控制爆破开挖对岗南水库新浇混凝土的影响

谷海青

（河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050035）

控制爆破开挖对岗南水库新浇混凝土的影响

谷海青

（河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050035）

为满足水库防汛安全需要，岗南水库新增溢洪道抗滑竖井爆破开挖与混凝土浇筑交替进行。为控制爆破施工对新浇混凝土的危害，本工程通过试验监测应力、应变、质点振动速度、声波等数据，得出了新浇混凝土附件的爆破控制标准，以指导施工，也为类似工程施工提供了参考。

控制爆破；新浇混凝土；监测；控制标准

水利水电改扩建及除险加固工程中，由于施工场地限制及施工进度等原因，往往需要在新浇混凝土附近采用控制爆破进行石方开挖。炸药爆炸时所产生的冲击和振动，是否会引起新浇混凝土的破坏、降低它的后期强度，是影响工程质量和建筑物安全的重要问题，因此要对新浇混凝土附近的爆破开挖进行研究。

1 工程概况

岗南水库位于河北省平山县，是以防洪、城市供水、灌溉为主，结合发电的综合性水利枢纽，总库容11.63亿m3，大（I）型水库。 为确保水库安全运行，需扩建新增溢洪道工程。新增溢洪道采用大直径钢筋混凝土抗滑竖井来承受挑坎的荷载和利用自身抗剪能力来承担闸室以下陡坡至挑坎全段的剩余下滑力。为防止齿墙上、下游较破碎岩体的下滑，满足深层抗滑稳定的需要，保证齿槽开挖的施工安全，设计将齿槽划分为31个连续的竖井，分奇偶数列跳仓开挖。连续竖井布置图如图1。井体断面为椭圆形，奇数井为6.6m×4.5m，深20m，偶数井6m×4m，深15m，奇偶井互相紧贴，接触面宽2m。奇数井开挖后即浇筑混凝土，随后进行偶数序列井的开挖、回填。

图1 连续井桩平面布置

由于开挖工程量大，工期紧，施工中爆破开挖与混凝土浇筑相互交错施工。爆破开挖是否会造成竖井破坏或降低后期强度，如何减少这种不利因素的影响及在施工中采取何种程度的保护措施是迫切需要解决的重要问题。

2 抗滑桩受力分析和观测方法

爆破对新浇混凝土的影响涉及诸多因素，包括炸药品种、药量、钻孔质量、堵塞质量、爆源距离、地质情况、边界条件和混凝土材料的物理力学特性等，目前还难以从理论上找到简单而明确的计算方法求解药包周围介质的应力场，来指导工程实践。在爆破工程中，一般采用一维应力波模型，根据现场试验得到的应力波参量核算介质受到的最大应力并根据材料的强度理论进行判断，动应力值超过混凝土材料的极限破坏值则材料被破坏，反之则安全。爆炸应力波衰减很快，作用时间又短，对大体积结构而言，破坏往往是局部的，特别对混凝土拉应力造成的破坏范围较小。因此在新浇混凝土靠近开挖区一侧，沿不同高程埋入应变计进行观测。

大量现场实验表明，质点振动速度可以作为爆破振动安全的控制参量，且根据一维应力波关系，介质中某点应力值与该处的质点振速成正比，振动观测可以与应力应变观测互相验证。因此在新浇混凝土内部和表面分别埋入速度传感器进行观测。

除了观测混凝土的应力应变和运动参量来研究爆炸波在混凝土中的传播和衰减规律，还可以根据超声波来确定爆源周围混凝土在动载作用下的物理力学特性和内部破坏状态。如果介质内部结构发生变化，出现开裂或损伤、骨料脱落等就会造成声波的绕射或衍射使波速降低，通过爆炸前后混凝土块体超声波传播速度的变化，可以判断产生破坏的程度。声波的传播速度与介质的密度和弹性模量之间存在一定的函数关系，而介质的弹性模量往往与强度相关联，因此超声波观测还是介质抗压强度的检测手段之一，根据声波的变化来判断混凝土的强度及随着龄期增加的强度变化状况。

3 模拟试验

为了解新浇混凝土在1d、3d龄期时抵抗爆破振动的能力，研究爆破对新浇混凝土的作用规律，本工程进行了模拟试验。试验地点选择在与实际开挖区有着类似地质条件的开挖齿槽下游侧。在基岩中开挖出1.5m×1.5m×1.5m的正方形深坑并回填混凝土，设计标号为C20，骨料为2级配。

3.1 测点布置

在混凝土块体内部及表面分别布置应变、振动和声波观测点，平面布置如图2。

图2 测点平面布置

图中①表示3个应变仪按X、Y、Z 3个互相垂直方向固定在钢筋焊接的试验支架上，埋入混凝土中；②为振动观测仪器；③为声波测试孔。

3.2 炮孔布置

3.2.1 1d龄期爆破炮孔布置

炮孔共布置4排，与试块距离分别为2.5，4.5，8，12m。每排3孔，孔间距25cm，沿轴线对称布置，孔深2.5m，每孔装药600g，每排1.8kg，从孔底连续装药，上部用粘土堵塞。由炮孔与混凝土块体的距离来调整爆破产生的振动强度。从远到近逐次爆破，试块受到的振动影响逐渐增加。1d龄期爆破炮孔布置如图3。

图3 1d龄期爆破试验炮孔布置

3.2.2 3d龄期爆破炮孔布置

为了模拟竖井开挖实际的爆破布孔，3d龄期炮孔采取浅眼密孔的炮孔布置，斜孔为掏槽孔，与地平面夹角为70°，共2排，每排5孔，孔距0.3m，孔深0.8m，每孔装药300g，掏槽孔共装药3kg。垂直孔共4孔，孔距0.4m，孔深0.8m，每孔装药300g，共装药1.2kg。斜孔用1段非电雷管起爆，垂直孔用3段非电雷管起爆。3d龄期炮孔布置如图4。

图4 3d龄期爆破试验炮孔布置

3.3 试验结果及分析

3.3.1 振动与应变

1d龄期的混凝土块体质点振动速度最大值水平方向35.67cm/s，竖直方向12.52cm/s，振动卓越频率25～108Hz，振动持续时间0.1s。在试验选定的爆源与地质条件下，振动波的衰减规律为：

式中 V水平、V垂直为混凝土质点振动速度（cm/s）；Q为药量（kg）；R为爆源与测点距离（m）。

3d龄期的混凝土试块质点最大振速水平方向30.58cm/s，竖直方向10.75cm/s，振动频率27.8～62.5Hz，振动持续时间不到0.1s。

从应变测试结果来看，传感器均能较好地反应应变波形，波形上升时间10ms，作用时间为数百毫秒。实测最大压应变29με，最大拉应变30.4με。将实测数据进行回归分析可得试验块体1d龄期混凝土的应变与炸药量和距离的关系式如下：

3d龄期进行爆破试验时，实测最大压应变22.8με，最大拉应变6.24με，虽然此时大于1d龄期时试验的最大值而实测应变要小一些。说明随混凝土强度的增加，受荷载时的应变量相应减小。

3.3.2 声波

爆破前后混凝土的声波变化如表1。

表1 爆破前后混凝土的声速变化

利用跨孔法观测混凝土块体内部受爆破振动的影响范围和程度。表1结果表明爆破前后声速的变化在仪器测试误差范围内，说明1d龄期和3d龄期的混凝土块体受了30～35cm/s的水平振速后未产生破坏和裂缝。随着龄期的增加，声速也增加，表明混凝土的强度亦在提高，处于完好状态。

3.3.3 室内试验

采用15cm3的标准试块浇筑24h后进行抗压强度试验，结果如表2。

表2 1d龄期的混凝土强度 单位：kN/cm2

将埋有应变计的标准试块（编号为岗1，岗2，岗3）1d龄期时进行抗压强度试验，应力应变关系保持良好的线性如图5。

图5 混凝土试件的应力应变关系

当岗2、岗3试件4d龄期时再做抗压试验，加至5t时，试件完好无损，应力应变关系仍保持良好线性。与1d龄期试验比较可看出，虽加荷压力增加较多，但应变量增加不大，主要是混凝土的弹模提高及塑性减小之故。试件继续加压，得到4d的抗压强度为1.64kN/cm2。从破碎的试件可以发现应变计与混凝土结合很好，整体性强，能准确地反映混凝土的应力应变历程。28d龄期的混凝土抗压强度为2.52kN/cm2。

3.3.4 宏观检查

宏观检查未发现爆破振动在试验块体表面产生的任何纵向或横向裂纹，也未发现其他异常现象，混凝土质量良好。

3.3.5 混凝土后期强度检验

声波观测结果表明爆破前后混凝土强度没有发生变化。但是经过强烈的爆破振动以后是否会影响后期强度，为此也进行了模拟试验。将1d龄期的混凝土标准试件浇筑在的混凝土块体中，置于同一高程靠近炮孔一侧受振动影响最大的位置，24h后进行爆破振动试验，爆后分离取出标准条件下养护28d做抗压强度试验。

经受爆破振动后28d试件抗压强度2.31kN/cm2，与标准养护条件下试件抗压强度（2.53kN/cm2）变化不大。说明2d龄期的混凝土经受35cm/s的强烈振动后对其后期强度即使会有一定影响，但强度仍然较高，若适当控制，对后期强度不会产生大的影响。

3.4 实验结果

考虑到试验块体的尺寸形状与竖井实际情况的差别，以及地质情况爆源和材料的差别，试验中单次爆破与施工中多次爆破频繁振动的差别，因此对试验结果应考虑一定的安全系数，确保工程安全。结合施工进度和现场情况全面综合比较，岗南水库竖井开挖爆破建议1d龄期混凝土块体允许质点振速控制在2～3cm/s，3d龄期的混凝土块体控制在6～8cm/s。上述控制标准与现行爆破安全规程规定基本相符。

4 采取的控制爆破措施

根据试验结果，虽确定了施工中的各项控制指标，但在施工中必须控制爆破规模，采取合理的爆破方法，减小振动影响，充分保护新浇混凝土竖井的质量安全。为此提出如下的控制爆破措施：

（1）控制单响最大药量，增加雷管分段，采用毫秒延迟爆破及合理的起爆顺序。单响药量开始应不超过3kg，根据观测结果，随龄期增长混凝土的强度变化和施工需要再逐渐增加药量。

（2）新浇混凝土竖井1d龄期时，开挖井与其相隔距离至少2个井宽（12m）以上，3d龄期以上时方可进行相邻井的爆破施工。

（3）竖井上部因混凝土龄期短，强度低，易于变形。相邻井应避免全断面开挖。应采用台阶爆破分两次开挖。

（4）当奇数井回填混凝土时，两侧加双层稻草保护垫层，厚8～10cm，用塑料袋包好放在新浇混凝土外侧与岩体紧密贴合。

（5）当奇数井的混凝土浇筑时，在混凝土的材料配比中加入早强剂，提高早期强度，以增加抗振能力。

5 爆破开挖监测

实际爆破开挖时，选取两个竖井作为试验井，在施工时进行监测，了解爆破对新浇混凝土影响的规律，取得科学资料，指导其他竖井的施工。

5.1 测点布置

在19#竖井▽154.5，▽150.5，▽145，▽139.5m 4个高程分别埋设三分向振动传感器，在▽150.5，▽145，▽139.5m 3个高程沿竖井两侧距钢筋内侧30cm处（距混凝土边缘50cm）分别埋设三分向应变计，共设10个观测点，30台仪器，以观察18#、20#的井爆破施工对19#竖井新浇混凝土的影响。为进一步校核19#井的监测结果，在29#井的▽154.5m设置三分向振动传感器，▽150.5m埋入三分向应变计，观测28#井、30#井开挖爆破对29#井的影响，具体布置如图6。

图6 测点埋设示意图

声波管埋设位置如图7，在奇数井的一侧浇筑混凝土时同时埋入两根平行的硬塑料管，内径φ8cm，壁厚1mm，从▽154.5m直到▽139m高程。两管间距1m，其联线中点距混凝土外侧50cm。钢筋外侧混凝土厚10cm。

图7 声波孔位置

5.2 观测结果与数据分析

实测爆破开挖21炮， 其中19#井14炮，29#井7炮。经统计最大装药44.4kg，单响最大药量达16.8kg。开挖方式由分段开挖过渡到全断面开挖，使用1～6段非电雷管，毫秒延迟爆破，炸药单耗约2kg/m3。各项测试结果如下：

5.2.1 应力应变观测

应力应变实测结果如表3。

表3 混凝土的爆炸应力与强度对照

3～7d龄期实测最大压应变178με，拉应变132με，随着龄期增加混凝土强度也增加，同样规模的爆破应变量则减少。当7～14d龄期实测最大压应变144.5με， 最大拉应变119με，14d以上龄期最大压应变85με，最大拉应变103.9με。由表3可以看出压应变尚有余地，而拉应变已接近混凝土的静态抗拉极限值。

5.2.2 振动观测

振动观测如表4。

表4 不同龄期的混凝土振动应力计算

由表4可以看出，小于8d龄期的混凝土实测最大质点振速14.84cm/s，8d以上龄期振速一般小于9cm/s，基本模拟试验确定的控制标准。

5.2.3 声波观测

声波观测结果如表5。

表5 竖井声波观测记录

续表

由表6可以看出爆破前后波速的变化量很小，并且还有所增大，说明混凝土强度随龄期增长而提高，未受到爆破施工的影响。

5.2.4 宏观检查

爆后清碴时对两侧混凝土竖井进行了外观检查，未发现混凝土表面有裂缝及破坏现象。

5.3 控制爆破施工监测结果

经过实际爆破施工监测，在偶数井的爆破施工中对奇数井新浇混凝土内部和表面未产生破坏影响，质量是有保证的，可以满足设计要求。

6 结语

（1）经过岗南水库模拟试验和爆破施工过程中进行的应力应变、质点振速、声波传播速度多项观测及爆破前后混凝土强度对比和宏观调查综合分析表明，新浇混凝土经过一定时期的硬化过程，本身具有一定的强度和整体性，能够抵御一定强度的爆破冲击。

（2）在施工过程中采用的控制单响药量，增加分段，毫秒延迟，分次爆破，防振垫层等工程措施有效降低了爆破施工对新浇混凝土的影响和破坏。

（3）岗南水库爆破产生的动态拉应力已接近混凝土材料的抗拉强度，风险较大，建议类似工程实践中留出足够的安全余地。

［1］刘治峰，张戈平，等.大型病险水库除险加固控制爆破技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局发布.爆破安全规程［K］.北京：中国标准出版社，2004.

Controlled blasting technology on Gangnan reservoir new pouring concrete

GU Hai-qing
（Administration of the South-North Water Diversion Project Construction in Hebei Province,Shijiazhuang 050035，China）

In order to meet the security needs of flood control reservoirs， the Gangnan Reservoir new spillway anti-slide shaft blasting excavation worked with concrete pouring.To avoid breaking fresh concrete， we monitored the stress， strain，particle velocity and acoustic data by test works，and obtained the blasting control standards of fresh concrete accessories to guide the construction，it can provide reference for the similar projects construction.

controlled blasting； newly poured concrete； monitoring； control standards

TV5

B

1672-9900（2015）02-0078-05

2015-04-01

谷海青（1973-），女（汉族），河北保定人，高级工程师，主要从事水利工程建设管理工作，（Tel）18931888231。