葛洲坝3号船闸爆破拆除方案及爆破振动控制研究

孙 颖，苏 利 军，陈 明，董 恒，魏 东

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072; 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

《国务院关于依托黄金水道推动长江经济带发展的指导意见》要求发挥长江黄金水道的独特作用，构建现代化综合交通运输体系。然而，伴随沿江经济的快速发展，葛洲坝水利枢纽作为三峡工程的重要组成部分，目前已面临通航能力不足的问题。拟将通航能力不高的3号船闸部分结构拆除，并改建成与1号及2号船闸规模相当的船闸，以进一步提高葛洲坝枢纽的通航能力。

3号船闸拟拆除部分除辅助设施设备和框架结构外均为大体积钢筋混凝土结构。现阶段，钢筋混凝土结构的拆除方法主要有机械拆除[1]、静态破碎拆除[2-3]和爆破拆除[4-6]。而对于大型钢筋混凝土结构，爆破拆除是目前最有效且技术成熟的方法。爆破拆除近年来发展十分迅速，Noriyuki Utagawa[7]等基于数字数据显示系统的AVS模块，合作开发了控制爆破拆除的模拟系统；KojiUenishi等[8]利用一个曾用于模拟裂缝在岩石中扩展的有限差分法程序，模拟了爆破拆除钢筋混凝土结构的全过程；So-Young Park等[9]探讨了某一钢筋混凝土筒形结构爆破拆除前的预弱化设计，并采用有限元软件直观地模拟了该结构的倒塌过程；苗胜坤[10]对大体积混凝土部分拆除方法进行了综合介绍；张仁鑑[11]对大体积混凝土的爆破抽槽进行了大量试验研究；苏利军等[12-13]对复杂工况下老闸拆除爆破进行了研究，并介绍了现场控制措施；汪永剑[14]对北江西南大型水闸闸室拆除技术进行了阐述；张丽华[15]结合京杭运河微山一线船闸老闸工程概况，对该船闸拆除工程的原则及施工顺序进行了分类论述。可见，虽然爆破拆除技术研究成果较多，但对于爆破用于船闸拆除以其引发的振动响应的研究较少。

葛洲坝3号船闸为大型钢筋混凝土结构，拆除体量大、工期紧，基于此背景，本文研究了葛洲坝3号大型钢筋混凝土船闸拆除技术及方案，并采用数值模拟方法，研究了爆破拆除下结构的振动响应特性，根据数值模拟结果和相关行业规范，提出了各保护对象的爆破振动安全控制标准和控制措施。

1 葛洲坝3号船闸爆破拆除方案

1.1 工程概况

葛洲坝水利枢纽位于湖北省宜昌市长江三峡出口南津关下游2.3 km处。葛洲坝3号船闸挡水前沿宽度为49.0 m，闸室有效尺寸为120.0 m × 18.0 m × 3.5 m，主要供客轮、小型货轮、其他专业船舶以及地方小型船队使用，其尺度较1,2号船闸要小很多。随着三峡水库的建成运行，3号船闸已不能满足通航需求，拟将其拆除，并在左岸新建双线船闸。新建双线船闸位于三江冲沙闸左侧，共用上下游引航道，双线船闸轴线之间的距离为66.0 m，其中心线与坝轴线正交。船闸主体包含桥墩段、上闸首、闸室和下闸首等建筑物，其中桥墩段长25.5 m，上闸首长60.0 m，闸室段长266.0 m，下闸首长48.0 m，船闸航槽宽34.0 m，左、右侧边墩宽度均为25.0 m，中墩宽32.0 m，结构总长为399.5 m。

3号船闸主要为钢筋混凝土结构，由上导墙段、桥墩段、上闸首段、闸室段、下闸首段、下导墙段组成，桥墩段根据过坝公路的需要布置在坝轴线，往下依次布置上闸首、闸室和下闸首(见图1)。

3号船闸改建过程涉及到靠船墩、导航墙、导流墩、泄水系统、船闸桥墩段、闸首段、闸室段等钢筋混凝土的拆除，拆除施工过程中，需保证保留结构安全及工作船闸、坝体、电厂等的正常运行。

1.2 拆除方案

3号船闸拆除施工期间，通航任务由1,2号船闸承担。为了便于布置施工场地，消除水下爆破作业带来的困难以及减轻钢筋混凝土拆除过程对保留结构的影响，钢筋混凝土拆除工作拟在上下游围堰构筑完成之后进行。依据设计进度，船闸主体结构拆除设计工期约为2个月，是影响船闸拆除的具体方案选择的关键因素。

3号船闸保留船闸右墩(墙)全部钢筋混凝土结构，拆除船闸底板钢筋混凝土结构和左墩(墙)钢筋混凝土结构，如图1所示。目前，钢筋混凝土结构拆除主要有爆破拆除、机械拆除和静态破碎拆除等方法，其中爆破法是国内使用最多的一种方法，在大体积混凝土开挖时多采用松动爆破技术。在爆破设计中，要尽量使用小孔径钻机钻孔，小台阶微差多段起爆，最大限度地降低单段起爆药量，减轻爆破振动破坏效应；机械拆除可分为机械切割法和机械撞击法，采用物理切割或撞击的方法实现拆除的目的；静态破碎法是利用填入于拟拆除结构钻孔内的膨胀剂的膨胀压力实现破碎拆除的方法。爆破拆除使用范围最广，拆除效率相对较高；机械拆除适用于一般小规模拆除，机械设备成本投入相对较大，拆除效率较爆破拆除低；静态爆破可以避免产生振动、飞石及噪音等有害效应，常用于拆除特殊环境结构，拆除效率相对较低。结合3号船闸拆除规模、施工进度和保护对象有害效应可控措施，选用了爆破拆除为主、机械拆除为辅的拆除方法。

考虑施工场面布置及各拆除部位之间的逻辑关系，总体上将拟拆除船闸结构分为3部分进行：先拆除相关的辅助设施设备及框架结构，再拆除大体积柱状钢筋混凝土结构，最后拆除板状钢筋混凝土结构。所以首先应拆除闸门、管线等有关设施设备及简易框架建筑物，再拆除3号船闸上下游导流墩、靠船墩、导航墙等船闸次要结构，最后自上而下、分区分层依次拆除闸室主体部分。分别从上、下游两个方向同时推进，各部分爆破施工后的爆渣及破碎的混凝土需及时清理，且需对结构中残余的钢筋进行机械切割。

1.上闸首人字闸门；2.下闸首人字闸门；3.启闭机房；4.阀井；5.泵站；6.控制楼；7.水泵井；8.左侧进水口；9.右侧进水口；10.左侧泄水段；11.右侧泄水段；12.变电所；13.活动桥

图1 3号船闸纵平面布置

Fig.1 Vertical layout of No.3 ship lock

船闸主体部位包括桥墩、上闸首、闸室、下闸首。由于闸首采用分离式结构，且配筋率较高，为提高爆破拆除效率及施工速度，船闸主体各部位可分不同区域同时拆除，直至拆除到闸室底板。考虑到爆破拆除对保留结构的影响，闸室底板拆除前在底板与右闸墙衔接处进行预裂爆破，最后再对闸室底板及底板高程以下的闸墙、闸首、桥墩部位进行爆破拆除。在这里选取图1中闸室中部不含空腔的断面为船闸主体的典型断面进行爆破拆除程序研究。考虑结构各部位配筋率的不同和爆破拆除时对保留结构的影响大小不同，将船闸主体结构在高程分为Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ、Ⅲ、Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅳ共7个区域，在此基础上选择合适的拆除顺序和拆除方法，如图2所示。

图2 船闸拆除示意(单位：m)

考虑爆破方式的不同，主体结构拆除共有3种方案可供对比选择，各拆除方案的拆除程序及爆破方式如表1所示。分别估算了3种方案的浅孔、深孔和预裂爆破工程量和各爆破方式一次循环作业所需时间。依据施工进度分析，布设5个工作面(从3号船闸桥墩段、下闸首段开始分别设置一个工作面，船闸闸室段向上下游分别设置工作面，船闸底板设置一个工作面)的条件下，可基本保证3号船闸主体结构按照方案2或方案3在2个月的设计工期内拆除完成；也可通过增加拆除施工机械设备、人工数量，提高施工速度，从而在预定工期内完成船闸的拆除。对于拆除方案1，在施工机械设备相同的情况下，至少需要布置7个工作面才能保证3号船闸主体结构在设计工期内拆除完成，船闸顶部场地有限，施工干扰会非常大，此外大量增加施工机械设备和人工数量，导致施工成本大幅增加。

表1 船闸主体结构拆除方案

综合考虑3号船闸主体结构施工现场的实际情况、施工进度要求、施工成本控制和可能产生的爆破有害效应的控制措施，确定以深孔梯段爆破为主的拆除方案2和拆除方案3为备选拆除方案。最终的船闸主体结构拆除方案可根据施工现场具体要求和实测保护对象振动资料决定。

2 船闸拆除爆破振动响应数值模拟

2.1 数值模型与计算参数

依据设计资料，采用CAD/CAE集成技术建立工程区大型三维动力有限计算模型，如图3所示。

为更加准确地模拟结构的爆破振动响应，参考提供的葛洲坝工程爆破振动衰减公式中的K和α值，对选定的岩体参数进行动力反演。数值计算时，为简化模型网格划分，缩减单元数目和计算工作量，将整个非弹性区(粉碎区和破碎区)等效为爆破源[16]，将爆炸荷载曲线施加在拟形成的开挖轮廓面上，即预裂爆破荷载施加于保留结构底部，浅孔和深孔爆破荷载作用于开挖轮廓面上，如图4所示，并将爆破荷载的作用型式简化为三角形，其中荷载上升时间为1 ms，荷载持续时间为6 ms，作用在炮孔中心面上。各工况下作用于弹性边界的爆破等效荷载峰值如表2所示。

根据《葛洲坝工程丛书—混凝土工程施工》[17]提供的详细混凝土标号分区，该模型中主要考虑C20、C25两种强度等级的钢筋混凝土结构。各部位材料等效参数反演结果如表3所示。

图3 葛洲坝航运扩能工程分析模型

图4 开挖轮廓面示意

表2 各工况下爆破等效峰值荷载

表3 材料动力参数反演结果

2.2 计算工况

按照上述总体开挖方案和爆破方法，结合工程区域内不同保护对象与爆源的相对位置，并考虑到不同类型爆源的距离和实际影响，在三维动力有限元模拟中分析了5个部位11种工况的爆破施工影响。各种计算工况的具体爆破参数如表4所示。

2.3 模拟结果分析

数值模拟得到了不同工况下主要保护对象的振动响应情况，桥墩段底板预裂爆破时，其分析计算结果如表5所示。

由表5中数据可以看出：桥墩段底板预裂爆破时，振动响应随爆心距的增加快速衰减，近区振动响应较大，如3号船闸右侧闸墙基础的质点峰值振动速度为12.64 cm/s，对应的附加最大拉应力分别为841 kPa；距爆源10 m处防渗帷幕处质点峰值振动速度为6.71 cm/s，附加最大拉应力为538 kPa，而较远处的高压线塔、二江电厂其它关键建筑物及设备的最大振速均小于0.5 cm/s。可见船闸底板预裂爆破可能会对临近的结构产生一定的影响，但不会影响大坝、厂房等保护建筑物的安全运行。

浅孔爆破和深孔爆破的振动响应传播规律与预裂爆破类似，随距离的增加快速衰减，依据计算结果，浅孔和深孔爆破情况下的3号船闸保留右侧闸墙、冲沙闸、防渗帷幕的振动响应较大，其中主要保护对象为右侧闸墙、防渗帷幕、冲沙闸、大坝、开关站及二江电站厂房，施工时应加强这些部位的振动监测。

3 船闸拆除爆破振动控制

3.1 保护对象

根据葛洲坝水利枢纽航运扩能工程的特点，以及建筑物与爆源的距离，将原大坝、左岸坝肩、防渗帷幕、冲沙闸闸门及启闭机、西坝开关站及二江电厂、高压出线塔基础、2号船闸(闸室、闸门、边墙、启闭机)、3号船闸保留结构、左岸民房、边坡及其支护结构等重要建(构)筑物确定为主要保护对象。

3.2 爆破振动控制标准

根据国家及行业相关标准和规范，并参考国内类似工程的经验，针对葛洲坝水利枢纽航运扩能工程3号船闸爆破施工方案，提出了近距离反复爆破作用下防渗帷幕、冲沙闸、2号船闸、开关站和二江电站厂房等重要建(构)筑物及机电设施的爆破振动速度控制标准，如表6所示。

对于防渗帷幕，初始阶段爆破振动先按照2.50 cm/s控制，而后根据爆破振动跟踪监测结果确定合理的最终爆破振动控制标准。对于3号船闸保留钢筋混凝土结构，主振频率低于50 Hz时，控制标准为5.0 cm/s；高于50 Hz，临近爆源10～15 m以内控制标准为15.0 cm/s，其它区域取10.0 cm/s。对于调压室附近高压出线塔基础，主振频率低于10 Hz，控制标准为3.0 cm/s；高于50 Hz，控制标准为5.0 cm/s。

表4 各工况爆破参数

表5 桥墩段底板预裂爆破时各保护对象的振速峰值及附加应力

3.3 爆破振动控制措施

爆破振动控制的途径有两类：① 通过采用合理的爆破参数、装药结构、爆破起爆顺序及抵抗线方向，选取合适的分段延迟时间，在爆源处控制爆破振动的强度；② 通过采用预裂爆破、开挖减振沟在爆破地震波的传播途径上削弱和降低爆破振动强度。对于葛洲坝3号船闸爆破拆除工程，可采取的工程措施如下。

(1)控制最大单响药量。依据表6中的数值模拟结果及早期工程建设实测资料，根据萨达夫斯基公式反演确定本工程底板预裂爆破、底板浅孔台阶爆破与左侧闸墙深孔台阶爆破最大单响药量建议值分别为6.4，10，40 kg。

(2)起爆网络优化。起爆网络优化的主要内容为段间起爆延迟时间的优选。合理选取微差间隔时间，将不同梯段爆破振动峰值错位，防止其相互叠加。根据相关工程实践，各段的起爆时间差至少保证在25 ms以上。

表6 葛洲坝3号船闸拆除爆破施工爆破振动安全控制建议标准

(3)采用不耦合装药结构。预裂爆破孔径取42 mm，炸药药卷直径取25 mm。浅孔爆破孔径取42 mm，炸药药卷直径取32 mm。深孔爆破孔径取76 mm，炸药药卷直径取50 mm。因拆除对象主要为钢筋混凝土结构，爆破施工中还可采用较小的炮孔密集系数和炮孔间距。

(4)预裂成缝。利用临近右侧所保留船闸结构的施工缝，采用预裂爆破，形成一条预裂缝或小破裂带，并将爆破施工的推进方向及抵抗线方向设置为平行于原船闸的轴线方向，即与水流方向平行。

4 结 论

(1)与静态爆破和机械拆除相比，控制爆破技术能够满足大型船闸拆除施工进度要求，且爆破次生灾害可控。而对于部分高配筋结构，需借助机械拆除方法。因此，3号船闸钢筋混凝土拆除方法建议以爆破拆除为主、机械拆除为辅的方案。考虑葛洲坝3号船闸施工场面布置及各拆除部位之间的逻辑关系，船闸拆除方案为依次拆除闸区附属结构、次要结构、主要结构，并且分区进行。

(2)数值模拟结果表明：预裂爆破所引起的大坝及建筑物的振动响应最大，此时右侧直立墩、防渗帷幕、冲沙闸处产生的附加动应力较大，应加强这些部位的振动控制与监测；爆破振动在开关站、二江电站厂房、附近民居等产生的振动及附加动应力相对较小，爆破振动不会影响结构安全及其正常运行。

(3)给出了各保护对象的振动控制标准及振动控制措施，并根据保护对象到爆源的距离，提出了不同爆破方式下的最大单响药量。