船塢改擴建工程圍堰拆除爆破技術

管志強，張海平

(1.大昌建設集團有限公司，浙江 舟山 316000；2.浙江凱磊爆破工程有限公司，浙江 舟山 316021)

1 工程概況

1.1 工程地質及爆破環境

改擴建船塢位于舟山市六橫鎮東浪咀，船廠始建于2002年，是目前國內船舶修理領域中最大的民營企業。擁有3個生產基地、10個泊位、4座船塢，海岸線長約3 600 m。舟山群島新區政府為減少臺風危害，決定實施“六橫鎮無動力船舶防抗臺安全避風池項目”，項目主要利用船廠現有的1號船塢(長369 m、寬54 m、深12.4 m)進行改擴建，建設一個長610 m、寬90.8 m、深12.4 m的避風池和配套堆場，建成后能同時容納4艘20萬t船泊進入避風，達到平時一塢同時修多船，臺風季節用于船舶防臺的效果。

1號船塢改擴建圍堰拆除爆破工程，位于船塢擴建后塢口。圍堰由東西二部分組成，西側圍堰由新建的鋼管鋼筋混凝土嵌巖樁、頂部縱橫梁、水泥攪拌樁止水擋墻及底部巖坎組成。需拆除圍堰結構部分總長70 m，寬10 m，深度至黃海標高-11.5 m。東側圍堰為改造前1號船塢寬度范圍，利用原塢門(箱型鋼結構)做擋水墻。

工程地質：巖土層上覆地層自上而下為第四系全新海相沉積的淤泥質黏性土，碎石以及殘坡積的砂礫夾黏土等。巖體頂板為殘坡及含碎石黏土和強風化含角礫玻屑(弱)熔結凝灰巖，平均厚3.00 m，熔結凝灰巖，塊狀構造。

拆除爆破周邊環境(見圖1)：待拆除圍堰東側距原1號船塢塢墩約40 m。東南為原2號船塢塢口，西南為新擴建船塢塢口，圍堰內側一排樁距塢門底板外緣水平距離2.15 m。西南側圍堰緊靠新建塢墩及新建海上作業平臺。距水泵房約38 m。圍堰西側距2號碼頭約50 m。圍堰北側為大海。

圖1 爆破區域周邊環境

1.2 爆破范圍及工程量

1)圍堰頂部聯系梁：樁基頂部采用鋼筋混凝土縱橫梁連接。縱梁斷面為1.5 m×1.5 m和1.5 m×1.8 m 的2種規格，配主筋Φ22～25，總長約200 m。橫梁斷面為1.8 m×1.8 m，配主筋Φ22～25，配筋率均小于1%，總長約140 m。其混凝土標號為C35，保護層厚70 mm，梁頂標高為+2.0 m，需爆破縱橫梁總量約1 000 m3。

2)混凝土嵌巖灌注樁：需拆除圍堰區域樁基共86根，約1 300 m3。樁基直徑Φ1 000的14根，Φ1 200的72根，長度10～16 m(部分幾根達到17～19 m)，樁基入巖深度為3～4 m，混凝土為C40，主筋由26～28根Φ32鋼筋組成，螺旋筋為Φ10@200，箍筋Φ25@2 000，螺旋筋、箍筋和主筋采用焊接，每根樁身外包6 mm厚鋼護筒，樁身保護層厚70 mm。單根樁基最大質量達到57 t(水下質量約36 t)。

3)混凝土攪拌樁止水擋墻：圍堰內側經過填土后，再用水泥做攪拌，形成土質、水泥攪拌止水擋墻，強度相當于混凝土C10，擋墻凈寬約4.0 m，高度約7～11 m，底部與基巖連接，長度約75 m，需拆除量約為2 400 m3。

4)基巖爆破區域：塢口按設計要求開挖至-9.5 m標高，需爆破基巖約400 m3，為了止水墻充分解體，圍堰能徹底倒塌，其開挖標高為-5.8～-15.0 m，開挖面積約400 m3，基巖爆破方量約1 500 m3。

5)圍堰外側：10 m內淤泥開挖至-10 m標高，開挖量約2 400 m3。

待拆除圍堰結構及塢口平面如圖2所示。

注：陰影區域為水泥攪拌樁；①～為樁基縱向編號；～?為樁基橫向編號。

2 爆破方案

2.1 工程特點及難點分析

1)圍堰拆除地質資料不詳。基巖面標高、樁基嵌巖深度及淤泥層厚度只能參考施工單位打樁記錄所得，沒有詳細的鉆探資料及掃海地形圖。

2)爆區周邊環境復雜。圍堰內側樁基離新建塢口及原塢口底板外邊緣只有1.15 m，西南側圍堰～軸線段，緊靠新建塢墩及新建海上作業平臺，特別是新建塢門處于擴建后的船塢內。爆破既要使得整體圍堰中樁基頂部與聯系梁及止水擋墻充分解體，便于清理打撈，又要對爆破振動、水流、涌浪、飛散物和水擊波等有害效應實施嚴格控制，確保附近新建平臺、塢墩、塢口底板、水泵房、新建船塢塢門及原船塢的結構等設施不受破壞。

3)圍堰結構復雜。圍堰組成結構復雜，主體結構由嵌巖樁、樁頂聯系梁、水泥攪拌樁擋水墻組成，嵌巖樁外包6 mm鋼護筒，水泥攪拌樁擋水墻兩側設10 mm鋼板墻。

4)預處理工程量大。①因聯系梁鋼筋很密，無法對樁基實施鉆孔，每個樁基在鉆孔前，要對聯系梁進行取芯成孔，且聯系梁高度在1.5～1.8 m，所以取芯成孔難度很大；②嵌巖樁外包6 mm鋼護筒，爆破前必須沿樁基軸線對鋼護筒實施水下破口切割；③即使實施了圍堰底部整體基巖爆破，但爆破后需實施水下樁基(主要是圍堰內側部分樁基)鋼筋切割及鋼護筒切割，圍堰東西側樁基由于緊挨保護體，爆后如無法起吊，則要實施水下切割；④～?軸中部(擋水墻內)夾有9根1 200 mm灌注樁，無法實施水下鋼護筒切割，樁基爆破破碎難度大。

5)爆破網路連接復雜、爆破器材質量要求高。因爆區周邊環境復雜，爆體分散，爆破時須嚴格控制單段起爆藥量，需孔內分段，采用逐孔接力式起爆網路才能滿足單響藥量控制要求；鋼筋混凝土聯系梁斷面大、鋼筋密，布孔多，聯系梁與樁基連接、攪拌樁止水擋墻與樁基及二側鋼板之間、底部斜孔與樁基垂直孔底部交叉，造成復雜的延時起爆網路；圍堰拆除爆破一旦出現盲炮很難處理，必須采用高精度、高質量的雷管、炸藥等爆破器材和可靠的爆破網路，確保萬無一失。

6)爆破安全防護成本高。爆破前需對塢墩、塢底板、水泵房、水上平臺等離爆區較近設施進行嚴密防護。為防止水流和涌浪的破壞，對塢內新建的塢門必須采取纜繩固定措施。

7)施工工期緊、強度大。爆破施工及塢口水下清理、清碴、水下樁基吊裝及部分樁基切割工期只有3個月，而且塢口開挖及塢口混凝土施工交叉施工1個月時間。

2.2 方案的比較與選擇

根據待拆除圍堰的特點難點、結合周邊環境條件綜合考慮方案的選擇，筆者多年來總結的船塢圍堰爆破設計施工方案選擇和施工流程如圖3所示，經過十幾年的類似工程檢驗，用于方案比選，具有非常好的效果[1]。

圖3 船塢圍堰拆除爆破設計施工流程

2.2.1 爆破前的預處理

1)為了達到梁與樁基頂部充分解體目的，對樁基頂部以下1.5 m處鋼護筒進行預切割處理，消除鋼護筒對該段樁基爆破的夾制力。

2)樁基打孔需經聯系梁，由于聯系梁主筋密布，鉆機打孔無法穿越，該段成孔采用取芯方案，切割主筋預成孔后，再用潛孔鉆機鉆孔。

3)對圍堰內側非結構性鋼結構進行預拆除，包括樁基鋼護筒、擋水墻外側鋼板。圍堰西側、?軸的42#、43#、45#、47#及東側緊挨老塢門的75#樁基底部不爆破，后期采取水下切割處理。70#、74#樁基在爆破前實施預處理。每根樁基及鋼板設置浮標，便于后期樁基打撈等工作。

2.2.2 爆破時船塢內是否充水的比選

爆破時船塢內是否充水的優缺點比較如表1所示。

表1 爆破時船塢內是否充水的優缺點比較

綜合分析、比較，設計選擇低潮位，船塢內充水起爆的爆破方案。

2.2.3 圍堰外淤泥清除

爆破前挖泥船對距圍堰外部10 m范圍內實施清淤至-10.0 m，可有效減少樁基爆后整體吊裝的難度。

2.2.4 爆破方案選擇

本工程采用“豎孔和斜孔結合、塢內充水、低潮位一次性起爆的方案”。采用豎向淺孔爆破使梁與樁解體分離，采用豎向深孔爆破使樁基底部松動和破碎止水擋墻，采用傾斜深孔爆破處理水下巖坎。為減小爆破振動影響以及樁底和巖坎爆破時爆破漏斗對塢口可能產生的破壞，在圍堰巖坎與塢體之間設置預裂爆破孔。爆破后采用起重船吊裝樁基和破碎效果不佳的聯系梁，部分不能爆破的樁基采用水下切割后起吊。采用長臂挖掘機和挖泥船清理水下巖塊和淤泥。

圍堰體爆破聯系梁采用φ42 mm孔徑，打垂直孔，孔深1.2～1.5 m。樁基及擋水墻采用φ90 mm打孔，孔深6～9 m。底部巖坎爆破范圍為～?軸及②～軸區域，采用φ115 mm打孔，斜孔布置3～4排孔，孔底標高至-15.0 m。為降低圍堰拆除爆破振動對船塢底板、塢墩及水上平臺、水泵房等構筑物的影響，在塢底板外沿與圍堰內側之間設置預裂孔，長度約52 m，預裂孔間距0.8 m，孔徑φ115 mm，深度5 m。

3 爆破參數及起爆網路

3.1 爆破參數設計

3.1.1 聯系梁拆除爆破參數

聯系梁為鋼筋混凝土結構采用淺孔拆除爆破，φ42 mm的孔徑，藥卷采用φ32 mm二號巖石乳化炸藥。為了使鋼筋與混凝土解體充分、梁與樁基鋼筋得到分離，以便于后歩清理中鋼筋回收方便，爆破參數設計中考慮在不同部位設加密孔、分散裝藥爆破方案。爆破參數和縱橫梁炮孔布置如表2和圖4所示。

表2 縱橫梁和擋水墻爆破參數

圖4 縱橫梁炮孔布置

3.1.2 樁基拆除爆破參數

樁基采取頂部與聯系梁分離，底部松動爆破，后期水下拔吊的施工方案，其中有8根因離保護目標太近，底部不爆破，后期采取水下切割處理。

1)鉆孔及鋼護筒處理。樁基鉆孔直徑為φ90，垂直鉆孔到底至樁基底部基巖，上部從聯系梁底部開始向下1.5 m，切割樁基鋼護筒。

3.1.3 攪拌樁止水墻爆破參數

水泥攪拌樁止水擋墻鉆孔直徑90 mm，炮孔傾角90°，炮孔孔距2.5 m，炮孔排距1.9 m。

炮孔底部高程應控制在-9.0 m內，隨圍堰底部巖坎斜孔及基巖坡面情況而變化，炮孔深度8～11 m。填塞長度2.5 m。采用φ70 mm乳化炸藥，線裝藥密度3.85 kg/m。攪拌樁止水墻炮孔為30個孔，總藥量762 kg。

3.1.4 圍堰底部巖坎爆破參數

主爆孔采用傾斜鉆孔(見圖5)，孔徑φ115 mm，傾角取圍堰外水下基巖坡面的平均角度，鉆孔傾角為25°～56°，炮孔布置矩形。孔距2.5 m，排距2.0 m(孔底最大距離)，炮孔底部高程控制在-16 m內，炮孔長度隨圍堰底部基巖坡面情況和排數而變化。采用φ90 mm巖石乳化炸藥，線裝藥密度7 kg/m。底部巖坎爆破裝藥量870 kg。

圖5 圍堰管樁及巖坎鉆孔典型斷面

3.1.5 預裂孔爆破參數

為減小爆破振動影響以及樁底和巖坎爆破時爆破漏斗對塢口可能產生的破壞，在圍堰巖坎與塢體之間設置預裂爆破孔，距離塢門底板外沿水平距離大于0.8 m。預裂爆破參數：傾角90°，孔徑φ115 mm，孔距0.8 m，線裝藥密度0.5 kg/m，孔底標高-16.0 m。預裂爆破裝藥量130 kg。

3.2 爆破網路設計

3.2.1 爆破器材

本工程選用乳化炸藥，高精度毫秒導爆管雷管及防水導爆索。

1)圍堰拆除爆破對爆破器材的抗水性、耐壓性能均有較高要求，根據舟山地區類似工程經驗，炸藥生產廠家可以定做有塑料防水外殼，帶螺旋接口的藥卷，能夠滿足工程施工要求。

2)圍堰拆除爆破一旦出現失誤，很難補救，技術方案必須確保安全可靠。為提高爆破網路的傳爆可靠度，圍堰爆破時孔內選用奧瑞凱(ORIKA)EXCEL長延時非電雷管，孔間、排間延時采用奧瑞凱(ORIKA)EXCEL地表延時非電雷管。該雷管的特點是延時精度高、防水性能好，與傳統非電雷管相比具有較高的安全性和可靠性。

3)爆破器材的防水試驗：選擇不小于10 m水深的位置，將本次爆破所使用的炸藥和導爆管雷管等放入其中。浸水時間不小于圍堰爆破裝藥在水中浸泡時間，隨后拿出觀測并在類似水深中起爆，試驗結果應保證炸藥爆轟正常。

3.2.2 爆破網路

根據類似工程施工經驗，該圍堰爆破采用圍堰東端向西端單向傳爆，按爆破對象的不同，依次為縱橫梁、樁基結構、止水墻結構及圍堰底部毫秒延時爆破。考慮爆破地震波、水擊波等有害效應的影響，單次起爆藥量受到限制，縱橫梁、樁基按縱軸線分區分段多孔捆綁，止水墻及巖坎分段逐孔起爆，起爆順序由東向西，先縱橫梁后止水墻最后底部巖坎爆破。

在爆破過程中，借助于高精度雷管的準確延時，通過孔內雷管與地表雷管的合理時間組合，使炮孔由起爆點按順序依次起爆，每個炮孔的起爆都是相對獨立的，當相鄰炮孔的延時選取合理時，相鄰炮孔間的礦巖在移動過程中會發生相互碰撞擠壓，使巖石進一步破碎，從而保證了較好的破碎效果，也降低了爆破有害效應。

起爆網路聯接形式：炮孔內一律裝奧瑞凱(ORIKA)EXCEL長延時高精度電雷管，延時時間600 ms，各爆破孔起爆雷管具體布置為：①縱橫梁每孔裝1個起爆體。②樁基松動爆破，每個需爆破的樁基頂部和底部各裝一個起爆體，比縱橫梁延后一段起爆。③止水墻及巖坎每孔裝2個起爆體。④孔間(或區段)延時采用奧瑞凱(ORIKA)EXCEL 42 ms地表延時雷管。⑤排間(或區域)延時采用奧瑞凱(ORIKA)EXCEL 65 ms地表延時雷管。⑥對巖坎爆破的網路實施固定保護，以防塢內放水時對網路的沖擊破壞。⑦預裂爆破網路，根據周邊保護對象的振動控制標準要求，采用分組分段起爆，各組之間則分別用導爆管毫秒雷管接力傳爆，接入主網路。⑧整個網路連接完畢，最后綁扎2發電雷管，用導線引至起爆站，用高能起爆器起爆。圍堰爆破起爆網路如圖6所示。

圖6 圍堰爆破起爆網路

4 爆破安全

4.1 爆破有害效應的安全校核

4.1.1 爆破振動

船塢圍堰拆除(包括水下巖坎爆破)過程中，主要保護對象是距38 m的新建水泵房、50 m的碼頭、2.15 m的塢門底板和40 m的西側塢墩。爆破振動安全閾值的設定：參考類似工程經驗水泵房和碼頭選擇5 cm/s，塢門底板和塢墩選擇20 cm/s[2]。

選用《爆破安全規程》推薦的預測公式[3]：

(1)

式中：v為質點最大振動速度，cm/s；K、α為與爆區地形地質有關的系數和衰減系數，參照舟山海域類似工程，對于水泵房和碼頭分別取70和1.8，對于塢底板和塢墩分別取55和1.7。

除第1排樁基底部裝藥爆破振動略超閾值外，其余滿足要求。經過討論，認為塢墩和塢底板屬于大體積鋼筋混凝土，計算值略大于閾值不會有大的破壞性影響。

縱橫梁由于處在懸空爆破位置，其爆破振動通過樁基傳入底部巖坎后再實施傳播，相應的爆破振動對塢口的設施影響很小，振動預測與監測如表3、表4所示。

表3 爆破振動預測

表4 爆破振動監測

監測結果顯示有部分測點數據超過設置的閾值，但從爆破后現場檢查和船廠半年多的運行看，沒有對周邊結構造成破壞。

4.1.2 爆破水擊波

水擊波主要考慮樁基底部爆破、止水墻爆破和巖坎爆破對水下設施塢墩和塢底板的影響。預測公式采用Kirkwood公式[4]：

(2)

式中：pm為水擊波峰值壓力，MPa；Q為最大單段藥量，kg；R為藥包中心到保護對象距離，m。水擊波預測結果如表5所示。

表5 爆破水擊波預測

水下鉆孔爆破，水中沖擊波的峰值壓力將大大降低，約為水中爆炸的10%～15%[5]。塢墩、塢口底板混凝土為重力式結構整體，其C30混凝土抗壓強度30 MPa，均遠大于最大沖擊波計算壓力，符合安全要求。

4.1.3 爆破飛散物

爆破飛散物主要來自縱橫梁爆破時的混凝土碎塊。鋼護筒樁大多在水下，且上部有縱橫梁。巖坎部位爆破時水深較大，不會產生飛石。根據《爆破安全規程》規定[3]淺孔爆破安全距離不小于300 m，陸上警戒范圍設置為300 m。海上警戒區對船只警戒范圍為500 m，對人員警戒范圍確定為1 000 m。

4.2 保護對象的安全防護

1)塢墩的保護措施。考慮到塢墩水上部分緊挨縱橫梁爆破體，塢墩側面(朝向圍堰水上部分)采取掛竹排防護。

2)水泵房的保護措施。在水泵箅子板上(進水口)覆蓋5 mm厚鐵板，同時加蓋沙包。

3)船塢塢門底板保護。為防止圍堰爆破體傾倒后砸向塢口底板，同時考慮后期清淤方便，在圍堰拆除爆破前，對新建塢門底板進行防護，采用第①層按1.5 m×1.5 m點式放置沙包，第②層放置6 mm厚鋼板與點式沙包上，最后在鋼板上堆壓0.5 m厚沙包。鋼板上應預先設置吊鉤及浮標，以便后期打撈。

4)爆破網路保護措施。圍堰上部炮孔孔口是爆破最易產生飛石的位置，對整個爆破網路威脅較大。在防護施工時，特別注意對爆破網路的保護，圍堰炮孔孔口可用竹排和沙袋覆蓋。圍堰底部巖坎爆破的網路拉至水面進行統一連接，并設置固定架子放置線路。

5 爆破效果與結語

5.1 爆破效果

2019年4月28日13∶58起爆。爆破后，圍堰上部縱橫梁與鋼護筒連接處以及縱橫梁鋼筋和混凝土分離效果明顯，打撈清渣完畢，塢門順利關閉，爆破前后效果如圖7所示。

圖7 爆破前后效果對照

5.2 結語

1)爆破振動監測顯示個別數據超過設定的安全閾值，但未見塢口設施破壞。該類爆破有待進一步積累數據，以便將來設定更加合理的爆破振動安全閾值。

2)此船塢圍堰屬于老船塢擴建改造工程中的臨時擋水構筑物，在國內已經報道的船塢圍堰拆除爆破過程中非常少見。本工程的成功實施拓展了拆除爆破在各類圍堰拆除工程中的應用。

3)本次爆破因某些原因沒有進行水擊波監測，非常可惜。新舊兩個鋼結構塢門分別在塢口和塢內，為水擊波觀測提供了非常好的工況條件。