葛洲壩3號船閘爆破拆除方案及爆破振動控制研究

孫 穎，蘇 利 軍，陳 明，董 恒，魏 東

(1.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072; 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

《國務院關于依托黃金水道推動長江經濟帶發展的指導意見》要求發揮長江黃金水道的獨特作用，構建現代化綜合交通運輸體系。然而，伴隨沿江經濟的快速發展，葛洲壩水利樞紐作為三峽工程的重要組成部分，目前已面臨通航能力不足的問題。擬將通航能力不高的3號船閘部分結構拆除，并改建成與1號及2號船閘規模相當的船閘，以進一步提高葛洲壩樞紐的通航能力。

3號船閘擬拆除部分除輔助設施設備和框架結構外均為大體積鋼筋混凝土結構?，F階段，鋼筋混凝土結構的拆除方法主要有機械拆除[1]、靜態破碎拆除[2-3]和爆破拆除[4-6]。而對于大型鋼筋混凝土結構，爆破拆除是目前最有效且技術成熟的方法。爆破拆除近年來發展十分迅速，Noriyuki Utagawa[7]等基于數字數據顯示系統的AVS模塊，合作開發了控制爆破拆除的模擬系統；KojiUenishi等[8]利用一個曾用于模擬裂縫在巖石中擴展的有限差分法程序，模擬了爆破拆除鋼筋混凝土結構的全過程；So-Young Park等[9]探討了某一鋼筋混凝土筒形結構爆破拆除前的預弱化設計，并采用有限元軟件直觀地模擬了該結構的倒塌過程；苗勝坤[10]對大體積混凝土部分拆除方法進行了綜合介紹；張仁鑑[11]對大體積混凝土的爆破抽槽進行了大量試驗研究；蘇利軍等[12-13]對復雜工況下老閘拆除爆破進行了研究，并介紹了現場控制措施；汪永劍[14]對北江西南大型水閘閘室拆除技術進行了闡述；張麗華[15]結合京杭運河微山一線船閘老閘工程概況，對該船閘拆除工程的原則及施工順序進行了分類論述?？梢?，雖然爆破拆除技術研究成果較多，但對于爆破用于船閘拆除以其引發的振動響應的研究較少。

葛洲壩3號船閘為大型鋼筋混凝土結構，拆除體量大、工期緊，基于此背景，本文研究了葛洲壩3號大型鋼筋混凝土船閘拆除技術及方案，并采用數值模擬方法，研究了爆破拆除下結構的振動響應特性，根據數值模擬結果和相關行業規范，提出了各保護對象的爆破振動安全控制標準和控制措施。

1 葛洲壩3號船閘爆破拆除方案

1.1 工程概況

葛洲壩水利樞紐位于湖北省宜昌市長江三峽出口南津關下游2.3 km處。葛洲壩3號船閘擋水前沿寬度為49.0 m，閘室有效尺寸為120.0 m × 18.0 m × 3.5 m，主要供客輪、小型貨輪、其他專業船舶以及地方小型船隊使用，其尺度較1,2號船閘要小很多。隨著三峽水庫的建成運行，3號船閘已不能滿足通航需求，擬將其拆除，并在左岸新建雙線船閘。新建雙線船閘位于三江沖沙閘左側，共用上下游引航道，雙線船閘軸線之間的距離為66.0 m，其中心線與壩軸線正交。船閘主體包含橋墩段、上閘首、閘室和下閘首等建筑物，其中橋墩段長25.5 m，上閘首長60.0 m，閘室段長266.0 m，下閘首長48.0 m，船閘航槽寬34.0 m，左、右側邊墩寬度均為25.0 m，中墩寬32.0 m，結構總長為399.5 m。

3號船閘主要為鋼筋混凝土結構，由上導墻段、橋墩段、上閘首段、閘室段、下閘首段、下導墻段組成，橋墩段根據過壩公路的需要布置在壩軸線，往下依次布置上閘首、閘室和下閘首(見圖1)。

3號船閘改建過程涉及到靠船墩、導航墻、導流墩、泄水系統、船閘橋墩段、閘首段、閘室段等鋼筋混凝土的拆除，拆除施工過程中，需保證保留結構安全及工作船閘、壩體、電廠等的正常運行。

1.2 拆除方案

3號船閘拆除施工期間，通航任務由1,2號船閘承擔。為了便于布置施工場地，消除水下爆破作業帶來的困難以及減輕鋼筋混凝土拆除過程對保留結構的影響，鋼筋混凝土拆除工作擬在上下游圍堰構筑完成之后進行。依據設計進度，船閘主體結構拆除設計工期約為2個月，是影響船閘拆除的具體方案選擇的關鍵因素。

3號船閘保留船閘右墩(墻)全部鋼筋混凝土結構，拆除船閘底板鋼筋混凝土結構和左墩(墻)鋼筋混凝土結構，如圖1所示。目前，鋼筋混凝土結構拆除主要有爆破拆除、機械拆除和靜態破碎拆除等方法，其中爆破法是國內使用最多的一種方法，在大體積混凝土開挖時多采用松動爆破技術。在爆破設計中，要盡量使用小孔徑鉆機鉆孔，小臺階微差多段起爆，最大限度地降低單段起爆藥量，減輕爆破振動破壞效應；機械拆除可分為機械切割法和機械撞擊法，采用物理切割或撞擊的方法實現拆除的目的；靜態破碎法是利用填入于擬拆除結構鉆孔內的膨脹劑的膨脹壓力實現破碎拆除的方法。爆破拆除使用范圍最廣，拆除效率相對較高；機械拆除適用于一般小規模拆除，機械設備成本投入相對較大，拆除效率較爆破拆除低；靜態爆破可以避免產生振動、飛石及噪音等有害效應，常用于拆除特殊環境結構，拆除效率相對較低。結合3號船閘拆除規模、施工進度和保護對象有害效應可控措施，選用了爆破拆除為主、機械拆除為輔的拆除方法。

考慮施工場面布置及各拆除部位之間的邏輯關系，總體上將擬拆除船閘結構分為3部分進行：先拆除相關的輔助設施設備及框架結構，再拆除大體積柱狀鋼筋混凝土結構，最后拆除板狀鋼筋混凝土結構。所以首先應拆除閘門、管線等有關設施設備及簡易框架建筑物，再拆除3號船閘上下游導流墩、靠船墩、導航墻等船閘次要結構，最后自上而下、分區分層依次拆除閘室主體部分。分別從上、下游兩個方向同時推進，各部分爆破施工后的爆渣及破碎的混凝土需及時清理，且需對結構中殘余的鋼筋進行機械切割。

1.上閘首人字閘門；2.下閘首人字閘門；3.啟閉機房；4.閥井；5.泵站；6.控制樓；7.水泵井；8.左側進水口；9.右側進水口；10.左側泄水段；11.右側泄水段；12.變電所；13.活動橋

圖1 3號船閘縱平面布置

Fig.1 Vertical layout of No.3 ship lock

船閘主體部位包括橋墩、上閘首、閘室、下閘首。由于閘首采用分離式結構，且配筋率較高，為提高爆破拆除效率及施工速度，船閘主體各部位可分不同區域同時拆除，直至拆除到閘室底板?？紤]到爆破拆除對保留結構的影響，閘室底板拆除前在底板與右閘墻銜接處進行預裂爆破，最后再對閘室底板及底板高程以下的閘墻、閘首、橋墩部位進行爆破拆除。在這里選取圖1中閘室中部不含空腔的斷面為船閘主體的典型斷面進行爆破拆除程序研究?？紤]結構各部位配筋率的不同和爆破拆除時對保留結構的影響大小不同，將船閘主體結構在高程分為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ、Ⅲ、Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅳ共7個區域，在此基礎上選擇合適的拆除順序和拆除方法，如圖2所示。

圖2 船閘拆除示意(單位：m)

考慮爆破方式的不同，主體結構拆除共有3種方案可供對比選擇，各拆除方案的拆除程序及爆破方式如表1所示。分別估算了3種方案的淺孔、深孔和預裂爆破工程量和各爆破方式一次循環作業所需時間。依據施工進度分析，布設5個工作面(從3號船閘橋墩段、下閘首段開始分別設置一個工作面，船閘閘室段向上下游分別設置工作面，船閘底板設置一個工作面)的條件下，可基本保證3號船閘主體結構按照方案2或方案3在2個月的設計工期內拆除完成；也可通過增加拆除施工機械設備、人工數量，提高施工速度，從而在預定工期內完成船閘的拆除。對于拆除方案1，在施工機械設備相同的情況下，至少需要布置7個工作面才能保證3號船閘主體結構在設計工期內拆除完成，船閘頂部場地有限，施工干擾會非常大，此外大量增加施工機械設備和人工數量，導致施工成本大幅增加。

表1 船閘主體結構拆除方案

綜合考慮3號船閘主體結構施工現場的實際情況、施工進度要求、施工成本控制和可能產生的爆破有害效應的控制措施，確定以深孔梯段爆破為主的拆除方案2和拆除方案3為備選拆除方案。最終的船閘主體結構拆除方案可根據施工現場具體要求和實測保護對象振動資料決定。

2 船閘拆除爆破振動響應數值模擬

2.1 數值模型與計算參數

依據設計資料，采用CAD/CAE集成技術建立工程區大型三維動力有限計算模型，如圖3所示。

為更加準確地模擬結構的爆破振動響應，參考提供的葛洲壩工程爆破振動衰減公式中的K和α值，對選定的巖體參數進行動力反演。數值計算時，為簡化模型網格劃分，縮減單元數目和計算工作量，將整個非彈性區(粉碎區和破碎區)等效為爆破源[16]，將爆炸荷載曲線施加在擬形成的開挖輪廓面上，即預裂爆破荷載施加于保留結構底部，淺孔和深孔爆破荷載作用于開挖輪廓面上，如圖4所示，并將爆破荷載的作用型式簡化為三角形，其中荷載上升時間為1 ms，荷載持續時間為6 ms，作用在炮孔中心面上。各工況下作用于彈性邊界的爆破等效荷載峰值如表2所示。

根據《葛洲壩工程叢書—混凝土工程施工》[17]提供的詳細混凝土標號分區，該模型中主要考慮C20、C25兩種強度等級的鋼筋混凝土結構。各部位材料等效參數反演結果如表3所示。

圖3 葛洲壩航運擴能工程分析模型

圖4 開挖輪廓面示意

表2 各工況下爆破等效峰值荷載

表3 材料動力參數反演結果

2.2 計算工況

按照上述總體開挖方案和爆破方法，結合工程區域內不同保護對象與爆源的相對位置，并考慮到不同類型爆源的距離和實際影響，在三維動力有限元模擬中分析了5個部位11種工況的爆破施工影響。各種計算工況的具體爆破參數如表4所示。

2.3 模擬結果分析

數值模擬得到了不同工況下主要保護對象的振動響應情況，橋墩段底板預裂爆破時，其分析計算結果如表5所示。

由表5中數據可以看出：橋墩段底板預裂爆破時，振動響應隨爆心距的增加快速衰減，近區振動響應較大，如3號船閘右側閘墻基礎的質點峰值振動速度為12.64 cm/s，對應的附加最大拉應力分別為841 kPa；距爆源10 m處防滲帷幕處質點峰值振動速度為6.71 cm/s，附加最大拉應力為538 kPa，而較遠處的高壓線塔、二江電廠其它關鍵建筑物及設備的最大振速均小于0.5 cm/s?？梢姶l底板預裂爆破可能會對臨近的結構產生一定的影響，但不會影響大壩、廠房等保護建筑物的安全運行。

淺孔爆破和深孔爆破的振動響應傳播規律與預裂爆破類似，隨距離的增加快速衰減，依據計算結果，淺孔和深孔爆破情況下的3號船閘保留右側閘墻、沖沙閘、防滲帷幕的振動響應較大，其中主要保護對象為右側閘墻、防滲帷幕、沖沙閘、大壩、開關站及二江電站廠房，施工時應加強這些部位的振動監測。

3 船閘拆除爆破振動控制

3.1 保護對象

根據葛洲壩水利樞紐航運擴能工程的特點，以及建筑物與爆源的距離，將原大壩、左岸壩肩、防滲帷幕、沖沙閘閘門及啟閉機、西壩開關站及二江電廠、高壓出線塔基礎、2號船閘(閘室、閘門、邊墻、啟閉機)、3號船閘保留結構、左岸民房、邊坡及其支護結構等重要建(構)筑物確定為主要保護對象。

3.2 爆破振動控制標準

根據國家及行業相關標準和規范，并參考國內類似工程的經驗，針對葛洲壩水利樞紐航運擴能工程3號船閘爆破施工方案，提出了近距離反復爆破作用下防滲帷幕、沖沙閘、2號船閘、開關站和二江電站廠房等重要建(構)筑物及機電設施的爆破振動速度控制標準，如表6所示。

對于防滲帷幕，初始階段爆破振動先按照2.50 cm/s控制，而后根據爆破振動跟蹤監測結果確定合理的最終爆破振動控制標準。對于3號船閘保留鋼筋混凝土結構，主振頻率低于50 Hz時，控制標準為5.0 cm/s；高于50 Hz，臨近爆源10～15 m以內控制標準為15.0 cm/s，其它區域取10.0 cm/s。對于調壓室附近高壓出線塔基礎，主振頻率低于10 Hz，控制標準為3.0 cm/s；高于50 Hz，控制標準為5.0 cm/s。

表4 各工況爆破參數

表5 橋墩段底板預裂爆破時各保護對象的振速峰值及附加應力

3.3 爆破振動控制措施

爆破振動控制的途徑有兩類：① 通過采用合理的爆破參數、裝藥結構、爆破起爆順序及抵抗線方向，選取合適的分段延遲時間，在爆源處控制爆破振動的強度；② 通過采用預裂爆破、開挖減振溝在爆破地震波的傳播途徑上削弱和降低爆破振動強度。對于葛洲壩3號船閘爆破拆除工程，可采取的工程措施如下。

(1)控制最大單響藥量。依據表6中的數值模擬結果及早期工程建設實測資料，根據薩達夫斯基公式反演確定本工程底板預裂爆破、底板淺孔臺階爆破與左側閘墻深孔臺階爆破最大單響藥量建議值分別為6.4，10，40 kg。

(2)起爆網絡優化。起爆網絡優化的主要內容為段間起爆延遲時間的優選。合理選取微差間隔時間，將不同梯段爆破振動峰值錯位，防止其相互疊加。根據相關工程實踐，各段的起爆時間差至少保證在25 ms以上。

表6 葛洲壩3號船閘拆除爆破施工爆破振動安全控制建議標準

(3)采用不耦合裝藥結構。預裂爆破孔徑取42 mm，炸藥藥卷直徑取25 mm。淺孔爆破孔徑取42 mm，炸藥藥卷直徑取32 mm。深孔爆破孔徑取76 mm，炸藥藥卷直徑取50 mm。因拆除對象主要為鋼筋混凝土結構，爆破施工中還可采用較小的炮孔密集系數和炮孔間距。

(4)預裂成縫。利用臨近右側所保留船閘結構的施工縫，采用預裂爆破，形成一條預裂縫或小破裂帶，并將爆破施工的推進方向及抵抗線方向設置為平行于原船閘的軸線方向，即與水流方向平行。

4 結 論

(1)與靜態爆破和機械拆除相比，控制爆破技術能夠滿足大型船閘拆除施工進度要求，且爆破次生災害可控。而對于部分高配筋結構，需借助機械拆除方法。因此，3號船閘鋼筋混凝土拆除方法建議以爆破拆除為主、機械拆除為輔的方案?？紤]葛洲壩3號船閘施工場面布置及各拆除部位之間的邏輯關系，船閘拆除方案為依次拆除閘區附屬結構、次要結構、主要結構，并且分區進行。

(2)數值模擬結果表明：預裂爆破所引起的大壩及建筑物的振動響應最大，此時右側直立墩、防滲帷幕、沖沙閘處產生的附加動應力較大，應加強這些部位的振動控制與監測；爆破振動在開關站、二江電站廠房、附近民居等產生的振動及附加動應力相對較小，爆破振動不會影響結構安全及其正常運行。

(3)給出了各保護對象的振動控制標準及振動控制措施，并根據保護對象到爆源的距離，提出了不同爆破方式下的最大單響藥量。