復雜環境下水下炸礁安全技術研究

肖俊平 中鐵廣州工程局集團有限公司

吳新強 浙江中水東方建設工程咨詢有限公司

1.引言

隨著國家基建規模的擴大，尤其是水運交通的大力發展，港口和航道的建設及擴能，大量的水下礁石需要爆破。工程的規模的擴大，在使用炸藥進行爆破時，應該注意炸藥量的使用量，避免造成較大的沖擊。如果炸藥使用量過大，不僅會造成水下地震波，破壞區域范圍內的海洋生態系統，對海洋動植物造成沖擊，還會對海上及海下建筑物等造成破壞，威脅人員的安全。因此，相關專業人員應該提高對于爆破量使用的認知，妥善進行爆破量的安排，避免對海洋生物、建筑及工作人員造成傷害。

2.水下爆炸沖擊波傳播規律分析和氣泡脈動形成的機理

對水下爆炸沖擊波傳播規律和氣泡脈動形成機理分析，把水下爆炸對能量的釋放分為三階段：一是炸藥爆轟；二是沖擊波產生與傳播；三是氣泡形成與脈動。

2.1 水下鉆孔爆破沖擊波傳播機理分析

水深是影響炸藥爆炸后產生沖擊波強度和傳播的因素之一，除此之外，水底界面和自由水面處的反射與折射也會對沖擊波產生造成影響。微秒級時間是沖擊波峰值迅速形成的時間，指數形式是沖擊波衰退的量級。因此，沖擊波時間長短不是沖擊波破壞程度的體現，壓力值才是，壓力值會隨著時間變長和距離增大逐漸變小，其破壞力也會變小。

以巖層與水兩種物質而言，沖擊波的傳播速度有所變化，巖層速度大于水中速度，由此我們可以得出：沖擊波在巖層會先達到觀測點，先到達的波稱為前驅波。而前驅波會在巖層面折射作用下能量減小。如圖1，前驅波在到達前的峰值較小，我們可以以此作為分析沖擊波峰值的依據。

以下為球形裝藥爆炸的經驗公式，人們對球形裝藥爆炸的最大超壓值與裝藥和運動距離的關系進行取值，并進行了相應的論證。如：

對某一定點，其壓力在沖擊波剛到達一瞬間達到最大，然后隨時間逐漸減小。某一點的超壓峰值可由以下公式得到：

式中：Pm為沖擊波的峰值壓力，105MPa；Q為水下爆破最大一次性藥量，Kg；R為爆源距測點距離，m、K、α值為實驗系數，受炸藥種類、爆破方法、環境等因素影響。

水中沖擊波壓力隨時間變化的關系可以用以下公式表示：

式中：Pt為水中沖擊波壓力，Pa；θ為時間衰減常數。

2.2 水下爆炸氣泡脈動形成機理分析

圖1 水下鉆孔爆破沖擊波傳播示意圖

水中炸藥在爆炸后會先產生爆炸波，并會造成爆轟產物膨脹，在這個過程中，爆轟產物會由于內部與外部水的壓力不斷膨脹，在膨脹過程中，爆轟產物的壓力會與水的壓力相制衡，形成膨脹—壓縮—膨脹的環境，進行膨脹循環，這個過程中會產生次級壓縮波，它相比第一次的壓縮波較小。這個現象產生的原因是由于爆轟產物介質質點向里的運動慣性，使得爆轟產物形成膨脹與壓縮的循環。隨著爆轟產物循環次數的增加，會產生一個個新的次級壓縮波，其壓縮波的能力會逐次降低，強度逐漸變小。水中爆炸的炸藥第一個次級波可達原生波10%～20%的能量強度，其能量范圍也更大。當氣泡脈動產生時，稀疏波與壓力波將會形成，進而進行水下爆轟開展。由此可見，炸藥在水中爆炸的第一次氣泡脈動中形成的壓力波才能真正發揮作用，具有實際研究意義。

3.水下爆破安全技術及措施

水下爆破具有以下幾方面的危害：一是爆破振動對于保護目標的破壞問題；二是在對爆轟過程中形成的沖擊波對水下建筑物、工作人員及船只進行保護；三是爆轟過程中所產生的振動和沖擊波是否會對水下周邊環境造成破壞。只有對以上幾方面進行詳細的思考與解決，才能保證水下爆破的安全性與環保性。

圖2 發射孔

圖3 氣泡帷幕技術

3.1 水下爆破對水工構筑物的影響及防護

水工構建物會受到水下爆破的影響，因此要對其進行保護，可以從控制產生源、改變傳播途徑、對需要保護的對象進行個別防護。

（1）微差爆破技術。控制生產源是指對炸藥的使用量進行調整，從源頭上降低因炸藥爆炸對水工構建物的影響，保護水工構建物的安全。因此，相關工作人員在進行水下炸藥量調整的過程中，既要考慮到對水工構建物進行保護的因素，又要減少經濟投入，提升工作效率。為了科學進行水下爆炸，相關工作人員引入了微差爆破技術，并取得了相應的效果。

微差爆破技術是通過炸藥分段起爆的方式，進行單響藥量的控制，每段起爆時間相距10ms以上，不僅減少了單響藥量的數量；還能使沖擊波峰值不會重復疊加，從源頭上控制了水下爆炸對于水工構建物的破壞，得到了相關工作人員的認同，并廣泛運用。

（2）氣泡帷幕技術。氣泡帷幕技術是一種通過阻隔傳播路徑從而減小水下爆破沖擊波危害的方法。

如圖2所示是發射孔示意圖，把一定數量的鋼管架設在爆破點與被防護對象之間。氣泡帷幕技術的主要工作原理是管體上會設置很多的發射孔，當爆破時，相關工作人員可以打開空壓機，使得管中的氣體排出，水涌入其中，形成了氣泡帷幕，不僅降低了沖擊波對于周邊環境的破壞力度，還保護相關工作人員的安全。

3.2 水下爆破對水生物的安全影響及控制

隨著我國漁業的不斷發展，人們對于海產品的需求逐漸增加，海產養殖業得到大幅度發展。目前，我國部分水下爆破區域與海產養殖之間的距離較近，水下爆破會對海產生存環境造成一定的影響。根據調查顯示，水下爆破所產生的沖擊波在水中傳播時，有些海洋動物對于沖擊波的感應度較強，沖擊波會使這類生物出現受傷、生長畸形或死亡的現象，對我國海洋養殖業帶來極大的破壞。因此，對水下爆破進行安全控制十分必要。

（1）改變傳統作業方式。目前，我國在進行巖石處理的過程中會采用膨脹劑破碎法、鑿巖作業、絞吸作業，這三種作業方式較為環保，對于環境污染較小，可以在大規模疏浚和回填項目絞吸船中使用，其環保價值大于水下爆破，具有極高的環保價值，但有時成本較高或實施難度大。

（2）使用低爆速炸藥和毫秒微差爆破。低爆速炸藥和毫秒微差爆破是根據環保要求進行了爆破技術創新，其水下爆破的能力與沖擊波小于傳統水下爆炸，做到了經濟、環保，降低了對于爆破周邊環境及動植物的破壞。

（3）驅趕爆區魚群。魚群是水下爆破周邊存在的主要生物群體，因此在進行水下爆破前應該對魚群進行驅趕，降低水下爆破對魚群的傷害。相關工作人員可以運用物體運動、撞擊、聲音等現象對魚群進行驅趕，然后在進行爆破，有助于降低水下爆破沖擊波對于魚群的沖擊。雖然在這個過程中，會有魚群因驅趕造成受傷或失去生命的現象，但是保護了大多數魚群的安全，降低魚群的損失。

（4）氣泡帷幕對爆區封閉性保護的方法。利用氣泡帷幕保護海洋生物保護的原理氣泡帷幕是為了將爆區中心一直到設計安全區內的海洋生物利用氣泡運動性現象將生物驅趕到安全區,然后制造爆區與安全區之間的隔離,從而形成封閉保護區域使得所有影響約束和控制在封閉區內。

4.結束語

在降低水下炸礁過程中爆炸的用害效應的影響中每種方法有一定局限性。如：簡單的改變作業方式并不是巖石預處理中解決工程建設需求與保護海洋生物要求之間矛盾的最終方法；采用微差爆破技術，爆破影響中雖然減少了直接死亡率，但是間接死亡、對魚卵和幼魚影響、變異和物種敷衍的明顯影響還是存在。科研人員和工程師們一直在致力提出解決問題的辦法，如：引進數碼電子雷管起爆技術來消除微差爆破的誤差，采用間隔消能爆破技術減少炸藥的使用量等，但使水下炸礁施工與環境保護和生態和諧還任重道遠。