发电引水洞钢筋混凝土衬砌的爆破拆除

发电引水洞钢筋混凝土衬砌的爆破拆除

张永哲

（中国水利水电科学研究院，北京100044

）摘

要：采用径向钻孔、轴向剥离的爆破方案，拆除了发电引水洞钢筋混凝土衬砌，并重新浇筑混凝

土。本文论述了该工程爆破设计方案与技术参数，施工中应注意的问题，并针对该工程爆破开挖与混凝土浇筑交错施工的具体情况，重点分析了爆破对新浇混凝土强度的影响及采取的措施。震动监测表明，爆破对发电引水洞的震动影响未超过标准，对新浇混凝土的振速实测值仅为0.2c m ／s ，洞体结构是安全的。

关键词：钢筋混凝土衬砌；拆除爆破；参数优化；震动监测中图分类号：T U 746.5

文献标识码：A

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t i m i z a t i o n ；V i b r a t i o nm o n i -t o r i n g

收稿日期：2004-10-12

作者简介：张永哲，抗震所教授级高级工程师。

1工程概况

天生桥二级水电站二号发电引水洞0+871段为古溶洞段，施工过程中曾大量渗水、涌水，多次发生塌方。由于Ⅱ期衬砌混凝土强度低、表面缺陷严重，未达到设计要求，需要将0+876~0+906共30m 长度范围内的拱圈Ⅱ期衬砌的厚60c m 钢筋混

凝土全部拆除、内外层钢筋割除，重新浇混凝土。

引水洞直径为6.9~8.7m ，实际衬厚为

0.625m ，主筋Φ32、间距13c m ，分布筋Φ25

、间距20c m ，共需炸除混凝土420m 3、割钢筋1041t

、新浇混凝土442m

3。要求两个月的时间完成全部任务。该项工程时间紧、难度大，在拆除Ⅱ期支护的钢筋混凝土的同时，要保证Ⅰ期支护的稳定，避免塌方。因此，爆破方案必须安全可靠、便于施工、满足进度要求。

第11卷第1期2005年3月

工程爆破

E N G I N E E R I N GB L A S T I N G

V o l .11，N o .1

M a r c h 2005

对于钢筋混凝土的拆除，由于钢筋的抗拉强度高，夹制作用很强，必须先将钢筋剥离后才能将混凝土炸碎。根据现场情况，Φ32的双层钢筋间隔约13c m，含筋率高达235.5k g／m3，按正常方法施工周期长，要分2~3次爆破，进度慢。最好采用一次爆破，将两层钢筋之间及外部一定范围的混凝土充分炸碎，同时将两层钢筋剥离出来，一次完成。

根据现场实际情况与进度安排，宜采用径向钻孔、轴向剥离的爆破方案。若采用轴向水平钻孔，由于工作面狭窄，且双层钢筋的位置很不规则，将影响施工进度；而径向钻孔，工作面大、施工方便，可以多台钻同时施工，加快速度。利用爆区与保留区之间已开挖好的深60c m、宽200c m的减震槽作为临空面，分别向上、下游方向环状剥离。钻孔深以第2层钢筋网为终孔位置，一次性爆破将两层钢筋与混凝土脱离，并将混凝土充分破碎、抛出。

采用径向钻孔、轴向剥离的爆破方案必须掌握好如下的技术环节：

（1）有合理的爆破参数，包括孔径、孔深、装药量、堵塞长度、单耗、孔距、排距和起爆顺序。

（2）正确的装药结构。为使钢筋与混凝土脱开，并将混凝土充分破碎，应采用耦合装药结构和足够的装药长度。

（3）要形成良好的临空面，造成应力波多次反射，使混凝土充分破碎，又可提高炸药利用率、降低药量、减小震动影响。

（4）可以将30m长应爆除的混凝土预先切成几个深槽（即临空面），形成若干工作面，同时分别向上、下游方向环状剥离。由于有两个临空面，震动影响小，对围岩的破坏作用小，有利于围岩稳定。特别是径向钻孔，沿隧洞轴向起爆对嵌入岩体的锚杆仅受到剪切作用，对围岩的稳定有利。而轴向水平钻孔起爆，锚杆受到的是拉力，当轴向钢筋未切断时，与围岩仍是一个整体，形成很强的拉应力，使锚杆容易产生松动，不利于围岩的稳定。

3现场试验与结果

现场试验采用的参数为：孔深0.45m，孔距0.3m，排距0.3m，每孔装入Φ32药卷100g，用湿黄泥材料堵塞，长度30c m。钻孔位置在桩号0+906处人工开挖的隔震槽上游须开挖部位，垂直洞壁打径向孔。设计炸药单耗为2.46k g／m3。实际打孔15个，第1排5孔、第2排4孔、第3排6孔。由于钢筋分布不均匀，孔、排距也不太规格，均小于设计

值，15个孔分布在宽0.5m、长1.3m的范围内，分别装入1、3、5段非电毫秒雷管，每排均为同一段雷管，最大单响药量为0.6k g。爆后检查15个孔全部起爆，两层钢筋间的混凝土全部被炸碎、抛出，两层钢筋全部外露，并有部分弯曲变形。最大爆炸深度达0.55m，稍微撬挖后可达0.6m的开挖深度，说明一次爆破即可满足设计要求。试验是成功的，只是药量偏大些。

第2次现场试验，对孔网参数及装药量作了适当调整。共打3排孔，孔深均为0.5m，第1排5孔、每孔装药40g，第2排7孔、每孔装药70g，第3排4孔、每孔装药70g；16个孔分布在宽0.7m、长1.5m 范围内，平均炸药单耗为1.83k g／m3。三排孔分3次起爆，每排一段，分别使用1、3、5段雷管，单响最大药量为0.49k g。16个孔全部起爆，双层钢筋全部露出，周围的混凝土全部被炸碎、抛出。割除钢筋后，稍许撬挖即可满足设计要求。

4施工方案和技术参数

现场试验表明，径向钻孔、环向剥离的技术方案是可行的，利用一次爆破即可达到设计要求。在施工中根据爆破效果和施工进度可随时调整爆破参数，不断优化设计方案。

（1）要贯彻小药量、均匀分布的原则，用手风钻钻孔，孔深0.5m、孔距0.3m、排距0.3m。

（2）采用Φ32标准药卷、耦合装药结构，每孔装药量约80g，单响药量0.5~1.0k g，单耗不超过2k g／m3。堵塞长度25~30c m，用湿黄泥封堵。

（3）采用微差间隔起爆顺序，降低单响药量。振动频率如按35H z考虑，则振动周期为30m s、半周期为15m s。我国非电毫秒雷管低段位的起爆时差为25m s，基本上可以保证每响振动的峰-峰值互相错开，不致造成各响震动的峰值叠加。时差适当延长可以保证前排为后排创造出良好的临空面。

（4）每个工作面每次起爆3排，每排（即排水洞圆周长）可以再分成若干段，单响药量不超过1k g，排间钻孔呈梅花形布置，沿临空面一个环带（3排孔）一个环带顺序开挖。

（5）30m长的开挖段分成四段，每隔7m挖出一条隔离槽，增加工作面，以便多台钻同时施工、加快施工进度。

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张永哲：发电引水洞钢筋混凝土衬砌的爆破拆除5起爆网路

起爆网路的设计是爆破施工中的关键技术之一，不仅影响爆破质量，也影响整个施工进度。

施工中采用非电毫秒雷管、孔内孔外微差顺序起爆技术。设计思路是孔内放高段位雷管、孔外放低段位雷管，孔外起爆网路全部传爆完毕后，第1排炮孔才起爆，这样爆破的冲击、震动不会造成网路的破坏，避免盲炮。

爆破时主要由单响药量控制孔数，设计10孔一响，即每次起爆3排（3圈）炮孔。

6工程进度安排

每次每个工作面起爆3排孔，进尺0.9m。

每个圆环先起爆270≠，留1／4圆周做基础，以架设钻孔台架和运输碴土，轴向宽度5~6m，最后一次炸除。

按3／4圆周钻孔，孔距0.3m，每圈约钻53孔，每孔深度为0.5m，共钻孔长度26.5m，按20%废孔率计算，约钻孔32m。按水电工程定额，手风钻每个台班应钻18m，约需2个台班，三排孔则需6个台班两天时间，再加装药、连线、起爆、出碴一天时间，共3天时间，进尺0.9m。如果4个工作面同时进行，平均每天进尺1.2m，一个月可以完成全部开挖任务。考虑到开挖与混凝土浇筑要交替进行，如果合理安排好工序衔接、机具与人员的调配，可以在规定时间内完成全部开挖任务。

7对围岩和后期支护混凝土破坏影响的初步分析

根据爆破安全规程G B6722-2003规定，水工隧洞的安全振速7~15c m／s。现场试验时曾在距爆源5m处布置震动观测点，单响药量不大于1k g时，实测质点振速约5c m／s、振动频率约30H z、振动幅值低于国家规定标准，应该说隧洞是安全的；而且振动频率较高，不会引起结构物的共振。振动频率愈高，对建筑物的抗震性能更有利；而药量愈小，振动频率愈高。因此，从结构的抗震角度来看必须严格控制爆破规模，降低单响药量。标准没有涉及到围岩的级别与地质情况，目前施工的隧洞曾发生多次塌方，必须要更加严格控制安全标准，建议以5c m／s作为安全控制标准，并在生产施工中及时调整爆破方案、修改爆破参数。

隧洞施工中灌浆压力为4~6M P a，即混凝土承

受了40~60k g的静态压力。按照一维问题进行简单动应力分析，15c m／s振速也仅造成大约5k g的压应力，远比静态的灌浆压力低，再考虑到动态的高频影响，作用时间短、衰减快，因此5c m／s的振速作为控制指标是安全可行的。

从爆后宏观检查来看，炮孔底部完整性很好；未见有大量裂隙、浮石与松动现象，用风镐检查强度仍然很高，没有影响后期混凝土的强度。实际上施工期混凝土之间施工缝的存在，对削弱应力波的传递是有利的。单就对材料本身的破坏而言，允许的振速可以较大，对结构而言则比较复杂，需专门进行动力稳定分析，进行具体研究。

8施工中应注意的若干技术问题（1）控制爆破技术必须要精雕细琢，钻孔深度、间距仅几十公分，偏差过大直接影响爆破效果与质量。装药前要认真检查孔深、孔斜、孔排距。钻孔精度是首要的技术环节，要正确设计、精心施工、严格管理、做好施工记录。

（2）严格控制单响药量、单孔药量，保证堵塞长度和质量，加强网路联接的检查，采用合理的微差间隔起爆技术，做到安全准爆。要注意形成良好的临空面。

（3）注意对上、下游止水铜板的保护及其它设备与人员的防护。

（4）爆破震动的动态监测的测点位置要尽量靠近爆源，应分别在洞顶、腰部与底部布置垂直方向和水平方向的传感器，要注意观测不同位置的质点振动频率、幅值、持续时间，以便进行全面的综合分析，及时反馈信息，调整爆破参数。

（5）进行边衬砌边开挖的方案时，除考虑对围岩的影响外，还要考虑到爆破对新浇混凝土的影响。

9爆破对新浇混凝土的影响

9.1爆破对新浇混凝土的影响

在发电引水洞0+876~0+906段混凝土拆除爆破工程的施工过程中开挖工程量大，工期紧迫，施工中势必形成爆破开挖与混凝土浇筑相互交错的局面。爆破产生的冲击和震动，对紧邻开挖区的新浇混凝土会产生一些不利影响，是否会造成破坏或降低后期强度、如何减少这种不利因素的影响、在施工中采取什么有效的保护措施等，都是迫切需要解决的生产实际问题。

爆破对新浇混凝土的影响涉及到诸多因素，包

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・工程爆破括炸药品种、药量、爆源距离、边界条件与混凝土材料的力学特性。目前从理论上定量地考虑这些因素，还难以找到简单而明确的计算方法来指导工程实践，只能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。从大量现场测试得到的破坏情况与地震强度联系起来进行统计分析表明，可以将质点振动速度作为爆破振动安全的控制参量之一并给出控制标准。

9.2试验研究结果

根据中国水利水电科学研究院的试验研究结果，对于长3m、宽1m的二级配混凝土在1天和3天龄期时，经受了30c m／s的水平振速后没产生破坏和裂缝，振动卓越频率为25~100周／s，振动持续时间为0.1s。随着龄期的增加，混凝土的强度亦在提高，仍处于完好状态。将受振后的混凝土块体养护到28天后进行的抗压强度试验表明，与未受振动的混凝土块体强度相差无几，说明爆破对其后期强度没什么影响。

以250号混凝土为例，3、7、14、21天龄期的混凝土强度分别为28天强度的40%、60%、80%、90%，可以据此核算安全控制标准。

9.3安全标准的确定

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，但在模拟试验中得到的振速值不宜直接作为爆破施工的控制标准，要考虑到试验块体的尺寸、形状、均匀性、材料特性、边界条件和爆源情况的差别，以及试验中单次爆破与施工中多次爆破频繁振动的差别。应用上述试验结果应有一定的安全系数，对确保工程安全是必要的。建议1天龄期的混凝土块体的允许质点振速为1c m／s，3天龄期的混凝土块体控制在3c m／s。

在爆炸载荷下混凝土构件处于复杂的应力状态，迄今对此尚没有一个被普遍接受的安全准则。混凝土破坏主要由抗拉强度来控制，仅为抗压强度的1／8~1／15，随混凝土标号增高和骨料粒径加大而变小。在爆破载荷下混凝土的应变是动态问题，其抗压、抗拉强度比静态值高出40%以上，应进行

施工监测以保证工程质量与安全。

9.4采取的工程防护措施

在施工中必须控制爆破规模、采取合理的爆破方法，以减小振动影响，充分保证新浇混凝土的质量与安全。为此提出如下措施：

（1）采用毫秒微差起爆技术，严格控制最大单响药量。初期对新浇混凝土安全控制最大单响药量不超过150g，根据观测结果，随龄期增长混凝土的强度变化和施工条件的变化再逐渐增加一次起爆药量。

（2）雷管段数的选择应使每段爆破产生的最大震动幅值互相错开，避免峰值叠加，有效地降低震动影响。同时注意低段雷管起爆后应形成较好的临空面，既减小震动，又增加破碎效果。

（3）注意保证爆源与新浇混凝土的距离，近距离处取小药量先爆，较远处可加大药量后爆。

（4）在混凝土材料配比中加入早强剂，提高早期强度，增加抗震能力。

（5）严格按设计施工，认真填写施工记录，专人负责安全质量检查。

10监测结果

总共进行18次监测，距爆区边缘距离最小0.5m、最大为8m，质点振速最大7.7c m／s、最小0.6c m／s，卓越频率为10~105H z，故爆破对发电引水洞的震动影响未超过国家爆破安全规程对水工隧洞规定的安全控制标准。

对新浇混凝土的震动实测值仅为0.2c m／s，对其质量没有影响。根据收敛计的观测结果，7天内变形最大值为3.5m m，证明爆破对发电引水洞震动影响很小，洞体结构是安全的。

参考文献：

〔1〕刘殿中，杨仕春.工程爆破实用手册（第2版）［M］.北京：冶金工业出版社，2003.

〔2〕于双久.工程爆破地震安全问题［J］.工程爆破，1995，1（2）：71-77.

〔3〕曹稼良，董振华，等.爆破设计［A］.水利水电工程施工组织设计手册［M］.北京：水利电力出版社，

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1990.

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参考文献：

〔1〕刘殿中.工程爆破使用手册［M］.北京：冶金工业出版社，1999.〔2〕中国力学学会工程爆破专业委员会.爆破工程（上）［M］.

北京：冶金工业出版社，1992.

〔3〕李守巨.拆除爆破中的安全防护技术［J］.工程爆破，1995，1（1）：71-75.

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张永哲：发电引水洞钢筋混凝土衬砌的爆破拆除