管道工程在河流穿越施工中水下爆破成溝的應(yīng)用

沙文忠 於慶豐 施德海

（1.中國石化管道儲運公司濰坊輸油處；2.中國石化管道儲運公司質(zhì)監(jiān)督站）

水下爆破與陸地爆破相比，由于其受到水流速度、潮汐、涌浪、水深的影響鉆孔爆破施工難度大，工藝復(fù)雜，爆破材料的選用、工藝要求較高。在管道穿越九州江施工中采用水下鉆孔爆破工藝技術(shù)，即，采用鉆爆船設(shè)置作業(yè)平臺，用全站儀對船定位，船首、尾方向與管槽軸線方向平行布設(shè)，利用鉆具穿越水層對水下巖石進(jìn)行鉆孔爆破，確保水下爆破成溝符合設(shè)計要求。

1 水下爆破參數(shù)分析

首先，采用先進(jìn)的水下攝影技術(shù)，在水下管槽位置，用水下攝影機(jī)將水下地形、地貌了解清楚；其次，根據(jù)水下具體情況及時確定鉆孔數(shù)和爆破參數(shù)，對需要開挖的地下管帶位置采用裸露爆破或鉆孔爆破方式進(jìn)行，明確鉆孔爆破的工藝參數(shù)。在實際施工過程中，采取“三管兩鉆法”進(jìn)行具體實施，即在船舶定好位后，先下導(dǎo)向管；其次放下套管；再根據(jù)巖石表面情況，如果比較破碎，則先對套管進(jìn)行合金鉆進(jìn)；合金鉆進(jìn)至完整基巖后，提起鉆具；下鉆桿采用帶有沖擊負(fù)荷的回轉(zhuǎn)鉆，該鉆機(jī)具有在鉆進(jìn)時可以提高鉆速，又因在鉆進(jìn)中所需的軸向壓力較小，轉(zhuǎn)速較低，所以鉆孔不易彎曲，孔內(nèi)事故也較少，原材料的消耗低；所謂沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，即，采用潛孔錘和球齒釬頭在水下孔內(nèi)對巖石進(jìn)行沖擊破碎，同時進(jìn)行回轉(zhuǎn)，利用高壓空氣將所鑿碎的巖粉從孔內(nèi)沿雙套管吹出孔外。雙套管可防止覆蓋物及鉆孔巖粉回填至孔內(nèi)，同時，較單套管更能適應(yīng)水位變化的方式鉆至設(shè)計底標(biāo)高。最后采用挖泥船將爆破后巖石清運至指定位置，見圖1。

爆破參數(shù)的確定主要根據(jù)JTS 204—2008《水運工程爆破技術(shù)規(guī)范》確定，主要包括鉆孔孔距和排距，鉆孔直徑和超深。相關(guān)參數(shù)與炸礁區(qū)巖土分類、挖泥船清渣能力等因素密切相關(guān)。

一是，孔網(wǎng)參數(shù)的設(shè)置?？拙?.0m，排距2.0m，船位距2m，超深1.5m。

圖1 鉆機(jī)鉆孔示意

二是，裝藥量的選定。為保證爆破效果，單個炮孔的裝藥量計算為：

式（1）中：Q——炮孔裝藥量，kg；q——炸藥單耗，kg/m3，按經(jīng)驗10m以內(nèi)水深取1.5kg/m3，水深及巖層較厚時適當(dāng)加大；a——孔距，m；b——排距，m；H——設(shè)計開挖巖層厚度（包括計算超深值），m；f(n)——爆破作用指數(shù)的函數(shù)，取f(n)=1。

不同設(shè)計開挖巖層厚度的炮孔裝藥量見表1。

表1 不同設(shè)計開挖巖層厚度的炮孔裝藥量

實際操作中，按炮孔實際長度，上余留1m不裝藥，其他部分全部裝藥。炮孔裝藥量少于6筒時裝一個起爆體，裝在炸藥長度下部約1/3處；裝6筒以上時，裝兩個起爆體，各裝在炸藥長度的1/3和2/3位置。

1.1 炮孔布置

該次施工鉆爆船鉆孔平臺安裝了兩臺固定式鉆機(jī)，每鉆一排共2個孔，鉆孔直徑90mm，在管溝的橫斷面上布置三排孔，中間排在第25ms時起爆，第一個邊排在75ms時起爆，第二個邊排在150ms時起爆。一個爆破斷面即一個船位鉆3排，共6個孔。

1.2 裝藥及堵塞

為防止泥沙和石渣淤孔，鉆孔完成后應(yīng)立即裝藥。裝藥前，先檢查孔壁的質(zhì)量和孔深。再根據(jù)孔深確定采用起爆體的個數(shù)。當(dāng)孔深H小于4m時，使用1個起爆體起爆，孔深H為4～8m時使用2個起爆體起爆。炸藥裝至離孔口約1m，留1m作為堵塞。

裝藥時采用裝藥桿將炸藥推送至孔內(nèi)，確認(rèn)炸藥裝填到位后采用碎石進(jìn)行炮孔堵塞，并保證堵塞長度不小于0.5m，不大于1.0m。

1.3 爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與操作

采用排間微差起爆方式，中間一排先起爆，兩側(cè)次之。微差的順序是：1、3、5。由于在水中爆破時，瞎炮率比較大。為避免產(chǎn)生瞎炮，每個炮孔應(yīng)采用兩點起爆。在炮孔的下部、上部各設(shè)1個起爆點，每個起爆點放2枚雷管。孔內(nèi)并聯(lián)，孔外串聯(lián)。非電雷管共分MSl、MS3、MS5、MS7、MS9段。

連線可在鉆孔船上進(jìn)行。每一排的孔尾線分別綁扎在一竹竿上。要注意炮孔的次序與尾線綁扎次序相一致，以免網(wǎng)路連接出錯。網(wǎng)路由最后一個接力組的連接雷管的尾線引至岸邊，起爆電雷管在警戒完畢后才連接上網(wǎng)路。

2 水下爆破在九州江穿越中應(yīng)用

2.1 穿越工程概況

在湛江港—廉江原油管道工程中，九州江穿越是關(guān)鍵控制點，其穿越成敗直接關(guān)系到該工程是否能夠順利投產(chǎn)。由于九州江常年水流量較大，穿越管道埋深較深，管溝成形困難，穿越的790m中295m為屬于石灰?guī)r層的水下礁石，勘察揭露水下地形復(fù)雜，水下地形犬牙狀交錯，水下石筍星羅棋布，地形高差起伏大；水中礁石此起彼伏，突變位置多，石灰?guī)r的裂隙十分發(fā)育，強(qiáng)度較高，基巖深度為11.6m，采用正常定向鉆、大開挖均無法滿足要求，經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)論證采用水下爆破成溝的方式進(jìn)行。

2.2 主要施工難點

一是，河水面施工期間寬約220m，水深約5m，水流量較大。穿越段下有石灰?guī)r需要進(jìn)行水下爆破作業(yè)。管道穿越重點是保證管道埋深及管道防腐層不受破壞。

二是，地下水豐富，管道埋深較深，管溝成形困難。土質(zhì)主要以砂層、卵石土、石灰?guī)r為主，卵石層滲水系數(shù)高，河灘地段施工時需24小時進(jìn)行抽排水工作，同時，石灰?guī)r強(qiáng)度較高需要進(jìn)行爆破作業(yè)。

三是，施工現(xiàn)場河岸兩側(cè)無直接通達(dá)道路，需另行修筑施工便道；進(jìn)場道路路面狹窄，承載力低，施工材料、設(shè)備進(jìn)場困難，為滿足施工需求，需進(jìn)行拓寬加固處理。

2.3 主要施工方法和要求

施工前，首先必須向航道、海事、公安部門申報水下爆破審批手續(xù)，待各部門批復(fù)后方可開工。水下爆破施工流程：鉆孔船（鉆機(jī)）定位；下套管；沖擊、套管跟進(jìn)、鉆進(jìn)；核定孔深；裝藥筒；拔出套管；鉆孔船移至安全區(qū)；連接爆破網(wǎng)路；起爆；清碴檢查。

測量控制：用全站儀、導(dǎo)標(biāo)直角坐標(biāo)系控制爆破范圍。

基槽開挖方法：采用錨孔爆破方法破碎基巖，抓斗或長臂挖機(jī)取渣，汽車運至指定地點傾倒。

鉆孔布置：鉆孔根據(jù)河床地形布置。為使開挖周邊根線輪廓平整，便于鋼圍堰準(zhǔn)確就位，周邊線鉆孔間距取值較小、較密，中部巖體爆破則取較大值。

根據(jù)設(shè)計圖紙資料、工期要求、現(xiàn)場踏勘情況，對九州江穿越采用如下施工方式：穿越共分A、B、C 3段進(jìn)行，A段為主河道水下開挖、爆破管溝、漂浮沉管方式穿越，然后進(jìn)行B段（河岸西側(cè)）河灘地段及與A段連接施工，C段（河岸東側(cè)）河堤處及與A段的連接施工，最后進(jìn)行清管、試壓、水工保護(hù)、地貌恢復(fù)等工作。

2.4 現(xiàn)場施工措施

一是，根據(jù)施工要求進(jìn)行作業(yè)區(qū)的平整，四周用壓型鋼板圍擋設(shè)置施工圍欄。

二是，A段施工。由于九州江不通航，水下開挖及爆破施工船無法由水路進(jìn)入。因此，水下施工所需的炸藥及開挖船機(jī)均采用陸路調(diào)遣，運至現(xiàn)場后，再重新組裝下水。

三是，管溝定位及測量。根據(jù)設(shè)計圖紙在河面兩端管道中心線上各設(shè)置兩個定位觀測點，方便使用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等定位河床管溝位置、測量水位標(biāo)高等。在管道中心線上每隔30m設(shè)置一導(dǎo)向標(biāo)，以便管溝開挖時定位。管溝開挖前應(yīng)針對每點深度進(jìn)行計算，并在開挖時進(jìn)行測量，用帶標(biāo)尺的測量桿進(jìn)行深度測定。

四是，水下巖石爆破。對基層巖石采用水下鉆孔爆破，管溝溝底寬度不得小于2.7m，坡比為1∶1，管溝應(yīng)超挖0.2m。

五是，爆炸物品種類的選取。炸藥采用防水性能較好的抗水型乳化炸藥。雷管主要采用防水型非電導(dǎo)爆毫秒雷管，選取1、3、5段。炸藥和雷管在使用前必須進(jìn)行檢驗和試驗，并進(jìn)行防水處理，以確保性能和安全。

六是，炸礁船展布和定位。炸礁船首尾方向與管槽軸線方向平行，由河中間往岸邊推進(jìn)。炸礁船展布采用六纜定位法，定位時采用全站儀進(jìn)行定位。

七是，盲炮防止及處理。每次爆破后，均應(yīng)檢查是否有盲炮，如有盲炮，應(yīng)及時處理，并做好安全和警戒工作。因爆破網(wǎng)路而引起的盲炮，經(jīng)檢查和處理后，重新連線起爆；在藥包附近投放裸露藥包誘爆。

2.5 爆破有害效應(yīng)分析及控制

爆破安全主要考慮“爆破公害”對周圍環(huán)境的有害效應(yīng)。該工程中主要考慮爆破地震對周圍保護(hù)物及其他工序的影響，水中沖擊波對在場施工船舶及其他水中保護(hù)對象的影響；淺水區(qū)礁石爆破時飛石的危害。

2.5.1 爆破地震波的計算與控制

爆破安全距離的計算，根據(jù)GB 6722—2011《爆破安全規(guī)程》：

式（2）中：R——爆破點與被保護(hù)建（構(gòu)）筑物的距離，m；K——與爆破點地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，結(jié)合該工程的地質(zhì)情況，根據(jù)JTS 204—2008《水運工程爆破技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，對堅硬巖石取K=150，a=1.5；V——爆破地震安全速度，該工程中村莊取V=1cm/s；Q——一次起爆炸藥量，kg，微差起爆時取最大一段的裝藥量。

2.5.2 水中沖擊波的安全距離

根據(jù)JTS 204—2008《水運工程爆破技術(shù)規(guī)范》，工程施工中，起爆前應(yīng)將警戒范圍水域內(nèi)的船舶、人員遠(yuǎn)離施工區(qū)。根據(jù)工程的實際情況設(shè)置以爆點為中心，半徑200m為警戒圈。在爆破警戒圈邊界設(shè)置標(biāo)志，明確以施工船為中心的爆破警戒指揮系統(tǒng)，保證警戒過程中信息聯(lián)系暢通，確保爆破安全萬無一失。

施工中采取爆破一段即清碴一段的控制方法。一方面，用清碴施工檢驗爆破質(zhì)量和初定爆破參數(shù)和技術(shù)措施的合理性；另一方面，從清碴施工中及早發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，及早采取有效應(yīng)對措施，對爆破參數(shù)和技術(shù)措施進(jìn)行必要的調(diào)整修正。

該工程共計爆破500m，爆破量10 340.0m3。水下巖石爆破完成后，及時對管溝內(nèi)石方進(jìn)行清理，清理的石方用船運至岸上統(tǒng)一處理。

2.6 對周圍居民的影響

水下鉆孔施爆由于水的覆蓋，對周邊環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在所產(chǎn)生的爆破震動，對此，采用微差爆破技術(shù)，降低了單響的裝藥量，使爆破產(chǎn)生的震動很小，周圍的居民很難察覺到爆破震動。

3 結(jié)語

一是，采取加密布孔與潛水員下水探摸相結(jié)合的辦法，針對具體的地形及水下的實際情況現(xiàn)場判斷，采取有針對性的措施予以解決。如，鉆到是泥土就不用鉆爆了，并擺船看周邊是否有巖石，盡可能找到巖石鉆孔裝藥爆破，以達(dá)到施工目的。

二是，針對孤石、礁石發(fā)現(xiàn)爆破未能達(dá)到預(yù)定處理的效果，利用船來完成定位，配合潛水員下水探摸找點直接進(jìn)行裸爆處理，這樣既能夠加快工作進(jìn)度，又緩解了鉆機(jī)船吃緊的現(xiàn)狀。

三是，由潛水員用GPS及標(biāo)尺對平面位置及深度水下管溝復(fù)測，管溝中心偏移不超過500mm，管溝深度符合設(shè)計圖紙要求，地形采用水下攝影檢測驗收，完全達(dá)到設(shè)計要求。

由于精心布置施工，該工程僅50天完成了施工任務(wù)，完成了水下管道的溝槽開挖任務(wù)，最終清礁過程中檢查爆破礁塊破碎無淺點，為管道施工順利完成提供了技術(shù)保證。

[1] 楊光煦.水下工程爆破[M].北京:海洋出版社,1992:112-118,126.

[2] 王玉杰.爆破工程[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,1990:55-66,71.

[3] 史雅語,金驥良,顧毅成.工程爆破實踐[M].安徽:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2002:75-79,92.