降低水下爆破作業(yè)沖擊波噪聲施工技術(shù)研究

張冬洋，曾柏瑞

（長(zhǎng)江武漢航道工程局，湖北 武漢 430014）

1 引言

隨著水利工程、海岸海洋工程的不斷發(fā)展，水下爆破技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用并逐步成熟。水下爆破是在極短時(shí)間內(nèi)，在水下的極小體積內(nèi)或面積上發(fā)生極大能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程。在水下爆破的瞬間，周圍水體密度、溫度和壓力跳躍式攀升。由于水和空氣在密度和壓縮性能上的巨大差異，水下爆破產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度遠(yuǎn)大于陸上爆破。水下爆破具有隨距離衰減慢，易與水上和岸邊結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生共振，沖刷破壞力較強(qiáng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的水下爆破方式對(duì)周邊的環(huán)境和水生生物有較大的影響。在實(shí)際施工中，特別是生態(tài)保護(hù)水域的爆破施工，多采用限制單次單段起爆藥量的方式控制爆破噪音。

本文通過(guò)對(duì)水下多段連續(xù)起爆施工方式下不同藥量的噪音監(jiān)測(cè)，研究總結(jié)了不同炸藥量爆破水下爆破產(chǎn)生的噪音持續(xù)時(shí)間及共振情況，制定合理的起爆藥量，形成科學(xué)合理的施工工藝，確保水下爆破產(chǎn)生的噪音在漁業(yè)限定的門(mén)閥值內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了在珍稀動(dòng)物保護(hù)水域采用大藥量爆破施工的可能性，用數(shù)據(jù)證明施工的安全性。

2 工藝原理

采用水下爆破聲學(xué)監(jiān)測(cè)手段，實(shí)測(cè)施工用炸藥的爆破噪音大小和傳播情況；通過(guò)數(shù)據(jù)化的分析找出該水域爆破施工，影響噪音大小的關(guān)鍵因素，針對(duì)性制定降噪措施和選定相匹配的材料；在實(shí)際施工時(shí)，選定合理的炸藥量和制定安全可靠的爆破施工方案，最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)降噪的效果。

水下爆破產(chǎn)生的水沖擊波與液體靜壓力疊加，使位于水下某固定位置上的壓力變化過(guò)程在微秒量級(jí)的瞬間就能增大至峰值壓力。但持續(xù)時(shí)間很短，在初始峰值壓力到來(lái)后，壓力即開(kāi)始隨時(shí)間呈指數(shù)衰減規(guī)律下降，在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)，壓力值就迅速下降。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)水下爆破聲學(xué)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，從監(jiān)測(cè)獲得的爆破時(shí)域圖來(lái)看，在300-400 毫秒的時(shí)間內(nèi)，壓力值就迅速下降。故在水下鉆孔爆破作業(yè)中，每段之間采用1.0s延時(shí)，單孔采用微差爆破的方式，按照“小、大、中”順序填藥，做好捅藥、堵孔等措施的情況下進(jìn)行爆破，各段直達(dá)波之間的時(shí)間間隔參差不齊，雖未達(dá)到預(yù)訂的微差間隔，但是爆破噪音已不存在明顯的疊加增大。在采取單次多段增大藥量的方式，爆破產(chǎn)生的沖擊波噪聲未有顯著增大。在合理提高藥量的情況下，爆破作業(yè)滿足環(huán)評(píng)要求。

圖1 水下爆破聲學(xué)監(jiān)測(cè)聲壓時(shí)域圖

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→水下鉆孔（多孔分段）→裝藥（捅藥、堵孔）→管網(wǎng)連接→警戒清場(chǎng)（白海豚保護(hù)）→爆破（水下爆破聲學(xué)監(jiān)測(cè)）。

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 水下鉆孔（多孔分段）

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，該地區(qū)海潮涌浪較大，因此擬采用高鉆架“一管一鉆法”，利用鉆架克服潮差對(duì)鉆孔的影響，鉆孔前先下套管，再下鉆具鉆孔（沿套管下放入底）。鉆孔過(guò)程中邊提升鉆桿邊送風(fēng)吹水，以便鉆孔中的碎碴排出孔外。鉆孔至設(shè)計(jì)深度后，經(jīng)反復(fù)多次提升和下落鉆桿，以防碎石或淤砂堵孔。成孔后立即裝藥，鉆孔與裝藥循環(huán)作業(yè)。鉆孔采用全液壓潛孔鉆，鉆頭在套管內(nèi)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆孔。施工前，應(yīng)在施工區(qū)風(fēng)浪小、不易被船只碰撞，不影響施工的固定位置設(shè)立水尺，鉆孔時(shí)應(yīng)根據(jù)潮位變化情況及時(shí)調(diào)整鉆孔參數(shù)。施工中的具體要求有如下幾點(diǎn)：

圖2 漂浮式炸礁船布孔示意圖

3.2.2 裝藥（捅藥、堵孔）

為防止碎石堵孔及泥沙回淤，鉆孔完成后應(yīng)立即裝藥，炸藥裝入pvc 管內(nèi)，再將其裝入鉆好的炮孔內(nèi)，起爆藥包用乳化炸藥，每個(gè)起爆藥包中用同段號(hào)的非電塑料導(dǎo)爆管雷管兩發(fā)。炮孔裝藥長(zhǎng)度大于4m 時(shí)，應(yīng)增加至兩個(gè)起爆藥包（裝藥結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3）。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)行鉆孔爆破時(shí)，水深大于6m 的，為了更好地保護(hù)海洋生物及生態(tài)環(huán)境，達(dá)到較好的爆破效果及降低水中沖擊波的影響，采用粗砂或者細(xì)石堵孔，堵塞長(zhǎng)度根據(jù)設(shè)計(jì)確定，但最小不小于50cm。

3.2.3 管網(wǎng)連接

采用防水的非電毫秒微差起爆網(wǎng)路，每個(gè)起爆體內(nèi)裝2～3 發(fā)非電導(dǎo)爆管雷管，整個(gè)起爆網(wǎng)路采用簇聯(lián)方式連接，起爆主線也是采用非電導(dǎo)爆管雷管。一次起爆炮孔數(shù)根據(jù)單孔裝藥量和一次允許起爆最大藥量確定。

一次起爆炮孔數(shù)根據(jù)單孔裝藥量和一次允許起爆最大藥量確定。起爆網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、檢測(cè)完成后，移船至安全范圍。與交管中心調(diào)度室取得聯(lián)系，確認(rèn)船只未在起爆時(shí)間內(nèi)接近警戒區(qū)；并按設(shè)計(jì)安全距離和安全要求警戒，確保其余船舶、水中人員和中華白海豚等都在警戒區(qū)以外后，發(fā)出起爆信號(hào)后，方可起爆。

水下傳爆電爆網(wǎng)絡(luò)的非電雷管應(yīng)采用足夠強(qiáng)度、防水性和柔韌好的雙壁雷管，爆破主線路呈松弛狀態(tài)。

根據(jù)前期單段單響爆破噪音數(shù)據(jù)，將單段起爆藥量控制在90kg 以內(nèi)，導(dǎo)爆管采用1 秒延期導(dǎo)爆管雷管，每個(gè)孔一個(gè)段別，分別為2 段、3 段、4 段、5 段、6 段、7 段（爆破網(wǎng)絡(luò)接線示意圖參見(jiàn)圖4）。

圖4 爆破網(wǎng)絡(luò)接線示意圖

3.2.4 白海豚現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)措施

在爆破前，需做好白海豚保護(hù)措施：

（1）在施工區(qū)域上、下游設(shè)置定點(diǎn)觀測(cè)點(diǎn)，委托經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的觀測(cè)人員每天對(duì)施工區(qū)域中華白海豚活動(dòng)的情況進(jìn)行觀測(cè)、做好記錄，并按月將觀測(cè)記錄表和示意圖及時(shí)報(bào)廈門(mén)中華白海豚文昌魚(yú)自然保護(hù)區(qū)管理處備案。

（2）禁止夜間爆破。

（3）鑒于中華白海豚屬游泳性動(dòng)物在受到外來(lái)干擾時(shí)，會(huì)主動(dòng)避開(kāi)。對(duì)于連續(xù)爆破來(lái)說(shuō)，除首炮爆破將對(duì)爆破近區(qū)的白海豚造成較大的影響外，白海豚將迅速逃離爆破區(qū)，其余各炮對(duì)自海豚的影響相對(duì)較小。通過(guò)采取必要的環(huán)保措施，如加強(qiáng)對(duì)施工海域的觀察了解、聲墻驅(qū)趕等各種辦法，可以大大減輕對(duì)白海豚可能造成的影響。

（4）在每階段爆破首炮布藥完畢后，采用聲墻驅(qū)趕法，對(duì)中華白海豚進(jìn)行驅(qū)趕。聲墻驅(qū)趕法是利用中華白海豚的回聲定位功能，通過(guò)人為制造的聲墻來(lái)驅(qū)趕中華自海豚滯留或阻止其進(jìn)入爆破危險(xiǎn)區(qū)。具體的做法是：在驅(qū)趕船船舷兩側(cè)，每隔 0.5～1m 設(shè)立好一根2m 長(zhǎng)、直徑30mm～5Omm 的竹竿，并插入水中20cm～40cm。根據(jù)船的長(zhǎng)度而確定竹竿的根數(shù)，一般7 根左右，立竿上、下端設(shè)置橫竿，將立竿連接成竹排。完成后，4 艘驅(qū)趕船由爆破點(diǎn)向外呈扇形排開(kāi)，采用“s”型線路緩慢行駛，船上派專人按從第一根立竿敲到最后一根，再由最后一根敲到第一根的程序往復(fù)敲打竹竿，并不斷變換船速，制造出不規(guī)則的噪聲，形成持續(xù)不斷的聲墻。船向爆點(diǎn)以外開(kāi)出約2000m 方可停下，并繼續(xù)橫向敲打竹竿，直到爆破結(jié)束。

（5）施工船在退出安全區(qū)域準(zhǔn)備起爆的過(guò)程中，將鳴笛警示驅(qū)趕。

（6）起爆前派專人在驅(qū)趕船和施工船上瞭望，如發(fā)現(xiàn)白海豚出現(xiàn)在施工海域，應(yīng)立即停止起爆，用對(duì)講機(jī)和施工現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人聯(lián)系。施工現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人應(yīng)立即和廈門(mén)中華白海豚文昌魚(yú)自然保護(hù)區(qū)管理處聯(lián)系，共同制定驅(qū)趕措施，對(duì)中華白海豚進(jìn)行驅(qū)趕，直到趕離爆破中心1800m 以外，確定白海豚離開(kāi)后才能起爆。

3.2.5 爆破（水下爆破聲學(xué)監(jiān)測(cè)）

爆破施工采用單次多段連爆的爆破施工方式，在藥量增加到300kg、400kg 情況下，每段藥量限制在138kg內(nèi)，單孔藥量按照“小、大、中”順序填藥，選用鉆爆器材如下：

（1）炸藥選擇：防水的乳化炸藥。

（2）雷管選擇：非電導(dǎo)爆管毫秒雷管，每孔間均采用1s 延時(shí)導(dǎo)爆管。

（3）起爆器：電火花起爆器。

采用潛孔沖擊鉆，要求一次鉆至設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高（含超鉆深度），梅花形布孔。

采用特制的圓形塑料筒裝藥柱，藥柱直徑D=120mm。

爆破網(wǎng)路：采用非電導(dǎo)爆管雷管。本次監(jiān)測(cè)為該工程采用不同藥量實(shí)施的水下鉆爆施工，水下鉆爆采用1 秒的段延時(shí)間隔時(shí)間，實(shí)際效果可以達(dá)到為400～1000ms，實(shí)行孔間或排間毫秒延期預(yù)裂，逐孔進(jìn)行起爆；在鉆爆前增加了2 個(gè)小炮（水中采用的非電導(dǎo)爆雷管），以達(dá)提前警示驅(qū)趕中華白海豚的目的。

在爆破實(shí)施過(guò)程中，采用水下爆破聲學(xué)監(jiān)測(cè)的手段，實(shí)測(cè)施工中的爆破噪音大小和傳播情況，聲學(xué)監(jiān)測(cè)原理為：水下爆破產(chǎn)生的沖擊波被高耐壓水聽(tīng)器接收，接收到的信號(hào)經(jīng)便攜式多功能分析儀和PULSE 聲學(xué)振動(dòng)分析軟件記錄到電腦中，用PULSE 聲學(xué)振動(dòng)分析軟件MATLAB 數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，得到最終的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，水下爆破聲學(xué)監(jiān)測(cè)鉆爆點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖參見(jiàn)圖5。

圖5 水下爆破聲學(xué)監(jiān)測(cè)鉆爆點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

通過(guò)數(shù)據(jù)化的分析找出該水域爆破施工，影響噪音大小的關(guān)鍵因素，針對(duì)性制定降噪措施和選定相匹配的材料；在實(shí)際施工時(shí)，選定合理的炸藥量和制定安全可靠的爆破施工方案，最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)降噪的效果。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概況

廈門(mén)港海滄航道擴(kuò)建四期工程實(shí)施地點(diǎn)位于九龍江河口灣北岸、海滄港區(qū)以南和鼓浪嶼以西，由象鼻咀向西至九龍江北港入海口附近水域。海滄航道E′～13#泊位航段按滿足營(yíng)運(yùn)吃水15.5m 的20 萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船和2 萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船乘潮雙線通航要求建設(shè)，同時(shí)滿足15 萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船和5 萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船雙線通航要求，通航寬度395m。E′-7#泊位航段通航寬度395m，長(zhǎng)6.36km，設(shè)計(jì)底高程-15.5m；8#-13#泊位航段通航寬度395m，長(zhǎng)1.45km，設(shè)計(jì)底高程-15.0m(其中8#-10#泊位炸礁區(qū)-15.3m)；13#-17#泊位航段按滿足營(yíng)運(yùn)吃水15.5m 的20 萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船乘潮單線通航要求建設(shè)，通航寬度275m，長(zhǎng)1.75km，設(shè)計(jì)底高程-15.0m。

整個(gè)工程分為疏浚工程、炸礁工程和航標(biāo)工程，其中炸礁工程量約9.3 萬(wàn)方，且炸礁區(qū)位于白海豚主要活動(dòng)區(qū)域，每次爆破藥量都要遵守主管部門(mén)的要求，單段起爆藥量不超過(guò)138kg，施工區(qū)位于通航航道內(nèi)，每次起爆作業(yè)前必須進(jìn)行白海豚驅(qū)趕和封航，為保障不影響碼頭正常運(yùn)營(yíng)的情況下，每日封航作業(yè)次數(shù)有限，工期緊湊，對(duì)炸礁施工進(jìn)度存在很大的制約。

4.2 應(yīng)用情況

由于炸礁項(xiàng)目所在位于海滄航道中游，毗鄰的7#、8#、9#泊位區(qū)，港務(wù)冗繁，施工中通航避讓較多，爆破作業(yè)需封航后作業(yè)，協(xié)調(diào)難度大，且安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)極高，受制于各種客觀因素影響，每日爆破作業(yè)次數(shù)有限，極大影響整體工程施工進(jìn)度。

針對(duì)上述情況，廈門(mén)港海滄航道擴(kuò)建四期工程在施工期應(yīng)用了降低水下爆破作業(yè)沖擊波噪聲的施工工藝，完成了炸礁工程量約9.3 萬(wàn)方。通過(guò)新工藝的應(yīng)用，極大地提高施工效率，減少項(xiàng)目建設(shè)周期，節(jié)約了成本，減少對(duì)航道的占用時(shí)間，較計(jì)劃工期提前三個(gè)月完成炸礁區(qū)首次全范圍爆破作業(yè)，無(wú)任何安全事故。推進(jìn)了水下爆破施工技術(shù)的整體提升，該實(shí)例的施工工藝對(duì)類似工程有較大應(yīng)用價(jià)值，值得在今后水下爆破作業(yè)工程中推廣應(yīng)用。

通過(guò)新工藝的應(yīng)用，極大地提高施工效率，減少對(duì)航道的占用時(shí)間，對(duì)海洋養(yǎng)殖區(qū)造成的影響降到了最低，加快了整個(gè)工程的實(shí)施進(jìn)度，有效降低了整個(gè)工程爆破安全實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。

5 效益分析

5.1 社會(huì)效益

由于炸礁項(xiàng)目所在位于海滄航道中游，毗鄰的7#、8#、9#泊位區(qū)，港務(wù)冗繁，施工中通航避讓較多，爆破作業(yè)需封航后作業(yè)，協(xié)調(diào)難度大，且安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)極高，受制于各種客觀因素影響，每日爆破作業(yè)次數(shù)有限，極大影響整體工程施工進(jìn)度。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

廈門(mén)港海滄航道擴(kuò)建四期工程施工中，炸礁工程量約9.3 萬(wàn)方，如果按照每次爆破藥量都要遵守主管部門(mén)的要求，單段起爆藥量不超過(guò)138kg（環(huán)評(píng)報(bào)告書(shū)要求）的施工工藝，在保障不影響碼頭正常運(yùn)營(yíng)的情況下，每日起爆次數(shù)最多不超過(guò)四次，完成炸礁工程量約為387方，需要93000/368 ≈240 天完成炸礁施工任務(wù)，完成上述任務(wù)船舶、人工費(fèi)、通航保障費(fèi)及白海豚驅(qū)趕費(fèi)約需2873 萬(wàn)元。

廈門(mén)港海滄航道擴(kuò)建四期工程通過(guò)降低水下爆破作業(yè)沖擊波噪聲的新型施工工藝，極大地提高施工效率，較計(jì)劃工期提前三個(gè)月完成炸礁施工任務(wù)，完成炸礁工程量約9.3 萬(wàn)方施工成本約為2353 萬(wàn)元，即可節(jié)約成本2873 萬(wàn)元-2353 萬(wàn)元=520 萬(wàn)元，且未發(fā)生任何安全事故。

采用該工藝施工，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益未統(tǒng)計(jì)包括降低水下爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)和因工期提前帶的其他經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益等。

5.3 環(huán)保效益

水下爆破特別是有珍稀動(dòng)物的水域，爆破噪音是主要的危險(xiǎn)源，本工藝成果的應(yīng)用，可以有效地提高爆破用藥量同時(shí)降噪控噪，科學(xué)有效地提高施工效益，保障環(huán)保安全。

6 總結(jié)

本施工關(guān)鍵技術(shù)已在實(shí)際工程中得到很好的應(yīng)用，應(yīng)用期間技術(shù)穩(wěn)定性得到充分驗(yàn)證。在廈門(mén)港海滄航道擴(kuò)建四期工程進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用中，通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，在提高藥量作業(yè)的情況下，滿足環(huán)評(píng)制定的噪音（漁業(yè)保護(hù)）門(mén)限值要求，有效縮短了施工工期。

通過(guò)對(duì)水下爆破（大藥量）監(jiān)測(cè)，掌握不同炸藥量在水下產(chǎn)生噪音的大小和傳播情況，合理分配單段起爆藥量和每響間時(shí)間間隔，不超過(guò)漁業(yè)保護(hù)噪音門(mén)限值即視為可行，同樣的方法適用于任何水域的爆破作業(yè)。尤其在項(xiàng)目實(shí)施策劃階段，可以將單響連續(xù)爆破作業(yè)施工作為主要施工工藝，有效的降低施工安全和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，減少項(xiàng)目建設(shè)周期，節(jié)約了成本，減少對(duì)航道的占用時(shí)間，該實(shí)例的施工方法對(duì)類似工程有較大應(yīng)用價(jià)值。