撑梁 进行拆除。爆破采用一次性整体爆破，对钢管桩加固区域，每两个钢管桩之间布设一个炮孔，基岩处单耗选 择在0.70.8 k g/n 之间，底部单耗值大于1.5 k g/m\合理设计预裂孔、减震孔、倾斜光爆孔等、采用间隔 装药和安全防护措施以实现基础稳定、控制爆破块度大小、减少爆破振动等需求。爆破结果使钢管桩和岩石 有效分离，将爆破振动控制在安全标准范围内，保护了周边建（构）筑物的安全，为相关工程实施经济高效的 爆破提供了参考。 关键词钢管桩岩坎；爆破拆除；减震；安全防护；振动监测 中图分类号TV542 文献标识码A 文章编号1001 -487X（2020）02 - 0092 - 05 Research o n Key Technical Measures in Blasting Demo litio n o f Reserved Steel Pipe Pile Ro ck Ridg e LI U Hao-yang ,ZHAO Gen ,LI U Mei-shan ,LI Wei-chao1 ,MA Hong-jun2 （1. Key La bo r a t o r y o f Geo t ec hn ic a l Mec ha n ic s a n d En gin eer in g o f Min ist r y o f Wa t er Reso ur c es, Ya n gt z e River Sc ien c e Resea r c h In st it ut e,Wuha n 430010,Chin a； 2. Sin o hydr o Bur ea u 14 Co Lt d, Kun min g 650000, Chin a） Abstract It is a gr ea t diffic ul t y in en gin eer in g bl a st in g t o o ver c o me t he in fl uen c e o f st eel p ip e p il es a n d effec t ivel y sep a r a t e a st eel p ip e p il e fr o m r o c k when t he r o c k ba n k c o ffer da m wit h gr o ut in g st eel p ip e p il e is c l o se t o t he sur r o un din g buil din gs. Co mbin ed wit h a bl a st in g ex a mp l e o f a wa t er in l et o f t he Yel l o w River Diver sio n Pr o jec t in c en t r a l Sha n x i Pr o vin c e, bl a st in g demo l it io n wa s c a r r ied o ut un der t he ha r sh c o n dit io n s o r ein fo r c emen t o f gr o ut in g st eel p ip e p il e wit h a den se degr ee o f 1.2 m2/r o o t a n d t he p r o x imit y o f sur r o un din g buil din gs. The in t er n a l sup p o r t bea m is disma n t l ed befo r e det o n a t io n . The bl a st in g a do p t s o n e-t ime o ver a l l bl a st in g, a n d a bl a st ho l e is a r r a n ged be t ween ever y t wo st eel p ip e p il es fo r t he r ein fo r c emen t a r ea o f st eel p ip e p il e. The un it ex p l o sive c o n sump t io n in t he bedr o c k is wit hin t he r a n ge o f 0. 7 〜0. 8 k g/m3, a n d t he bo t t o m un it ex p l o sive c o n sump t io n is gr ea t er t ha n 1.5 k g/m3. Rea so n a bl e design o p r e-sp l it ho l es, sho c k a bso r p t io n ho l es, in c l in ed smo o t h bl a st in g ho l es, et c . , dec k c ha r ge a n d sa fet y p r o t ec t io n mea sur es is c o n duc t ed t o ma k e sur e fo un da t io n st a bil it y, c o n t r o l o f bl a st fr a gmen t a t io n a n d r educ e bl a st in g vibr a t io n s. The bl a st in g r esul t s ma k e t he st eel p ip e p il e sep a r a t ed fr o m t he r o c k effec t ivel y, a n d c o n t r o l t he bl a st in g vibr a t io n s wit hin t he sa fe r a n ge, t hus t he sur r o un din g buil din gs a r e p r o t ec t ed. This r esea r c h p r o vides a r efer en c e fo r t he imp l emen t a t io n o f ec o n o mic a n d effic ien t bl a st in g in r el a t ed p r o jec t s. Key wo rds st eel p ip e p il e r o c k r idge ； bl a st in g demo l it io n ； sho c k a bso r p t io n ； sa fet y p r ec a ut io n s ； vibr a t io n mo n it o r 第37卷第2期刘浩阳，赵根,刘美山，等预留钢管桩岩坎爆破拆除关键技术措施研究93 在我国水利水电工程施工中常需要修建临时挡 水建筑物，其中预留岩坎得到广泛使用。预留岩坎 设计可直接保留、利用部分被开挖岩体本身作为临 时挡水结构，形成挡水面,从而有效地降低水利水电 工程中修建临时挡水建筑物的经济投入和缩减水利 工程的施工工期⑷。一般水利工程在主体工程竣 工后均需对预留岩坎进行拆除以便可以达到运行要 求□⑷。然而实际大多水利水电工程周边地质环境 较差,不利于修建临时挡水建筑物,因此部分工程会 加设灌浆钢管桩保证围堰的整体性和坚固性。加固 后岩坎整体性好，但后期拆除难度加大;同时预留岩 坎一般距主体结构及周边居民设施较近,对爆破拆 除要求较高⑸。以山西中部引黄工程取水口岩坎 工程为例，内设灌浆钢管桩，距水工建筑物和周边居 民环境太近,拆除难度较大，对其进行分析和研究, 给出合理的岩坎爆破拆除方案，结合实际爆破效果 和爆破质点振动监测结果证明取水口岩坎爆破拆除 成功。 1工程概况 11基本情况基本情况 山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划” 大水网建设中一项重要的工程，取水工程位于保德 县境内。取水口位于天桥水电站左坝头上游380 m 处，装机容量9.1万k W,设计取水流量23.55 m3/s , 建筑物级别为2级。进水口设拦污栅一道，工作闸 门两道。取水口围堰按照天桥水库正常蓄水位设 计，水位高程为EZ834. 0 m,其中汛限水位高程为 砒832. 0 m,围堰堰顶高程为EL835.0 m。前期采用 机械开挖，实际开挖终高程为砒835. 8 mo 12取水口围堰特点取水口围堰特点 取水口围堰采用预留岩坎，岩坎布置三排 219钢管桩进行加固，共计54根，桩长12 m,两侧 钢管桩间距为0. 8 m,中间钢管桩间距为1.2 m,排 距为0.9-1.5 m,钢管布置为1.2 m2/根，钢管内均 灌筑M25砂浆直接成桩。上游侧局部布设5个 少260膜袋孔，孔内设置3根“ 28玻璃纤维筋及膜 收稿日期2020-02-19 作者简介刘浩阳（1995 -），男，山西省怀仁市，硕士研究生，从事水 利水电工程爆破方面的研究工作,（E-ma il） 673250713 q q . c o m。 通讯作者赵 根（1965 -），男，江苏海门人，长江科学院，水利部岩 土力学与工程重点实验室，教授级高级工程师，从事爆破 设计、咨询科研及安全评估工作,（E-ma il） wuh_z ha o gen 126. c o mo 基金项目中央基本科研业务费一类项目（CKSF2019193/YT）；中央 基本科研业务费二类项目（CKSF2019477/YT） 袋，灌M25砂浆用于回填修补迎水面的倒悬空腔, 背水面采取垂直边坡开挖，设置内撑梁，围堰两侧与 取水口拦污栅的闸门墩相接。堰体上设置三排帷幕 灌浆孑L,孔间距1.0-1.2m,排距1.6m,孔深18 m, 灌浆13.0 m。 取水口围堰周边建（构）筑物较多，施工环境复 杂,拆除目标与进水塔结构紧邻,内边缘距拦污栅墩 墩头仅为1 m,内支撑板距拦污栅槽埋件最近距离 为1.35 m；岩坎距离天桥电厂生活区（建筑物为70、 80年代砖混结构）仅48 m,尤其是在距40 m的地方 有个景观凉亭和一道围墙;岩坎下游320 m处有天 桥电厂的发电厂房和中控室。具体环境如图1 所示。 图1周边环境图（单位m） Fig. 1 Sc hema t ic dia gr a m o f sur r o un din gs （un it m） 13取水口围堰拆除范围取水口围堰拆除范围 取水口基础为泥灰岩,取水塔底板顶面浇筑高 程为EL826.0 m,为保证取水塔基础的稳定又不影 响过流，预留岩坎拟拆除至高程1825.0 mo同时, 为了保证取水口边坡的稳定，左右两侧预留部分钢 管桩不拆除，维护垂直边坡的稳定性，仅拆除左0 006.60 右0 006. 60范围内的岩坎。考虑到取水 口前岩体风化程度较高、冲蚀严重以及进水流态,取 水口岩坎上下游两侧从第三排钢管桩处向外按30。 拆除形成喇叭口进水断面。取水口围堰拆除平面图 详见图2。 2爆破拆除重点难点分析 山西中部引黄工程取水口岩坎爆破拆除难度较 大，爆破重点难点有 1）围堰采取密集钢管桩加固，整体性好,爆破 拆除难度大。预留岩坎布置多排钢管桩增加了围堰 的整体性，增大了围堰爆拆除施工难度。由于钢管 94爆破2020年6月 只能被炸裂失稳不能被炸断，而钢管桩内部为砂浆, 从而增加了钢管破坏失稳的难度甚至无法破坏钢管 桩。克服钢管桩的影响，使得围堰顺利解体，钢管桩 与岩石分离是本次爆破的难点。 图2岩坎拆除平面图单位m Fig. 2 The fl o o r p l a n o r o c k r idge bl a st in g demo l it io n un it m 2） 围堰距永久水工建筑物和居民区较近，爆破 安全控制要求高。取水口建筑物为进水塔,设置拦 污栅一道，工作闸门两道。进水塔拦污栅闸墩与预 留岩坎紧邻。取水口围堰距离天桥水电站生活区仅 有约48 m左右距离。采取有效的爆破方式，将爆破 质点振动控制在允许范围内，且保证爆破飞石控制 在安全范围内是本次爆破的重点。 3） 围堰施工工作面窄，工期较紧。围堰工作面 窄限制了机械设备的投入 漩工效率低，对预留岩坎 拆除施工工期造成了很大的制约。 3爆破设计 3.1爆破方案选择爆破方案选择 爆破前需对围堰后内支撑梁进行预拆除及布置 临时挡水。首先采用风镐将岩坎背水面的内支撑梁 端混凝土进行拆除，割断钢筋并解除“八”字形内支 撑梁在闸墩处及岩坎处的支撑点，避免造成闸墩混 凝土的损伤。为确保取水口后洞室安全，采用两道 闸门挡水方案。取水口围堰采取一次性整体爆破拆 除，上下游各布置一排预裂孔和一排减震孔,为保证 基础的稳定,爆破孔不超深,在岩坎底部钻设一排倾 斜光爆孔。进水塔地基岩体基本质量级别为W级, 工程地质特性较差,为防止爆破对底板的影响，另在 进水塔前钻设一排减震孔。爆破后进行水下清渣和 水下切割钢管桩。 3.2确定爆破振动安全控制标准确定爆破振动安全控制标准 取水口周边建（构）筑物较多，施工环境复杂, 且距离爆区均较近,保护物自身结构不同，爆破安全 控制标准也不同;距离爆区的距离不同，爆破振动传 播到保护物后的速度值也不同。爆破参数、装药结 构的设计以及安全防护的结果均需符合周边各设施 的安全控制标准。 1） 邻近水工建筑物 爆破安全规程（GB67222014）同中没有规 定闸门、闸门槽、拦污栅等邻近水工建筑物的安全控 制标准，根据一般水电站的工程设计经验和长江科 学院对水利工程岩坎爆破采用的爆破安全振速控制 标准提出切导流及引水洞设计地震设防烈度为 8。,其它钢筋混凝土结构物的抗震设计标准为 15 c m/s ,校核标准为20 c m/s,闸门和闸门槽的爆破 抗震设计标准为15 c m/s ,校核标准为20 c m/s。为 了保守起见，在设计中爆破安全控制标准按照 10 c m/s设计,12 c m/s校核,为周围保护物的安全 留出一定的富余度。 2） 城区民用建筑物和发电厂建（构）筑物 取水口距离天桥水电站生活区较近，离生活区 最近需保护的建筑物仅48 m,且为70,80年代砖混 结构，且距40 m的地方有个景观凉亭和一道围墙。 取水口下游为天桥水电站，天桥电厂的发电厂房和 中控室距离岩坎约320 mo爆破安全规程 （GB6722-2014）中规定了一般民用建筑物和运行 中的水电站及发电厂中心控制室设备爆破振动允许 值，为安全起见，振动允许值均取最小值。爆破安全 振速控制标准表如表1。 表1爆破安全振速控制标准表 Table 1 Table o f blasting safety vibratio n speed co ntro l standard 保护对象类别 安全允许质点振动速度/（c m ‘ s 1 W10 Hz10 50 Hz5i0 Hz 一般民用建筑物1.5 〜2.02.0〜2.52.5〜3.0 运行中的水电站及发 电厂中心控制室设备 0.5 〜0.60.6〜0.70.7〜0.9 3.3爆破参数的选择爆破参数的选择 为有效控制爆破振动，除设主爆孔之夕卜，设计预 裂孔和减震孔。 1） 钻孔直径。炮孔直径为d90mm,对于成孔 困难的部位（迎水侧倒悬体部位）或者有潜在塌孔 风险的炮孔孔内采用直径d 108 mmo 2） 炸药选择。本着经济方便的原则，炸药选用 第37卷第2期刘浩阳，赵根,刘美山，等预留钢管桩岩坎爆破拆除关键技术措施研究95 e 32 mm乳化炸药进行捆绑使用。 3） 炸药单耗。基岩有压渣及水压条件和抛掷 需要，单耗选择在0.7 0.8 k g/m3之间;底部和堰 体前部约束比较大的部位,且有钢管桩的影响，底部 单耗值大于1 5 k g/m3。 4） 网孔参数和炮孔超深。主爆孔对于没有钢 管桩的区域，炮孔间距a 1.5 m,炮孔排距按经验 公式6 （0. 8 1. 2） x a ,取61.2 m；对于采用钢 管桩加固的区域，在每两个钢管桩之间布设一个炮 孑L,炮孔间距为0.8-1.2m,排距为0.8 1.5 m,爆 破孔孔深9.45 -10.76 m,孔内不超深，垂直布孔。 倾斜光爆孔水平倾角15。，间距0.9 m,单排, 钻孔深度4. 8 7.2m。 上下游预裂孔间距为0.8 m,单排，钻孔孔深 10. 8 mo 上下游减震孔间距为0.5 m,钻孔孔深12.5 mo 底板前减震孔间距0.5 m,单排，孔深3. 5 m, 空孔。 5） 堵塞长度。采用与抵抗线相同的堵塞长度 即 1.0 1.5 mo 6） 最大单段药量及总药量。根据爆破地震波 衰减规律的经验公式，确定最大单段药量控制在 10 k g以内。本次爆破总药量为816.2 k g。 3.4装药结构装药结构 根据类似工程的经验及冲渣技术的研究BN , 主体围堰爆破后需要进行水下清渣工作，但难度很 大,为了保证清渣的效果,围堰爆破的块度需控制在 W50c m的范围内。为了分散炸药能量，有效降低 爆破振动和减少大块率，炮孔采用间隔装药结 构心。 以第二排孔为例，底部1. 0 m采用3节 0 32 mm乳化炸药一捆加强装药，然后再采用2节 4 32 mm乳化炸药一捆进行装药，装药长度2. 3 m, 药卷上部采用编织袋、岩粉堵塞80 c m后再采用 2节0 32 mm乳化炸药一捆进行装药至堵塞段，堵 塞长度1.25 m,利用编织袋填塞第二段药卷的顶 部,最后进行封堵炮口。 对于倒悬体部位的炮孔，底部采用3节 4 32 mm乳化炸药一捆进行装药，装药长度1.0 m； 然后采用2节“ 32 mm乳化炸药一捆减弱装药至距 倒悬体空腔底部1.0 m,用编制袋装沙封堵倒悬体, 封堵至超过倒悬体空腔顶部1-0m,接着采用2节 0 32mm乳化炸药一捆减弱装药至堵塞段,堵塞长 度1.5m,利用编织袋填塞第二段药卷的顶部，最后 进行封堵炮口。 3.5起爆网路起爆网路 由于本次围堰爆破工程量小,雷管、炸药需求量 较小，受当地器材使用情况限制，选择普通非电毫秒 雷管起爆系统，孔间及排间采用MS2、MS5普通非电 毫秒雷管，孔内采用MS11、MS13段毫秒雷管与导爆 索传爆。爆破网路设计见图3。 图3爆破网路图单位m Fig. 3 Bl a st in g n et wo r k un it m 3.6爆破安全防护 爆破安全防护 体和闸门及门槽之间距离极近，需在闸墩、门槽及进 1）闸门及门槽的防护围堰爆破时，由于爆破 水渠底板等建筑物上挂设2层橡胶轮胎及满铺竹跳 96爆破2020年6月 板防止飞石破坏,并在取水口底板铺满沙袋,避免爆 破石块砸伤闸门前取水口底板。 2） 表面覆盖法为降低爆破质点振动，减少爆 破飞石，在爆破表面设置双层主动防护网竹条板 砂袋覆盖。这样既能达到控制爆破飞石的目的， 同样能够降低爆破质点振动速度。 3） 布置减震孔在岩坎上下游及两侧、进水塔 底板前各布置一排减震孔削减爆破地震波。 4爆破效果及振动监测结果 山西中部引黄工程围堰于2018年10月22日 15时04分起爆。爆破拆除效果良好，有效分离钢 管桩和岩石，爆破产生的渣石基本按照预期效果大 部分抛掷到黄河河道中，实现了预期效果;爆破振动 控制较好,达到了预期的减震效果;采用秸秆和竹排 等结合的防护方案，对闸门等设施防护到位,飞石和 冲击破对取水口闸门、闸门塔无损伤。爆破后效果 如图4所示。 图4岩坎爆破效果 Fig. 4 Bl a st in g effec t o f r o c k r idge 本次爆破有效控制了爆破振动,关键部位处振 动监测结果均未超标。爆破振动监测测点布置和监 测结果如表2。 表2爆破振动监测结果 Table 2 Mo nito ring results o f blast vibratio n 测点 编号 测点 部位 爆心 距/m X方向y方向z方向 振动速度/ c m ■ s 1 频率/ Hz 振动速度/ c m ■ s 1 频率/ Hz 振动速度/ c m ■ s 1 频率/ Hz 1公路上方7.01.889.270.9849.441.8843.26 2公路边16.51.9711.330.6715.451.7949.44 3广医院楼梯口40.00.1547.380.0886.520.1660.77 4办公楼车位旁61.00.0639.140.0524.720.1016.48 5进办公楼门右侧75.00.1841.710.3548.650.0313.73 5总结 1） 爆破设计采用主爆孔单孔单响,充分利用面 对河道临空面的有利条件,使爆破更加简单有效，提 高工效。根据爆破振动安全控制标准设计主爆孔、 上下游减震孔、预裂孔等爆破参数,使爆破后岩坎保 留的部分更加完整,减振效果更加显著;设计岩坎底 部倾斜光爆孔和底板前减震孔，有效防止了爆破对 取水塔底板的破坏,保护了地质情况较差的基础稳 定，控制了爆破对邻近水工建筑物和周边被保护建 （构）筑物的振动影响。 2） 临水钢管桩岩坎爆破一般具有拆除难度大、 施工工作面窄、地质条件差、距建（构）筑物过近等 特点，山西中部引黄工程取水口钢管桩岩坎爆破工 程在复杂的周边环境和苛刻的施工条件下,通过合 理的爆破方案、高效经济的安全防护措施等解决了 一系列面临的技术难题，在技术经济效果上取得了 较好的结果，可为类似工程提供经验。 参考文献参考文献References [1] 王克忠，金志豪,杨麦珍，等.取水塔基坑开挖过程倒 悬岩坎围堰渗透稳定性研究[J].岩土力学,2018, 39 S2415-422, [1 ] WANG Ke-z ho n g, JIN Zhi-ha o, YANG Ma i-z hen , et a l . 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