水下鉆孔爆破的爆炸沖擊波測(cè)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(tuán)有限公司，廣州510800；2.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，武漢430065）

1 前言

隨著我國(guó)近幾年對(duì)外經(jīng)濟(jì)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(lái)越大，港池越炸越深，爆破區(qū)離岸越來(lái)越遠(yuǎn)，對(duì)爆破設(shè)計(jì)、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(diǎn)[1，2]，會(huì)對(duì)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(shí)踐中必須引起足夠重視，其產(chǎn)生機(jī)理、傳播規(guī)律、動(dòng)力響應(yīng)、安全標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)周圍環(huán)境的影響和控制措施急需認(rèn)真研究[3]。

本文以廈門(mén)港古雷航道二期疏浚項(xiàng)目水下炸礁為例，采用美國(guó)PCB公司ICP水下沖擊波測(cè)量長(zhǎng)型傳感器對(duì)水下爆炸沖擊波進(jìn)行數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，對(duì)沖擊波波形及峰值壓力進(jìn)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(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)積累了經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

廈門(mén)港古雷航道二期工程是在現(xiàn)有古雷10萬(wàn)噸級(jí)航道的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建的工程。施工區(qū)域?yàn)楹降溃ń甘┕^(qū)總長(zhǎng)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(yùn)行的主航道，且爆破裝藥量較大，為確保安全，需對(duì)水下爆炸沖擊波監(jiān)測(cè)，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(shí)測(cè)最大漲潮流速0.92m/s，實(shí)測(cè)最大落潮流速1.1m/s。巖石以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主（占72%），其余的為中風(fēng)化花崗巖（占19%）及微風(fēng)化花崗巖（占9%），巖石試驗(yàn)強(qiáng)度分別為12～23MPa，30～60MPa，60～100MPa，礁石巖性為8～9級(jí)和12級(jí)以上，堅(jiān)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(dá)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(tái)采用800 t平臺(tái)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(zhǎng)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(dǎo)爆管為雙層抗拉高強(qiáng)塑料管制成，抗拉力強(qiáng)，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(gè)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(yàn)研究

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

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

試驗(yàn)所采用的水下沖擊波測(cè)量長(zhǎng)型傳感器，對(duì)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(wú)諧振、高電壓輸出、可驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)電纜等特點(diǎn)。所能承受靜壓范圍為：Pmax≤345MPa。測(cè)試系統(tǒng)主要由壓力傳感器、信號(hào)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(shí)時(shí)測(cè)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(yàn)中通過(guò)特殊延長(zhǎng)線連接傳感器與記錄儀。通道編號(hào)及傳感器技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 通道編號(hào)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(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)方案布置如圖1所示。

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

3.2 試驗(yàn)

此次爆破沖擊波測(cè)試歷時(shí)23天，共測(cè)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(cè)深度進(jìn)行沖擊波的測(cè)量；b.控制測(cè)深，改變爆心距進(jìn)行沖擊波的測(cè)量。單段藥量110～585 kg；一次總藥量最高達(dá)4.71 t。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。對(duì)水下鉆孔爆破多段延時(shí)起爆產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行測(cè)試，典型波形圖見(jiàn)圖2，單段沖擊波典型波形如圖3所示，典型功率譜圖見(jiàn)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(shí)間較短僅為零點(diǎn)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(qiáng)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(cè)試時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間常數(shù)，即由Pm衰減到Pme所需的時(shí)間，s。提取沖擊波典型壓力時(shí)程進(jìn)行水平軸放大并進(jìn)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(jì)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(guò)對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到水下鉆孔爆破時(shí)所產(chǎn)生水中沖擊波峰值壓力的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式：

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，沖擊波上升迅速，正壓作用時(shí)間較短僅為零點(diǎn)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(yǔ)

廈門(mén)港古雷航道二期工程海況差，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，工程量大而且集中，加上海上來(lái)往船舶較多，施工干擾大，施工對(duì)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(diǎn)和難點(diǎn)。為控制水中鉆孔爆破沖擊波對(duì)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(shí)施了水擊波壓力監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，從壓力幅值、正壓作用時(shí)間等方面進(jìn)行了分析，得出了水下鉆孔爆破的水擊波計(jì)算公式。研究成果對(duì)我國(guó)迅速發(fā)展的漫長(zhǎng)海岸線上的水工工程具有參考意義。

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