摘 要：以天津海河广场桥水下桥墩爆破拆除为例，分析了水下钻孔爆破的水击波形成特征，并通过爆破区的水中冲击波压力监测，实测了不同距离处的水击波压力大小和变化规律，研究了浅水区水中冲击波压力幅值、正压作用时间等作用特性，得到了海河浅水区水击波传播衰减公式。研究成果对指导工程设计施工和环境安全评估具有指导意义。
1 引 言
近年来随着沿海城市建设的发展，众多原有的水上水下建筑物、公路桥梁等需要拆除，以满足城市经济、交通、航运的需要。但位于水下部分若采用机械拆除则成本高、难度大、工期长，往往需要采用爆破法来拆除。因此，安全地实施水下爆破以达到工程建设要求，除严格控制爆破振动、飞石外，还需降低爆炸瞬间的水中冲击波、飞溅水柱等对周围建筑结构和环境的影响，以维持城市工业、商贸、交通的正常运行。
本文以天津市海河广场桥两座水下桥墩爆破拆除为例，通过爆破近区的水中冲击波压力监测，分析了水中冲击波的压力传播特性和对周围环境的影响。
2 水下钻孔爆破水击波特性
水下钻孔爆破多用于水下开挖、拆除等工程，其爆破特点为在岩石钻孔后装药，爆炸时部分能量从孔口洩放至水体，水中冲击波强度视水深条件及孔口填塞情况而差异较大﹝1﹞。一般来说，水下钻孔爆破产生的水中冲击波主要由三部分组成：①炸药爆炸应力波沿爆破体的破裂抵抗线作用于水体，产生水中冲击波；②爆破产物的高速膨胀，引起水体的运动形成水击波；③爆炸应力波的衰减引起的地震波的透射和水面反射等形成的水体的波动。总之，水下钻孔爆破时，其形成水击波能量的大小与爆破药量、岩体完整性、钻孔深度、钻孔填塞长度、水深等因素有关。
目前，关于水中冲击波的特性描述，一般用波阵面最大压力pm、比冲量I+、水流能量密度ε等水中冲击波的特征参数来度量。在水下工程爆破安全控制中，一般以水中冲击波的峰值压力作用安全控制指标，并采用经验公式﹝2﹞计算：
pm =k·(Q1/3/R)a (1)
式中：pm为水中冲击波的峰值压力，105Pa；Q为水下爆破最大单响药量，kg；R为爆源至测点距离，m；k、a值与爆源性质和炸药品种有关。
3 水下桥墩爆破水击波分析
3.1 爆破施工参数
待拆桥墩长约16.5m、宽5.5m、高2m，为钢筋混凝土结构。桥墩顶部位于水下2m处，施工采用ф89mm地质钻钻孔，炸药使用岩石乳化炸药，药卷规格ф70mm×1.2kg，孔网参数为1.2m×0.7m，孔深1.75～3.75m，梅花型布孔，2座桥墩共布置14排约180个炮孔。采用连续装药结构，每孔装药量3.3～6.Okg，总装药量为1544kg，最大单响药量不超过9.Okg，炸药单耗1.3kg／m3。起爆网路采用孔内半秒延时非电雷管、孔外毫秒延时非电雷管的起爆方式。
3.2 水击波监测
根据爆破区环境条件和水深情况，在南桥墩不同距离处布置了3个水击波测点，传感器位于水面下3.5～2.0m处。爆破时对水击波压力进行了监测，具体监测结果见表1，实测波形见图1，爆破瞬间场景（略）
3.3 水击波压力特性分析
(1)待拆桥墩顶部位于水下2m处，爆破深度1.75～3.75m，海河河水深度2.2～5.Om，宽度100m。从爆破监测数据分析，在爆源附近爆炸瞬间产生的水击波压力幅值较大，但随距离增加呈迅速衰减的规律。在爆源0.5m处，瞬间压力远大于仪器设定的最大值；在爆源3m处，实测水击波压力3.266MPa；距爆源10.Om处，实测水击波压力0.52MPa，压力幅值下降较快。同时，从波形分析，在河道中心处(测点2)实测到了两个压力波峰，这与两个桥墩半秒时差爆破有关；而在岸边附近(测点3)受到较多的反射干扰影响，压力波形叠加，只有一个波峰出现。
(2)从爆破瞬间看出，在爆炸瞬间应力波迅速逸出，水柱垂直飞溅，不存在水中气泡的二次脉动作用，表现为其水击波随距离衰减较快，对岸边建筑物影响较小。这与深水区水中爆炸有明显的区别。
(3)根据工程中常用的库尔公式﹝2﹞：
Pm=533·(Q1/3／R)1.13 (2)
在该次爆破条件下，距爆源3m处水击波压力为35.2MPa，10m处为9.04MPa，而实测水下钻孔爆破产生的水击波压力是其1／10～1／17，这表明由于爆破作用方式、水深传播条件的差异，水下钻孔爆破的水击波压力与理论计算明显不同。该次爆破炮孔上部水体高度与炮孔填塞高度相当，爆炸后近区实测压力为爆炸产物冲击压力和水击波压力的综合值，因此爆源附近实测压力幅值较大，但随距离增加迅速衰减。
(4)实测在距离爆源3～10m处水击波正压作用时间t+均在50ms左右，而根据水中爆炸冲击波正压作用时间计算公式﹝2﹞： 
最大单响药量9.0kg的药包在水中爆炸时，冲击波正压作用时间仅为25～46μs，远小于实测的毫秒级。因此，浅水区水下钻孔爆破与水中爆炸相比，正压上升沿作用长，但幅值衰减快、作用范围小。
根据水下钻孔爆破水击波压力衰减规律研究和工程经验总结，该次水下爆破的水中冲击波压力衰减公式估算为：
△p=45.0(Q1/3/R)1.33 (4)
4 结 语
天津海河广场桥水下桥墩爆破拆除，因其位于城市交通重要地段、该处海河宽度窄、水深浅，对爆破安全效应控制要求较为严格。为控制水中爆破冲击波对周围环境的影响，深入分析水下钻孔爆破的水击波特性，在工程爆破时实施了水击波压力监测，并根据监测结果，与理论水中爆破相比较，从压力幅值、正压作用时间、二次脉冲及爆炸现象等方面做了较深入分析，并提出了水下钻孔爆破的水击波压力计算公式。研究成果对完善水下爆破理论，指导工程设计施工和环境安全评估具有参考价值。