內(nèi)河航道水下炸礁鉆孔爆破技術(shù)研究

喻燦星，覃國(guó)杰，曾 麗

(湖南省航務(wù)工程有限公司，長(zhǎng)沙 410009)

水下礁石爆破是工程爆破的重要組成部分。隨著水利水電項(xiàng)目以及港口和航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，水下礁石爆破和其他爆破作業(yè)越來(lái)越多地用于港口建設(shè)、航道疏浚等項(xiàng)目中。但是水下炸礁施工的周邊環(huán)境復(fù)雜、爆破技術(shù)難度較大、受水流影響控制較難，歷來(lái)是爆破施工的難點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者探索并實(shí)踐了水下礁石爆破和海底工程爆破。李春軍等[1]針對(duì)水下爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的多樣性和影響因素的復(fù)雜性，結(jié)合層次分析法和模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)方法，建立了水下爆破最優(yōu)設(shè)計(jì)方案模型，并成功應(yīng)用于嘉陵江航道整治工程三期。王忠康等[2]利用礁石爆破船逐塊操作，采用排間毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路，對(duì)港口巷道水下炸礁工程進(jìn)行了實(shí)踐，其爆破效果良好，未對(duì)魚(yú)和其他水生物造成危害。汪竹平等[3]以內(nèi)河航道擴(kuò)建工程為例，討論了水下爆破有害效應(yīng)控制的措施以及可行性。謝正紅[4]采用孔距2.2 m、排距1.8 m、鉆孔超深1.5 m，孔內(nèi)延時(shí)的爆破方案，對(duì)東莞水道整治工程進(jìn)行爆破，取得良好的爆破效果。賀早亮等[5]采用數(shù)碼電子雷管，設(shè)計(jì)合理的延時(shí)時(shí)間以及爆破參數(shù)，使用逐孔起爆網(wǎng)路，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)陸豐核電廠北導(dǎo)流堤工程的爆破。杜建科等[6]以深圳港大鏟灣集裝箱碼頭土地平整工程一期、水下炸礁工程為背景，分析了爆破施工的周邊環(huán)境、陸域巖石與水下礁石的性質(zhì)以及設(shè)備要求等情況，提出了切實(shí)可行的爆破方案以及防護(hù)措施，成果實(shí)施了巖土爆破、礁石爆破，取得了良好的工程效果。

盡管水下爆破施工與安全技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是爆破工程的施工環(huán)境各不相同，在工程實(shí)踐中，往往有新情況和新問(wèn)題的出現(xiàn)，仍有許多關(guān)鍵技術(shù)需要去研究和解決。因此，筆者以施怡灘水下炸礁工程為背景，探索水下炸礁施工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

沅水浦市至常德296 km航道在凌津?yàn)屑~庫(kù)區(qū)內(nèi)有麻伊洑的猴兒灘和柳林汊的施怡灘2個(gè)礙航灘險(xiǎn)，其中施怡灘炸礁航道長(zhǎng)約1 200 m，寬60 m，巖層厚度最大處4.3～5.8 m，炸礁工程量7.73萬(wàn)m3。施怡灘地層劃分為3層，從上至下分別為：層卵石、層褐紅色中風(fēng)化角礫巖(較硬～堅(jiān)硬)、黑色中風(fēng)化板巖(較硬)。

施怡灘位于五強(qiáng)溪鎮(zhèn)下游約3.2 km，右岸為柳林汊村。爆破需保護(hù)建筑群主要集中在爆區(qū)中下游的右岸，上游進(jìn)口段岸邊房屋有3處，青磚小瓦房(2層)距爆破邊線僅71 m，施怡灘炸礁爆破周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 施怡灘炸礁爆破周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment of Shiyitan reef blasting

2 爆破方案與水下鉆爆機(jī)理分析

2.1 爆破方案

為盡量加快爆破施工進(jìn)度，確保破碎效果和減少爆破振動(dòng)對(duì)岸上房屋的影響，根據(jù)待爆礁石附近的環(huán)境情況和巖石結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬對(duì)炸槽采取分段、分幅施工，巖層大于2 m的區(qū)域采用分層爆破，主爆區(qū)內(nèi)采用逐孔分段、逐排延時(shí)起爆技術(shù)對(duì)礁石進(jìn)行松動(dòng)爆破。

2.2 水下炸礁爆破作用機(jī)理分析

2.2.1 水下爆破特點(diǎn)

雖然空氣和水都屬于流體，但是物理性質(zhì)也有不同之處，與空氣相比，水的密度比空氣大很多，但其可壓縮性差很多。炸藥在水中爆炸時(shí)，爆生氣體產(chǎn)物的溫度可達(dá)300 ℃，爆炸初始?jí)毫s為14 GPa。強(qiáng)間斷的沖擊波和水的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，并在數(shù)倍藥徑區(qū)內(nèi)以球面的形式向外傳播，其速度可達(dá)數(shù)倍水中聲速(1 500 m/s)。隨后，爆炸生產(chǎn)的高壓氣體以氣泡形式繼續(xù)膨脹作功，使水快速擴(kuò)散，并做慣性運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)致氣泡壓力驟降而出現(xiàn)的稀疏波跟隨向外傳播，故造成水中爆炸作用場(chǎng)各點(diǎn)的沖擊波超壓迅速下降，呈指數(shù)衰減。沖擊波作用時(shí)間僅為毫秒量級(jí)(見(jiàn)圖2)。

圖2 水中沖擊波曲線Fig.2 Shock wave curve in water

隨著氣泡壓力的降低，它逐漸低于靜水壓力。這時(shí)，爆源周圍的水開(kāi)始向相反方向移動(dòng)并壓縮氣泡。但是，由于水的慣性運(yùn)動(dòng)，即使達(dá)到靜態(tài)水壓平衡點(diǎn)后，也會(huì)繼續(xù)壓縮氣泡，然后氣泡又會(huì)因膨脹而對(duì)水體做功。這樣的往復(fù)循環(huán)將在水中形成多個(gè)脈動(dòng)壓力。由于爆炸后爆炸性氣體產(chǎn)物的比重低于水的比重，氣泡在脈動(dòng)過(guò)程中不斷上升到水面，直到到達(dá)水面并逸出為止[7-9]。

2.2.2 水下巖石爆破作用機(jī)制

水下巖體和陸地爆破之間的主要區(qū)別在于，水下巖體通常被水飽和。巖石層表面與水體之間的界面承受著水層的靜壓力載荷，在爆破過(guò)程中，巖體會(huì)受到水層阻力的影響。

首先，由于巖石的波阻抗比空氣的阻抗大一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，巖石爆炸的沖擊波在水界面處產(chǎn)生的反射波能量要小得多。因此，在水下爆破過(guò)程中，反射拉應(yīng)力對(duì)巖石的拉力破壞作用大大減弱。

其次，在水下爆破過(guò)程中，巖石爆破位移變形需要克服水壓力，因此，水下鑿巖爆破的單位炸藥消耗必然要大于地面爆破的單位炸藥消耗。

再次，在水下巖體爆破中，其產(chǎn)生的沖擊波、應(yīng)力波和地震波的衰減速度要比陸地爆破緩慢很多倍。因此，水下巖體爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效果更強(qiáng)，破壞范圍更廣。

3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)與選取

1)炮孔直徑。由于施工環(huán)境復(fù)雜，原則上，炮孔主要以小孔徑、垂直孔為主，并且結(jié)合工程地質(zhì)條件和鉆爆平臺(tái)施工特點(diǎn)，炮孔直徑取90 mm。

2)炸藥單耗。水下礁石爆破過(guò)程中，除了破碎巖石外還需要克服水的阻力。因此，炸藥的單耗比土巖爆破的單耗要大一 些。通過(guò)工程類比得水下爆破炸藥單耗q通常取1.2～1.8 kg/m3，本工程取1.2 kg/m3。

3)孔排距。水下鉆孔的布置首先要適合所使用的鉆爆平臺(tái)，同時(shí)要確保孔底開(kāi)挖面上根底不殘留，以及爆堆的大塊率不宜過(guò)高。本炸礁工程各排炮孔呈梅花形交錯(cuò)布置(見(jiàn)圖3)。

圖3 炮孔布置Fig.3 Layout of blast holes

根據(jù)孔距計(jì)算公式：

a=(20～30)d

(1)

式中：a為孔距，m；d為炮孔直徑，m。得出孔距a為1.8～2.7 m。

為了降低爆破振動(dòng)，避免不必要的麻煩，孔排距根據(jù)臺(tái)階的高度進(jìn)行設(shè)置。①臺(tái)階高度H=2～4.3 m時(shí)，取炮孔間距a=2 m，炮孔排距b=2 m；②臺(tái)階高度H≤2 m時(shí)，取炮孔間距a=1.5 m，炮孔排距b=1.5 m。

4)超深。在沿海水域，覆蓋層較厚，淤泥較重。同時(shí)水下鉆爆施工出現(xiàn)欠挖時(shí)，補(bǔ)爆難度比較大，并且費(fèi)工費(fèi)時(shí)。為保證一次施工能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，取超深Δh=1 m。

4 鉆孔、裝藥與起爆

4.1 鉆孔

根據(jù)本工程施工環(huán)境、結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)采用ZQ100型航道潛孔鉆機(jī)，利用先進(jìn)的水上拼裝式作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行水下炸礁鉆孔施工作業(yè)(見(jiàn)圖4)。

圖4 施工船舶錨纜布置Fig.4 Anchor cable layout of construction ships

通過(guò)采用GPS定位技術(shù)控制水下炸礁過(guò)程中炸礁船的位置，該炸礁船的船首和船尾方向與海岸線方向平行，并使用四纜側(cè)錨定位炸礁船的方向。邊纜向兩邊拋出的距離為150～200 m。錨索的前后投擲距離可以稍微延長(zhǎng)。拋錨船的工作過(guò)程由錨船艇協(xié)助。

在平臺(tái)船鉆孔施工中，首先將套管安裝在孔位，然后將套管中的鉆頭開(kāi)始降低到礁石上，然后進(jìn)行鉆孔施工。根據(jù)炮孔的設(shè)計(jì)深度進(jìn)行鉆孔，每次鉆孔完成后，必須立即取出鉆孔工具，并進(jìn)行驗(yàn)孔。然后進(jìn)行裝填炸藥、起爆以及填塞，并且將導(dǎo)爆管雷管的腳線捋直，最后提起套管。

4.2 裝藥

為防止淤泥和碎石堵塞炮孔，鉆孔之后立即裝藥。藥包是是由3塊竹片將炸藥夾在中間而形成的。在施工的過(guò)程中要注意相鄰的藥包應(yīng)緊密連接，以確保藥包能夠穩(wěn)定傳爆。然后根據(jù)炸藥的總長(zhǎng)度將導(dǎo)爆管雷管插入到炸藥的相應(yīng)位置(通常為炸藥的1/3處)，并用密封膠帶將其包裹起來(lái)或用綁扎帶將其捆綁扎牢。

雷管的數(shù)量根據(jù)孔的深度確定，本項(xiàng)目中使用1發(fā)雷管。用竹片夾住藥袋，將炸藥通過(guò)裝藥棒輕輕推入孔中(裝藥棒由竹竿制成)，使得藥包底部與孔底充分接觸。根據(jù)孔的深度不同，在孔口留一定距離用于填塞。該項(xiàng)目使用的填塞物長(zhǎng)度在0.5～1.0 m之間，并且填塞物使用沙子或碎石，裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Charge structure

4.3 起爆網(wǎng)路

本工程選擇導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路，采用孔間延時(shí)與排間延時(shí)相結(jié)合的逐孔起爆網(wǎng)路(見(jiàn)圖6)。

圖6 起爆網(wǎng)路Fig.6 Detonation network

該網(wǎng)路通過(guò)孔內(nèi)裝高段位雷管MS12～MS15，孔外裝較低段位雷管MS5，實(shí)現(xiàn)逐孔起爆?？淄?發(fā)MS5接力傳爆時(shí)間為110×4=440 ms，而孔內(nèi)第一響雷管MS12的延時(shí)時(shí)間為550 ms，孔外4發(fā)MS5接力傳爆完110 ms后孔內(nèi)雷管才起爆，保證了網(wǎng)路起爆的可靠性。

5 爆破效果分析

5.1 爆堆形態(tài)

爆破后，進(jìn)行爆后檢查，發(fā)現(xiàn)所有的炮孔全部被引爆，沒(méi)有盲炮或者殘炮，并且礁石破碎塊度均勻，無(wú)任何淺點(diǎn)，比較便于鏟裝，說(shuō)明爆破取得了良好的效果(見(jiàn)圖7)。

圖7 巖石破碎效果Fig.7 Rock fragmentation effect

5.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

1)測(cè)點(diǎn)布置。為了確保爆區(qū)中下游右岸建筑群的安全，使其不受爆破振動(dòng)影響，在建筑群相應(yīng)位置布置測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1中A～D)，布置專用設(shè)備TC-4850，對(duì)右岸建筑進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè),各測(cè)點(diǎn)與炸礁邊的距離如表1所示。

表1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

2)振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析。測(cè)點(diǎn)A是離爆源最近的測(cè)點(diǎn)，其典型振速曲線如圖9所示。

圖9 測(cè)點(diǎn)A振速Fig.9 Vibration velocity of measuring point A

從圖9中可以看出各個(gè)方向的振速會(huì)出現(xiàn)若干高峰，但是隨著時(shí)間的推移，振速逐漸衰減為零。合振速最大值為0.977 cm/s。其他測(cè)點(diǎn)的合振速最大值如表2所示。

表2 各個(gè)測(cè)點(diǎn)合振速最大值

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)規(guī)定[10-11]，對(duì)一般民用建筑物安全允許振動(dòng)速度最低值為1.5～2.0 cm/s。從表2中可知，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振速都低于1.50 cm/s，因此爆破產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)周邊的一般民用建筑物不會(huì)造成有害影響。

6 結(jié)語(yǔ)

施怡灘水下炸礁爆破塊度較為破碎，且均勻，有利于后續(xù)的清渣工作。施怡灘水下炸礁對(duì)周邊的一般民用建筑物未造成有害影響，其爆破是成功的。本工程的爆破孔網(wǎng)參數(shù)可為其他類似的水下炸礁爆破工程提供一定的參考和借鑒。