水下鉆孔爆破減震安全技術及應用

苗春錄

【摘 要】水下鉆孔爆破是水下爆破的一種較常用和有效的施工方法。水下鉆孔是在浮在水面上的平底駁船或?qū)Ｓ玫淖鳂I(yè)平臺上進行的。水下鉆孔爆破按較早的施工方法是這樣操作的：在鉆孔之前，先要將一根下端帶有環(huán)形鉆頭的中空套管鉆過砂礫、淤泥、沙等覆蓋層，并鉆入基巖中一定深度，然后將鉆孔的鉆桿插入套管中，在基巖中進行鉆孔，一直鉆到所要求的深度。本文主要分析了水下鉆孔爆破減震安全措施與施工。

【關鍵詞】水下鉆孔爆破；減震安全措施；技術

眾所周知，水下鉆孔爆破工程，由于其施工時，現(xiàn)場水面以下間隔一水層而無法直觀巖石表面紋理、溶巖縫等構造情況和爆破效果，水域中急流、橫流、漩流的不良流態(tài)以及巖面的淤泥、沙礫的覆蓋等工況，從而導致水下鉆孔爆破開挖工程的難度更顯突出。炸藥的爆破，是一種高速的化學反應現(xiàn)象，其爆速一般民用炸藥可達3500-5000m/s，并伴隨著產(chǎn)生空氣沖擊波、水沖擊波和地震波等主要應力。這些應力對爆點附近的人畜、船舶和建筑物的安全造成威脅與破壞的可能，必須引起足夠的重視。

一、水下鉆孔爆破設計

1.主要設備的選擇。目前國內(nèi)較為先進的浚通2號炸礁船作為水下鉆孔爆破的主要設備。該船配備的鉆機采用液壓控制系統(tǒng)，自動化程度高，可選用直徑為110-133mm的鉆頭。共設6臺鉆機，可同時作業(yè)，一次性鉆爆面積達30m2，能夠滿足工程進度要求。

2.炸藥與起爆網(wǎng)路。適用于水下鉆孔爆破的炸藥通常有乳化炸藥、硝化甘油炸藥和TNT炸藥等。根據(jù)工程特點，選擇防水性能好、爆能較高、運輸使用安全系數(shù)大、價格便宜的乳化炸藥。起爆網(wǎng)路采用非電爆網(wǎng)路，雷管為防水8號銅殼毫秒延期導爆雷管，每個起爆體內(nèi)裝2發(fā)并聯(lián)的導爆雷管，整個起爆網(wǎng)路采用簇聯(lián)的方式聯(lián)接。非電雷管由電雷管引爆。起爆電流用直流電源。爆管采用特制被覆型工業(yè)用管。

二、水下鉆孔爆破減震安全措施與施工

1.套管在水下鉆孔中的作用表現(xiàn)為。第一，探測巖面標高。通過測量套管進入水中的長度，可以準確測定巖層標高，進而測定鉆孔深度，為確定裝藥長度、重量提供可靠的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。第二，保護鉆桿，防止鉆桿彎曲、折斷；第三，起到隔離作用?？變?nèi)覆蓋層和沖碎的巖碴等可以排到管外，而管外的則不能回流到孔內(nèi)，可以避免砂礫、淤泥、沙、巖碴等覆蓋層回填堵塞鉆孔，使鉆孔工作能順利進行；第四，保護導爆管，防止在起吊套管時，導爆管被回填的散、碎或塊石損傷，防止臨近已裝藥炮孔的導爆管被正在鉆孔的鉆桿纏繞而損傷，進而造成盲炮或發(fā)生安全事故。

2.減震防護技術

（1）爆破荷載分析。水下爆破可分為水中爆破和水下鉆孔爆破。兩者對周圍建筑物的影響主要有沖擊波和地震波。但水中爆破產(chǎn)生的沖擊波是破壞周圍建筑物的主要爆破荷載，其傳播途徑是通過水介質(zhì)直接到碼頭或海岸；而水下鉆孔爆破的炸藥埋藏在基巖中一定深度，因此在炸藥爆炸時能量分布、沖擊波傳播途徑以及邊界條件等方面都與水介質(zhì)中的水中爆炸不同。據(jù)有關資料，水下鉆孔爆破所產(chǎn)生的沖擊波壓力只有水中爆炸沖擊波的幾分之一到幾十分之一。其主要爆破荷載是地震波。所以在研究水下鉆孔爆破施工區(qū)域周圍建筑物的安全防護時，可將如何降低爆破產(chǎn)生的地震波作為重點。在確定水下鉆孔爆破方案時，綜合考慮其爆源、傳播介質(zhì)、建筑物地基的地質(zhì)、地形條件，通過認真的技術論證擬定了多項減震措施和地震波的檢測方案。

（2）爆破安全距離和一次起爆藥量的控制。首先根據(jù)現(xiàn)場勘測確定爆破點到被保護建筑物的最近距離；其次依據(jù)地質(zhì)資料選取有關的計算系數(shù)和地震波衰減指數(shù)值；再按照《爆破安全規(guī)程》選定被保護建筑物地面質(zhì)點的安全震動速度，最后根據(jù)《爆破安全規(guī)程》提供的爆破震動安全允許距離。

（3）采用預裂爆破技術降低爆破震動。預裂爆破是主爆破區(qū)爆破之前，預先在預定的輪廓線上形成一道有一定寬度的巖石裂縫（預裂縫）的控制爆破。預裂縫可以降低爆破地震波的傳播，也減小對保留側(cè)的巖體破壞。據(jù)有關資料提供的試驗表明，水下預裂縫可削弱50%-70%的爆破震動強度。第一，影響預裂爆破效果的因素很多，如鉆孔直徑、孔距、裝藥量、巖石的物理力學性質(zhì)、炸藥品種以及施工因素等。當相鄰的兩預裂孔連心線上的法向拉應力超過巖石的抗拉強度時，就可能形成裂縫。第二，預裂孔與主炮孔之間要有一定的距離（見圖），其值與主炮孔藥包直徑及單段最大起爆藥量有關。第三，預裂孔的深度不應淺于主炮孔爆破的破壞深度（即不應淺于基槽標高）；預裂孔兩端的延伸長度應超出主炮孔爆破時地表的破壞范圍。

（4）采用微差爆破降低地震波。第一，微差爆破的作用。微差爆破的先爆孔可為后爆孔增加新的自由面，爆炸產(chǎn)生應力波的相互作用和巖塊之間的碰撞作用，使被爆巖體獲得良好的破碎，并使地震波在時間和空間上分散，各段炸藥爆炸的地震波峰值無法疊加，同時因先后產(chǎn)生的地震波還會相互干擾，有效地降低地震波。第二，微差間隔時間的確定。微差間隔時間主要與巖石性質(zhì)、抵抗線、對破碎效果和降震要求等因素有關。微差間隔時間過長有可能造成先爆孔破壞后爆孔的起爆網(wǎng)路，過短則后爆孔可能因先爆孔未形成新自由面而影響爆破質(zhì)量。通常微差時間在25-200ms范圍內(nèi)基本可達到預期效果。

（5）采用漸進爆破方法減震。主爆破采用由遠而近，逐漸推進的爆破方法，利用控制最小抵抗線降低地震波，減小對周邊建筑物的影響。施工中先用抓斗式挖泥船進行巖石覆蓋層的開挖，從而降低爆破點的最小抵抗線，達到減震目的。

3.采用氣泡帷幕減弱水沖擊波。

（1）水沖擊波壓力，水下爆破產(chǎn)生的水沖擊波，其壓力大小與單段最大藥量和起爆距離有關，這是影響其大小的兩個因素。由于起爆距離已定，所以對水沖擊波壓力的控制，就變成是對單段起爆藥量的控制。實踐證明，在某種條件下，最大限度地減小單段起爆藥量，仍無法將水沖擊波壓力控制在安全范圍內(nèi)，反而降低施工效率，影響施工進度。因此，只能通過其他外部條件來尋求解決方法。

（2）氣泡帷幕減壓原理。采取氣泡帷幕方案來控制水沖擊波的危害。其原理是：從許多小孔中噴出的高壓氣體，在水中形成一排不斷上升、濃密的帷幕狀氣泡，組成一堵水中空氣墻，當水沖擊波通過這一氣泡帷幕墻時，由于氣體的可壓縮性質(zhì)，使沖擊波波峰的動能轉(zhuǎn)化為受壓縮氣泡的內(nèi)能，在沖擊波波峰過后，壓縮氣泡中儲存的內(nèi)能才逐漸在氣泡的膨脹過程中釋放出來，因此水沖擊波壓力就會被衰減，從而起到保護水下設施的作用。

（3）氣泡帷幕施工工藝。在爆破區(qū)域周圍設置氣泡圍幕，具體施工工藝：采用無縫鋼管制作的帷幕網(wǎng)管，網(wǎng)管上布置適當孔徑和密度的小孔，通過與高壓氣膠管相連，構成一根柔性氣泡帷幕管，放置在水下水工建筑物前約5m的水中，并用直立的鋼管固定，氣泡帷幕管兩端封堵，并用高壓膠管連接至空壓機。在帷幕前后布置監(jiān)測點。

4.減震防護效果。水下鉆孔爆破施工中，對工程的水下鉆孔爆破進行震動速度測試。采取了多種減震防護措施，使實際測得的結(jié)果比按無減震措施的爆破方法的理論計算值小了很多。如當爆破距離為65m、一次起爆炸藥量50kg的情況下測得的最大震動速度為0.989cm/s；而無減震措施的理論計算值為1.50cm/s，降低34%。整個水下鉆孔爆破過程均處于受控狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)異常。因此，可以認為水下鉆孔爆破施工對周邊建筑物結(jié)構安全影響很小，完全達到安全施工要求。

水下工程爆破采用鉆孔爆破，炸藥的利用率高，比較安全，于控制爆破有害效應。在復雜環(huán)境下確定一次齊爆藥量時，應進行試爆來確定K、a值；根據(jù)控制的震速算出一次齊爆的藥量。在近距離實施水下鉆孔爆破，通過采用水下預裂、氣泡帷幕、多殷延時起爆等措施，能有效地削減地震波和水擊波。

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