周恩宁
中国水利水电第七工程局有限公司 四川成都 610081
摘要：本文将结合黄金坪附属洞室的工程施工，对爆破冲击波的控制与防护技术进行深入的研究，对于解决依托工程的爆破负面效应危害、保证工程安全、快速施工具有重要的意义，另一方面，也可以树立在民族地区文明施工的典范，对于促进民族团结、和谐施工具有推动作用。
关键词：近居民区复杂环境；爆破冲击波控制技术；防护技术
1、引言
爆破技术在水利、矿山、交通和城建等行业发挥越来越重要的作用，但爆破所诱发的一系列负面效应，包括爆破振动、冲击波和飞石等危害，受到普遍的关注和重视。下文就主要针对近居民区复杂环境的爆破冲击波控制和防护技术进行详细的探讨与说明。
2、工程概况
2.1工程地理位置和工程布置
黄金坪水电站位于我国四川省的位于甘孜藏族自治州康定县姑咱镇黄金坪上游大约3.0km的地方，处于我国大渡河的上游地段，是大渡河干流水电规划“三库22级”当中的第十一级水电站。
黄金坪附属洞室工程进风洞及地下厂房尾水边坡爆破施工区域与姑咱镇一河之隔，水平距离不足100m，进风洞洞口下游侧居民房距进风洞仅30m。大渡河在此段为峡谷地形，施工现场一侧山势陡峻，而对河一侧居民点部位地势平坦，人口集中，开挖作业面直接面对姑咱镇繁华地带（此处有丹巴至泸定的省道S211通过）。
2.2工程施工的特点
首先，该工程处于少数民族聚居区，由于地处藏区前沿，所以该地区的民族稳定团结占首位；其次，该工程距离居民区较近，施工工期较紧；另外，进风洞施工区域与姑咱镇仅一河之隔，水平距离不足100m，进风洞洞口下游侧居民房距进风洞口仅30m。
3、近居民区复杂环境爆破冲击波控制和防护技术
3.1冲击波的产生原理
炸药爆炸时，无论介质是空气还是岩石，都将有空气冲击波从爆炸中心传播出来。炸药若是在空气中爆炸，具有高温、高压的爆炸产物就在岩石破裂的瞬间冲入大气，强烈地压缩邻近的空气，使其压力、密度、温度突然升高，形成空气冲击波。这种冲击波在空气中传播时，将会形成似双层球形的两个区域，外层为压缩区，内层为稀疏区。压缩区内因空气受到压缩，其压力大大超过正常大气压，所以称为超压。稀疏区内由于跟随在冲击波后面的爆炸产物的脉动，其压力低于正常大气压，即出现负压。
由于空气受到压缩而向外流动，这种向外流动的空气所产生的冲击波压力，称为动压。由于冲击波具有较高的压力和较大的流速，故不但可以引起爆破点附近一定范围内建筑物的破坏，而且还会造成人畜的伤亡。大量的实验研究表明，其破坏作用远远超过爆破地震波和飞石的作用
本依托工程进风洞洞口正对密集居民区，爆破冲击波在隧洞开挖过程中，由于洞口的导向作用，极可能对河对面的居民房屋或居民造成损害和影响，需采取有针对性的防护措施。
3.2冲击波控制措施
3.2.1冲击波防护排架
冲击波防护排架采用I20工字钢作为立柱，I20工字钢作为横向连接杆，正立面用Φ20钢筋，间排距20*20cm，点焊在工字钢上，钢筋网外侧绑扎3.0×0.3×0.05（长×宽×厚）的马道板（竹夹板），注意要在钢筋网的背面铺上棉被。冲击波防护排架示意图见图1所示。
另外，防护排架高9m，立柱立于C20混凝土的基础面上，基础面与进风洞开挖底板面保持平齐；斜支撑全部采用I20工字钢，为了增加防护栏的整体性，立柱与斜支撑要采用工字钢的方式进行横向的连接，斜支撑支撑在混凝土基础面上，基础混凝土要埋入回填石渣中50cm，其断面为0.5×0.5m，并采用M7.5浆砌石对边坡进行防护。
图1 冲击波防护排架
防护排架上的竹架板在正面作为刚性防护层，起到对冲击波产生阻挡效能的作用，阻挡大部分冲击波的能量；同时利用竹夹板间的空隙允许小部分冲击波通过；该部分通过竹夹板的冲击波在遇到背面的棉被时，经过棉被的再次过滤吸收作用，剩余穿过棉被的冲击波的量能就更小了，从而可以有效的达到效能防护的作用。而通过冲击波防护排架上方的以直线方式进行传播的冲击波，则将直接散播到空气中，不会对冲击波防护排架后面的建筑物构成任何的破坏。其次，另一部分波长较长的冲击波绕过9.0m高的防护排架传向河对面的建筑物，但由于该部分冲击波的波长较大，所以也不会对建筑物造成破坏。
另外，通过现场试验得知，对防护排架前的冲击波是排架后冲击波的3.8倍（试验数据见表1），而且防护排架对冲击波的过滤和阻挡都起到了预期的效果。
表1 防护排架前、后冲击波对比试验
3.2.2爆破冲击波对生物体的防护措施
在该工程的施工现场，由于场地四周人口稠密、建筑物多，其他鱼、牧产业也较多，并且出线场对面和河边有一个大型的养鱼场，厂房后坡是当地的地方农民进行放羊、放牛的草场。由于在爆炸物发生爆炸的时候，会在瞬间变成高温高压的气体，随后产生强大的冲击波。这种冲击波会使周围产生瞬时的高压，并以波动的形式向外传播，还会对周边所涉及到的生物造成一定的威胁。另外，当爆炸的介质不同的时候，对所涉及到的生物产生的影响也有所不同。当爆炸的介质为空气，即在空气中发生爆炸时，由于动物本身的密度不同于空气的密度，所以，在爆炸冲击波波及到生物时大部分的冲击波就会在其表面发生反射，对生物产生的危害都是通过生物的鼻子、耳朵和嘴对身体内部造成伤害。
另外，为了有效的制定爆破冲击波对生物体的防护措施，要模拟一个近居民区进行爆破试验，具体为：选取四个点放置装有鱼的容器，分别距爆破源80m、100m、130m和140m，其次观测爆破对水生物体造成的影响，试验具体的爆破振动检测值见表2所示。
表2 爆破振动监测值
根据试验中的观测与监测得出的数据我们可以得知，距离爆破源最近的点爆破震动为0.725cm/s时，这时，鱼缸内的鱼无任何不良反应。由此可推断出，距离爆破源300m外的鱼塘不会因爆破施工而受到任何的影响。根据查阅有关的研究表明：在水中发生爆炸的时候，由于鱼体的密度和水的密度类似，当冲击波达到鱼体与水的交界面时通常会径直的向鱼体的前方进行传播。但是，当波及到的鱼身体内有空气腔的时候，由于空气具有一定的可压缩性，这时冲击波就会使得空腔壁发生撕裂或者是发生破碎。这时，在鱼内部的膘就会发生损伤，进而对鱼的内部器官以及外部的形貌产生一定的影响。
一般认为，爆炸时所产生的过高压和超低压交替变换所产生的振动，是爆炸中导致鱼类死亡的主要原因，而鱼体中容易受到伤害的器官就是充满空气的鱼膘，因此，无膘鱼类和有较小鱼膘的鱼类具有较强的抵抗爆炸冲击的能力。
3.3爆破冲击波的现场监测
3.3.1监测仪器和方法
由于爆破冲击波监测的物理量为冲击波超压，所以在该工程的爆破冲击波监测中选用的为成都中科测控公司生产的TC-4850型便携式冲击波数据采集仪，传感器使用的为特制的压电式传感器。
3.3.2监测的布置
首先，在保护区姑咱镇姑咱村B区选定三个冲击波测点，监测点布置示意图见图2；其次，在保护区姑咱镇姑咱村A区选定三个冲击波测点，监测点布置示意图见图3。
图2 B区监测布置点位图 图3 A区监测布置点位图
3.3.3爆破安全控制标准
参照有关技术的规程，并结合给出施工现场的实际情况，特别是考虑到当地居民房屋情况和人员居住环境，确定的爆破空气冲击波安全控制标准见表3。在实际施工过程当中，一般爆破冲击波按照2KPa进行控制。
表3 不同房屋类别的爆破空气冲击波安全限值
3.3.4爆破冲击波监测成果及分析
针对黄金坪水电站附属洞室的开挖爆破，一共进行了87场次的爆破空气冲击波监测，其中姑咱镇姑咱村B区监测52场次，姑咱镇姑咱村A区监测35场次。
在监测完毕之后，对采集到的数据进行分析整理，并对监测过程中各场次实测最大空气冲击波超压值进行统计。统计得知：第一，从2010年12月10日黄金坪水电站进风洞开挖爆破施工开始，进风洞洞口外监测到的最大爆破冲击波超压值为4.94KPa，姑咱镇姑咱村B区部位监测中，没有响应到大于仪器触发压力设定值0.3 kPa的压力值。第二，从黄金坪水电站进厂交通洞和出线兼排风洞开挖爆破施工开始，洞口外监测到的最大爆破冲击波超压值为3.12KPa，姑咱镇姑咱村A区部位监测中，没有响应到大于仪器触发压力设定值0.3 kPa的压力值。第三，在姑咱镇姑咱村B区和姑咱镇姑咱村A区爆破空气冲击波监测中，没有响应到大于仪器触发压力设定值0.3 kPa的压力值，远小于建议的安全控制标准，而在附属洞室洞口外112m左右实测最大冲击波超压值为4.94KPa，说明现场采取的双层排架遮挡的防护措施合理、有效。
4、结束语
综上所述，爆破控制属于破坏性，一旦达到上限将造成破坏，本工程周边建筑物多为干砌石堆码砌筑而成，抗震性差，控制难度大，因此要进行爆破冲击波的模拟试验，进而对爆破冲击波进行良好的控制及防护。
参考文献：
[1]曾昌. 隧道爆破冲击波传播机制及危害控制研究[D].西南交通大学,2016.
[2]陈春歌,申志兵,张贤凯,李列平.水下爆破冲击波危害及安全控制措施的模拟分析[J].安全与环境工程,2011,18(01):58-61.
[3]王剑.控制和防护爆破冲击波的方法探讨[J].科技促进发展,2010(S1):2.
论文作者:周恩宁
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/29
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