水下鉆孔爆破的爆炸沖擊波測試與分析

柯松林，李琳娜，司劍峰，鐘冬望

（1.中鐵港航工程局集團有限公司，廣州510800；2.武漢科技大學理學院，武漢430065）

1 前言

隨著我國近幾年對外經(jīng)濟貿(mào)易的快速發(fā)展，許多巨輪深水碼頭不斷投入建設(shè)，致使水下鉆孔爆破工程規(guī)模越來越大，港池越炸越深，爆破區(qū)離岸越來越遠，對爆破設(shè)計、施工及安全不斷提出新的要求。水下爆破存在水擊波的危害作用，水擊波在水體中傳播具有沖量大、衰減慢的特點[1，2]，會對水中建筑物及船舶和水下作業(yè)人員的安全形成較大的威脅。它是水下工程爆破的一種主要危害，工程實踐中必須引起足夠重視，其產(chǎn)生機理、傳播規(guī)律、動力響應(yīng)、安全標準、對周圍環(huán)境的影響和控制措施急需認真研究[3]。

本文以廈門港古雷航道二期疏浚項目水下炸礁為例，采用美國PCB公司ICP水下沖擊波測量長型傳感器對水下爆炸沖擊波進行數(shù)據(jù)采集試驗，對沖擊波波形及峰值壓力進行分析研究，得到水下爆炸沖擊波傳播特性相關(guān)規(guī)律。為進一步研究深水下爆炸沖擊波的產(chǎn)生和傳播特性以及水下結(jié)構(gòu)物在爆炸荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)積累了經(jīng)驗。

2 工程概況

廈門港古雷航道二期工程是在現(xiàn)有古雷10萬噸級航道的基礎(chǔ)上進行擴建的工程。施工區(qū)域為航道，炸礁施工區(qū)總長約3.5 km，工程量4.959×105m3，施工范圍較大，施工區(qū)域距離岸邊建筑物平均距離在1 km以上，岸邊建筑物多為混凝土結(jié)構(gòu)。航道附近已投產(chǎn)使用的碼頭有：南-1#泊位、一德碼頭、力通碼頭，在建碼頭有南2#泊位、南9#泊位、南11#泊位和南10#泊位。由于爆破中心距附近建筑和水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的距離較近，施工區(qū)域又為正運行的主航道，且爆破裝藥量較大，為確保安全，需對水下爆炸沖擊波監(jiān)測，得到水下爆炸沖擊波傳播特性相關(guān)規(guī)律，為水下爆破施工提供依據(jù)[4，5]。

炸礁區(qū)平均水深18m，平均高潮位3.28m，平均低潮位0.99m，平均潮差3.96m，實測最大漲潮流速0.92m/s，實測最大落潮流速1.1m/s。巖石以強風化花崗巖為主（占72%），其余的為中風化花崗巖（占19%）及微風化花崗巖（占9%），巖石試驗強度分別為12～23MPa，30～60MPa，60～100MPa，礁石巖性為8～9級和12級以上，堅固性較大。

本工程炸礁采用水下鉆孔爆破施工方法，邊鉆孔邊裝藥，達到一定數(shù)量的炮孔數(shù)后一次起爆，再重新定位鉆孔；工程鉆孔作業(yè)平臺采用800 t平臺式及飄浮式鉆爆施工船舶。鉆孔直徑?120mm，孔深3～14m，平均超深2.0m，垂直鉆孔，孔距2.5m，排距2.0～2.5m，堵塞長度1～1.5m。炸藥選用ZY95-5型震源藥柱，雷管選用高精度防水抗壓非電毫秒雷管，導爆管為雙層抗拉高強塑料管制成，抗拉力強，能夠抵抗一般水流沖擊作用。每孔分別于底部和中部布置2～4個雷管，全部炮孔裝藥完畢后聯(lián)線、移船、警戒、起爆，每次爆破2～3排。

3 試驗研究

3.1 測試系統(tǒng)

爆破沖擊波信號具有時間短，能量大的特點[6]，因此測量系統(tǒng)要有很好的動態(tài)響應(yīng)。另外，該信號是非周期脈沖信號，具有低至零，高至無窮大的連續(xù)頻譜。因此，測量系統(tǒng)要有很寬的頻率響應(yīng)。

試驗所采用的水下沖擊波測量長型傳感器，對容積變化敏感的電氣石晶體，內(nèi)置集成電路放大器。具有無諧振、高電壓輸出、可驅(qū)動長電纜等特點。所能承受靜壓范圍為：Pmax≤345MPa。測試系統(tǒng)主要由壓力傳感器、信號變換及放大電路、記錄器等組成。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)為成都佳儀科技發(fā)展有限公司的PCI4712數(shù)據(jù)采集和分析系列產(chǎn)品。配套分析軟件具有實時測量、回放分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。為保證足夠的安全距離，試驗中通過特殊延長線連接傳感器與記錄儀。通道編號及傳感器技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 通道編號及傳感器參數(shù)Table1 Channel numbers and sensor parameters

根據(jù)爆破區(qū)環(huán)境條件和水深情況，在鉆爆船上布置了水擊波測點，試驗方案布置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測方案示意圖Fig.1 Monitoring solution schemes

3.2 試驗

此次爆破沖擊波測試歷時23天，共測得有效數(shù)據(jù)60組，大致分為兩組：a.控制爆心距，改變監(jiān)測深度進行沖擊波的測量；b.控制測深，改變爆心距進行沖擊波的測量。單段藥量110～585 kg；一次總藥量最高達4.71 t。實測數(shù)據(jù)見表2。對水下鉆孔爆破多段延時起爆產(chǎn)生的沖擊波進行測試，典型波形圖見圖2，單段沖擊波典型波形如圖3所示，典型功率譜圖見圖4。

表2 距海底10m處距爆源不同距離的沖擊波壓力峰值Table2 Peak pressure of shock wave at 10m above the sea bottom

3.3 結(jié)果分析

1）如圖3所示，沖擊波波形上升迅速，正壓作用時間較短僅為零點幾毫秒，峰值出現(xiàn)后沖擊波壓力迅速衰減。波峰后面水中沖擊波波形具有“白噪聲”的特性，其強度不大且為變向壓力。

2）從圖4功率譜圖中可以看出，鉆孔爆破沖擊波的頻段在20～180Hz。

圖2 鉆孔爆破多段裝藥沖擊波測試時程圖Fig.2 Test schedule chart of shock wave form ultist age loading drilling blasting

圖3 鉆孔爆破沖擊波時程圖Fig.3 Tests chedule chart of shock wave for drilling blasting

圖4 鉆孔爆破沖擊波功率譜全圖Fig.4 Power spectrum map of shock wave for drilling blasting

3）水中沖擊波壓力隨時間變化的關(guān)系[7]：，式中，Pm為水中沖擊波初始峰值，Pa；θ為衰減時間常數(shù)，即由Pm衰減到Pme所需的時間，s。提取沖擊波典型壓力時程進行水平軸放大并進行指數(shù)擬合得到圖5，得出沖擊波指數(shù)衰減規(guī)律為：

圖5 水下鉆孔爆破沖擊波指數(shù)衰減規(guī)律Fig.5 Exponential decay law of single shock wave for drilling blasting

4）裝藥在水域中爆炸的峰值壓力計算，大多采用Cole P的經(jīng)典峰值壓力公式形式：

式（2）中，量單位為105Pa；Q為裝藥量；R為距爆心的距離；K、α為和炸藥及環(huán)境條件相關(guān)的系數(shù)。通過對表2中數(shù)據(jù)進行擬合，得到水下鉆孔爆破時所產(chǎn)生水中沖擊波峰值壓力的半理論半經(jīng)驗公式：

監(jiān)測結(jié)果表明，沖擊波上升迅速，正壓作用時間較短僅為零點幾毫秒，峰值出現(xiàn)后沖擊波壓力迅速呈指數(shù)形式衰減。

圖6 水下爆破沖擊波峰值壓力隨R的變化Fig.6 The peak pressureat tenuation of underwater exp losion wave withR

4 結(jié)語

廈門港古雷航道二期工程海況差，地形、地質(zhì)條件復雜，工程量大而且集中，加上海上來往船舶較多，施工干擾大，施工對爆破安全要求高。如何高效、安全、快速完成炸礁任務(wù)，是工程施工的重點和難點。為控制水中鉆孔爆破沖擊波對周圍環(huán)境的影響，深入分析了水下鉆孔爆破的水擊波特性，在爆破區(qū)實施了水擊波壓力監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，從壓力幅值、正壓作用時間等方面進行了分析，得出了水下鉆孔爆破的水擊波計算公式。研究成果對我國迅速發(fā)展的漫長海岸線上的水工工程具有參考意義。

[1] 陸遐齡，梁向前，胡光川.水中爆炸的理論研究與實踐[J].爆破，2006，23(2)：9-14.

[2] 王玉杰，陶 明.水下鉆孔爆破水擊波衰減規(guī)律的研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[3] 孫遠征，龍 源，邵魯中，等.水下鉆孔爆破水中沖擊波試驗研究[J].工程爆破，2007(12)：15-19.

[4] 高明濤，李 昕，周 晶.水下鉆孔爆破水中沖擊波的數(shù)值模擬研究[J].水電能源科學，2009，27(4)：138-142.

[5] 邵魯中，龍 源，孫遠征，等.水深因素對水下鉆孔爆破沖擊波壓力峰值的影響[J].爆破器材，2008，37(3)：4-6.

[6] 張振華，朱 錫，白雪飛.水下爆炸沖擊波的數(shù)值模擬研究[J].爆炸與沖擊，2004，24(2)：182-188.

[7] 鐘 帥，張 立.深水下8號雷管爆炸沖擊波參數(shù)的研究[J].煤礦爆破，2007(1)：4-6.