內河航道水下炸礁鉆孔爆破技術研究

喻燦星，覃國杰，曾 麗

(湖南省航務工程有限公司，長沙 410009)

水下礁石爆破是工程爆破的重要組成部分。隨著水利水電項目以及港口和航運業的快速發展，水下礁石爆破和其他爆破作業越來越多地用于港口建設、航道疏浚等項目中。但是水下炸礁施工的周邊環境復雜、爆破技術難度較大、受水流影響控制較難，歷來是爆破施工的難點。

國內外許多學者探索并實踐了水下礁石爆破和海底工程爆破。李春軍等[1]針對水下爆破設計參數的多樣性和影響因素的復雜性，結合層次分析法和模糊數學綜合評價方法，建立了水下爆破最優設計方案模型，并成功應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，采用排間毫秒延時起爆網路，對港口巷道水下炸礁工程進行了實踐，其爆破效果良好，未對魚和其他水生物造成危害。汪竹平等[3]以內河航道擴建工程為例，討論了水下爆破有害效應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，孔內延時的爆破方案，對東莞水道整治工程進行爆破，取得良好的爆破效果。賀早亮等[5]采用數碼電子雷管，設計合理的延時時間以及爆破參數，使用逐孔起爆網路，成功實現對陸豐核電廠北導流堤工程的爆破。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境、陸域巖石與水下礁石的性質以及設備要求等情況，提出了切實可行的爆破方案以及防護措施，成果實施了巖土爆破、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取得了長足的進步，但是爆破工程的施工環境各不相同，在工程實踐中，往往有新情況和新問題的出現，仍有許多關鍵技術需要去研究和解決。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程中的關鍵技術。

1 工程概況

沅水浦市至常德296 km航道在凌津灘樞紐庫區內有麻伊洑的猴兒灘和柳林汊的施怡灘2個礙航灘險，其中施怡灘炸礁航道長約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、層褐紅色中風化角礫巖(較硬～堅硬)、黑色中風化板巖(較硬)。

施怡灘位于五強溪鎮下游約3.2 km，右岸為柳林汊村。爆破需保護建筑群主要集中在爆區中下游的右岸，上游進口段岸邊房屋有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境如圖1所示。

圖1 施怡灘炸礁爆破周邊環境Fig.1 Surrounding environment of Shiyitan reef blasting

2 爆破方案與水下鉆爆機理分析

2.1 爆破方案

為盡量加快爆破施工進度，確保破碎效果和減少爆破振動對岸上房屋的影響，根據待爆礁石附近的環境情況和巖石結構特點，擬對炸槽采取分段、分幅施工，巖層大于2 m的區域采用分層爆破，主爆區內采用逐孔分段、逐排延時起爆技術對礁石進行松動爆破。

2.2 水下炸礁爆破作用機理分析

2.2.1 水下爆破特點

雖然空氣和水都屬于流體，但是物理性質也有不同之處，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，爆生氣體產物的溫度可達300 ℃，爆炸初始壓力約為14 GPa。強間斷的沖擊波和水的擴散運動，并在數倍藥徑區內以球面的形式向外傳播，其速度可達數倍水中聲速(1 500 m/s)。隨后，爆炸生產的高壓氣體以氣泡形式繼續膨脹作功，使水快速擴散，并做慣性運動，因此導致氣泡壓力驟降而出現的稀疏波跟隨向外傳播，故造成水中爆炸作用場各點的沖擊波超壓迅速下降，呈指數衰減。沖擊波作用時間僅為毫秒量級(見圖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，爆源周圍的水開始向相反方向移動并壓縮氣泡。但是，由于水的慣性運動，即使達到靜態水壓平衡點后，也會繼續壓縮氣泡，然后氣泡又會因膨脹而對水體做功。這樣的往復循環將在水中形成多個脈動壓力。由于爆炸后爆炸性氣體產物的比重低于水的比重，氣泡在脈動過程中不斷上升到水面，直到到達水面并逸出為止[7-9]。

2.2.2 水下巖石爆破作用機制

水下巖體和陸地爆破之間的主要區別在于，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，在爆破過程中，巖體會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數量級，因此，巖石爆炸的沖擊波在水界面處產生的反射波能量要小得多。因此，在水下爆破過程中，反射拉應力對巖石的拉力破壞作用大大減弱。

其次，在水下爆破過程中，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，其產生的沖擊波、應力波和地震波的衰減速度要比陸地爆破緩慢很多倍。因此，水下巖體爆破產生的振動效果更強，破壞范圍更廣。

3 爆破參數設計與選取

1)炮孔直徑。由于施工環境復雜，原則上，炮孔主要以小孔徑、垂直孔為主，并且結合工程地質條件和鉆爆平臺施工特點，炮孔直徑取90 mm。

2)炸藥單耗。水下礁石爆破過程中，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，同時要確保孔底開挖面上根底不殘留，以及爆堆的大塊率不宜過高。本炸礁工程各排炮孔呈梅花形交錯布置(見圖3)。

圖3 炮孔布置Fig.3 Layout of blast holes

根據孔距計算公式：

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，避免不必要的麻煩，孔排距根據臺階的高度進行設置。①臺階高度H=2～4.3 m時，取炮孔間距a=2 m，炮孔排距b=2 m；②臺階高度H≤2 m時，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。同時水下鉆爆施工出現欠挖時，補爆難度比較大，并且費工費時。為保證一次施工能達到設計標高，取超深Δh=1 m。

4 鉆孔、裝藥與起爆

4.1 鉆孔

根據本工程施工環境、結合以往施工經驗采用ZQ100型航道潛孔鉆機，利用先進的水上拼裝式作業平臺進行水下炸礁鉆孔施工作業(見圖4)。

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

通過采用GPS定位技術控制水下炸礁過程中炸礁船的位置，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。拋錨船的工作過程由錨船艇協助。

在平臺船鉆孔施工中，首先將套管安裝在孔位，然后將套管中的鉆頭開始降低到礁石上，然后進行鉆孔施工。根據炮孔的設計深度進行鉆孔，每次鉆孔完成后，必須立即取出鉆孔工具，并進行驗孔。然后進行裝填炸藥、起爆以及填塞，并且將導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。在施工的過程中要注意相鄰的藥包應緊密連接，以確保藥包能夠穩定傳爆。然后根據炸藥的總長度將導爆管雷管插入到炸藥的相應位置(通常為炸藥的1/3處)，并用密封膠帶將其包裹起來或用綁扎帶將其捆綁扎牢。

雷管的數量根據孔的深度確定，本項目中使用1發雷管。用竹片夾住藥袋，將炸藥通過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。根據孔的深度不同，在孔口留一定距離用于填塞。該項目使用的填塞物長度在0.5～1.0 m之間，并且填塞物使用沙子或碎石，裝藥結構如圖5所示。

圖5 裝藥結構Fig.5 Charge structure

4.3 起爆網路

本工程選擇導爆管起爆網路，采用孔間延時與排間延時相結合的逐孔起爆網路(見圖6)。

圖6 起爆網路Fig.6 Detonation network

該網路通過孔內裝高段位雷管MS12～MS15，孔外裝較低段位雷管MS5，實現逐孔起爆。孔外4發MS5接力傳爆時間為110×4=440 ms，而孔內第一響雷管MS12的延時時間為550 ms，孔外4發MS5接力傳爆完110 ms后孔內雷管才起爆，保證了網路起爆的可靠性。

5 爆破效果分析

5.1 爆堆形態

爆破后，進行爆后檢查，發現所有的炮孔全部被引爆，沒有盲炮或者殘炮，并且礁石破碎塊度均勻，無任何淺點，比較便于鏟裝，說明爆破取得了良好的效果(見圖7)。

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

5.2 爆破振動監測

1)測點布置。為了確保爆區中下游右岸建筑群的安全，使其不受爆破振動影響，在建筑群相應位置布置測點(見圖1中A～D)，布置專用設備TC-4850，對右岸建筑進行爆破振動監測,各測點與炸礁邊的距離如表1所示。

表1 振動監測測點布置

2)振動監測分析。測點A是離爆源最近的測點，其典型振速曲線如圖9所示。

圖9 測點A振速Fig.9 Vibration velocity of measuring point A

從圖9中可以看出各個方向的振速會出現若干高峰，但是隨著時間的推移，振速逐漸衰減為零。合振速最大值為0.977 cm/s。其他測點的合振速最大值如表2所示。

表2 各個測點合振速最大值

根據中華人民共和國國家標準《爆破安全規程》(GB 6722-2014)規定[10-11]，對一般民用建筑物安全允許振動速度最低值為1.5～2.0 cm/s。從表2中可知，各個測點的振速都低于1.50 cm/s，因此爆破產生的振動對周邊的一般民用建筑物不會造成有害影響。

6 結語

施怡灘水下炸礁爆破塊度較為破碎，且均勻，有利于后續的清渣工作。施怡灘水下炸礁對周邊的一般民用建筑物未造成有害影響，其爆破是成功的。本工程的爆破孔網參數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。