海底隧道控制爆破施工對(duì)白海豚的影響分析

黃靈強(qiáng)

(廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，廈門 361009)

0 引言

海底隧道爆破開挖時(shí)，炸藥爆炸一般會(huì)產(chǎn)生較大的能量，一部分能量用于破碎巖石，另一部分能量將產(chǎn)生地震波，并通過地層傳入水中，形成水擊波，產(chǎn)生沖擊壓力，可能對(duì)海洋生物造成不利影響。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這類沖擊壓力達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)對(duì)水中的魚類產(chǎn)生影響，輕則受到驚嚇，造成煩躁、恐慌、休克，重則可能導(dǎo)致魚類受傷、甚至死亡，尤其是魚類受到驚嚇后會(huì)遠(yuǎn)離爆破區(qū)，對(duì)漁業(yè)資源和生態(tài)平衡造成不利影響。文獻(xiàn)［1-4］對(duì)水下爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、水下控制爆破措施等方面進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［5-6］對(duì)水下爆破的危害及影響控制進(jìn)行了一定的總結(jié);文獻(xiàn)［7］對(duì)水下爆破的聲壓測(cè)量及其對(duì)海洋生物的影響進(jìn)行了部分闡述。近年來，關(guān)于水下爆破對(duì)環(huán)境、海洋生物影響的研究成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，但針對(duì)海底隧道爆破施工對(duì)白海豚的影響分析還比較少見。本文以廈門翔安海底隧道工程為依托，分析海底隧道爆破施工對(duì)白海豚的影響，以期為今后類似海洋工程爆破的施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

廈門翔安海底隧道位于廈門島東部，連接島內(nèi)五通和對(duì)岸翔安大陸架，是我國(guó)大陸第1座采用鉆爆法修建的大斷面海底隧道。隧道全長(zhǎng)6.05 km，跨越海寬約4.2 km，設(shè)計(jì)為三孔隧道，兩側(cè)為行車隧道，中間為服務(wù)隧道，洞間凈距為22 m。行車隧道為3車道，毛洞開挖斷面寬17.04 m，高12.56 m;建筑限界凈寬13.5 m，凈高5 m。服務(wù)隧道毛洞開挖斷面寬7.92 m，高7.39 m;建筑限界凈寬5.5 m，凈高6.5 m。隧道最大縱坡為3%，最深處位于海平面下70 m，海域最大水深30 m，隧道上覆土層約40 m。工程縱斷面如圖1所示。

圖1 廈門海底隧道縱斷面圖Fig.1 Longitudinal profile of Xiang’an subsea tunnel in Xiameng

2 硬巖段控制爆破設(shè)計(jì)與實(shí)施效果

2.1 控制爆破設(shè)計(jì)

本隧道Ⅰ級(jí)圍巖均按光面爆破進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用2號(hào)巖石乳化炸藥，楔形掏槽炮孔內(nèi)連續(xù)裝藥，周邊眼內(nèi)利用竹片間隔裝藥，采用塑料導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)有關(guān)爆破理論和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，初步確定其主要爆破參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 光面爆破主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of main parameters of smooth blasting

在表1爆破參數(shù)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合廈門海域其他工程爆破經(jīng)驗(yàn)、本工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果和水下沖擊波監(jiān)測(cè)結(jié)果分析等，按弱爆破的控制原則，適當(dāng)增加炮眼數(shù)量，嚴(yán)格控制單位耗藥量，縮短爆破進(jìn)尺，對(duì)控制爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化，得到全斷面開挖炮孔布置圖(見圖2)及相應(yīng)裝藥參數(shù)(見表2)。隧道現(xiàn)場(chǎng)施工采用多功能臺(tái)架結(jié)合人工手持風(fēng)鉆進(jìn)行鉆爆施工。

圖2 主洞全斷面爆破炮孔布置示意圖(單位:cm)Fig.2 Layout of blasting holes of full-face blasting of main tunnel(cm)

2.2 控制爆破實(shí)施效果

全斷面爆破方案試驗(yàn)里程為ZK8+000～+105，該段隧道除仰拱外，開挖斷面面積為126 m。現(xiàn)場(chǎng)爆破效果表明:30個(gè)循環(huán)的平均循環(huán)進(jìn)尺為3.3 m，炮眼利用率為92%，半邊炮痕保存率為86%，線性超挖控制在15 cm以內(nèi)，單位體積巖石耗藥量為1.45 kg/m3?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果如圖3所示，表明光面爆破總體達(dá)到了預(yù)期效果。

表2 主洞全斷面裝藥參數(shù)表Table 2 Charging parameters of full-face blasting of main tunnel

圖3 光面爆破實(shí)施效果Fig.3 Effect of smooth blasting

3 爆破對(duì)白海豚影響計(jì)算分析

一般認(rèn)為，水下爆破時(shí)產(chǎn)生的過高壓和超低壓交替作用所引發(fā)的震動(dòng)，是導(dǎo)致中華白海豚等海洋生物死亡的主要因素。海底隧道爆破對(duì)白海豚的影響，主要是由于爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波由巖石傳入水中，作用在白海豚身上，產(chǎn)生超壓，對(duì)白海豚造成影響甚至傷害。因此，通過分析爆炸應(yīng)力波在巖體和海水中的傳播效應(yīng)，判斷隧道爆破對(duì)白海豚的影響，并由此計(jì)算爆破安全距離。

3.1 海床爆破震動(dòng)速度分析

前蘇聯(lián)學(xué)者薩道夫斯基提出爆破震動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式

式中:v為地震安全速度，cm/s;k為與地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù);Q為單段最大起破藥量，kg;R為距爆源距離，m;α為爆破衰減系數(shù)。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)Ⅰ級(jí)圍巖段多個(gè)循環(huán)爆破震動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到k=196.3，α=1.94。

根據(jù)表2中單段最大起爆藥量71.4 kg，可以計(jì)算出距離爆源46 m處海床質(zhì)點(diǎn)最大震動(dòng)速度

由于表2中1，3，4段雷管起爆時(shí)差間隔相對(duì)較小，考慮最不利因素，1，3，4段爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波峰值發(fā)生疊加時(shí)，單段最大藥量可采用3個(gè)段別起爆的合計(jì)藥量132 kg，此時(shí)可以計(jì)算出距爆源46 m處海床質(zhì)點(diǎn)最大震動(dòng)速度

故最不利條件下的海床質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度為2.74 cm/s。

3.2 由巖石傳入海水中的應(yīng)力波強(qiáng)度計(jì)算

在應(yīng)力波的傳播過程中，傳播方向上的應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)速度和波速之間的關(guān)系為

式中:σ為縱波壓應(yīng)力，Pa;ρ為介質(zhì)密度，kg/m3;cp為縱波速度，m/s;vp為質(zhì)點(diǎn)在p方向的運(yùn)動(dòng)速度，即震動(dòng)速度，m/s。

應(yīng)力波由一種介質(zhì)1向另外一種介質(zhì)2傳播過程中，將發(fā)生反射和折射。當(dāng)應(yīng)力波垂直入射時(shí)，波的反射部分和折射部分的應(yīng)力大小可以由2個(gè)不同的邊界連續(xù)條件來確定，即界面兩側(cè)的應(yīng)力必須相等且界面兩側(cè)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度必須相等。據(jù)此，可推導(dǎo)出透射波壓應(yīng)力σt和入射波壓應(yīng)力σi的關(guān)系式為

式中各參數(shù)含義及單位同式(2)。

根據(jù)式(2)、式(3)以及3.1分析所得海床爆破震動(dòng)速度，可計(jì)算出當(dāng)應(yīng)力波從Ⅰ級(jí)硬巖垂直入射進(jìn)入水中時(shí)的透射波縱波強(qiáng)度。水中透射波縱波強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 水中透射波縱波強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of longitudinal wave intensity in water

3.3 超壓范圍內(nèi)安全距離估算

參考某水下洞室爆破引起水下沖擊波的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，裝藥量與距離及峰值壓力之間的關(guān)系式［9］為

式中:Q為裝藥量，kg;R為距離，m;pc為沖擊波壓力峰值，kPa。

海底隧道爆破引起水下沖擊波強(qiáng)度可利用式(4)進(jìn)行估算。不同魚類對(duì)沖擊波的敏感程度不同，許多學(xué)者采用水下沖擊波最大壓力作為其對(duì)魚類損害的臨界參數(shù)，一般取魚類的超壓峰值為0.2 MPa［10］。由于無法對(duì)中華白海豚直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，目前對(duì)中華白海豚爆破超壓耐受力的研究還十分有限，故參考魚類安全超壓0.2 MPa，利用式(4)進(jìn)行安全距離估算，結(jié)果如表4所示。

表4 安全距離估算(0.2 MPa超壓)Table 4 Calculation of safe distance(0.2 MPa over pressure)

按最不利的單段最大藥量132 kg考慮，安全系數(shù)取1.4，則隧道硬巖段爆破時(shí)，應(yīng)把白海豚驅(qū)趕到距離爆源水平距離206 m以外的海域。

4 水下沖擊波現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

對(duì)隧道爆破引起的水下噪聲進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，是評(píng)價(jià)海底隧道爆破對(duì)白海豚的影響最直接的手段。翔安隧道結(jié)合爆破施工進(jìn)行多階段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，其中2008年5—10月針對(duì)上述海底隧道控制爆破方案產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行了6次海上現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。每次監(jiān)測(cè)安排1～3艘監(jiān)測(cè)船，在爆源上方及200～1 000 m距離處監(jiān)測(cè)，水聽器離水面一般深2，5，10 m。水中噪聲監(jiān)測(cè)示意如圖4所示。

圖4 水中噪聲監(jiān)測(cè)示意圖(單位:m)Fig.4 Monitoring of noise in water(m)

現(xiàn)場(chǎng)主要采用水聽器對(duì)隧道爆破引起的水下沖擊波聲壓峰值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果分析如下。

1)海底爆破水域正上方所測(cè)到的水下沖擊波聲壓峰值強(qiáng)度總體較小，主要集中在5 kPa左右，最大值為15.6 kPa(如圖5所示)，對(duì)應(yīng)的峰值聲壓級(jí)為203.9 dB，小于表3估算所得爆破最大應(yīng)力波強(qiáng)度(49 kPa)，這與地層的不均勻性和空隙有關(guān)。波在傳播過程中衰減較多，特別是海床表層淤泥和松軟的沉積層對(duì)地震波有較好的吸收和衰減作用，同時(shí)也可以說明估算結(jié)果偏安全。

2)從水深的垂直方向分布上看，距離海底越近，應(yīng)力波強(qiáng)度越大，但現(xiàn)場(chǎng)水深不足20 m，垂直方向衰減不大。從水平方向上看，隨著與爆源水平距離的增大，應(yīng)力波強(qiáng)度衰減較大，在200 m后測(cè)到的聲壓峰值衰減為2.0 kPa以內(nèi)，聲壓級(jí)減小到189 dB以內(nèi);隨著與爆源距離的繼續(xù)增大，聲壓峰值和聲壓級(jí)減小不太明顯。爆破聲壓峰值隨距離的變化關(guān)系如圖6所示。

3)參考潛水員在水下爆破時(shí)的最低聲壓閾值30～100 kPa(相當(dāng)于聲壓級(jí)209.5～220 dB)要求，參照J(rèn)ohn A.Lewis同等藥量水下爆破對(duì)人類的安全距離要求比對(duì)海豚更遠(yuǎn)的研究結(jié)果，參考寬吻海豚的聲源級(jí)可以達(dá)到220 dB(甚至229 dB)，在翔安隧道施工所實(shí)施的爆破藥量下，爆破所產(chǎn)生的水下沖擊波強(qiáng)度除了對(duì)爆點(diǎn)正上方海域活動(dòng)的中華白海豚會(huì)有某些行為活動(dòng)影響外，在以爆源為中心的200 m以外的海域(聲壓峰值不超過2 kPa，峰值聲壓級(jí)為189 dB)，不會(huì)對(duì)該海域的中華白海豚活動(dòng)產(chǎn)生明顯影響。

4)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)隧道附近海域白海豚活動(dòng)有明顯異常。

5)綜合理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，取200 m為廈門翔安海底隧道控制爆破時(shí)白海豚保護(hù)安全距離。

5 結(jié)論與建議

1)為保護(hù)海洋生物，應(yīng)采用控制爆破技術(shù)，嚴(yán)格進(jìn)行爆破方案設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，通過合理選擇開挖斷面、循環(huán)進(jìn)尺、炸藥型號(hào)和掏槽方式，采用在周邊多打不裝藥的空孔、減少爆破循環(huán)進(jìn)尺、預(yù)留光爆層等方法，采用微差爆破和不耦合裝藥等技術(shù)，嚴(yán)格控制總裝藥量和單段最大起爆藥量，盡量減少爆破震動(dòng)和應(yīng)力波峰值，從而降低對(duì)海洋生物的不利影響。

2)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)均表明，距爆源中心點(diǎn)200 m以外的聲壓峰值和聲壓級(jí)均較小，且隨著距離繼續(xù)增大，聲壓峰值和聲壓級(jí)減小已不明顯，故將200 m作為此控制爆破下保護(hù)白海豚的安全距離。

3)為減小爆破對(duì)白海豚的危害，建議采取適當(dāng)環(huán)?？刂拼胧捎每刂票拼胧?、加強(qiáng)施工海域觀察，必要時(shí)，采取漁船、聲波或電磁波驅(qū)趕法將其驅(qū)趕至安全距離之外。

4)由于條件所限，本文沒有對(duì)施工前后白海豚種群的數(shù)量和生理狀況變化進(jìn)行調(diào)查和對(duì)比分析。今后在有條件的情況下，建議在其他類似海底隧道開展更多現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和調(diào)查研究工作，以獲取更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來揭示和分析水下隧道爆破對(duì)白海豚的影響規(guī)律，使研究成果更具普遍性，從而更好地保護(hù)極其珍貴的白海豚資源。

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