獨(dú)立墩近距離超大水深基槽炸礁施工技術(shù)研究

曹現(xiàn)云，胡辰陽，鄭成鋒

（山東港灣建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 日照 276800）

1 工程概述

1.1 工程概況

本項(xiàng)目位于山東港口煙臺港西港區(qū)30 萬噸級原油碼頭二期工程。新建1 個(gè)30 萬噸級原油碼頭，設(shè)計(jì)吞吐量為每年2800 萬噸，設(shè)計(jì)通過能力為每年3310 萬噸。碼頭下方基礎(chǔ)墩采用炸礁工藝的基槽共有11 個(gè)。由岸邊引橋開始到碼頭前沿線按照墩的功能性劃分：2 個(gè)引橋墩、1 個(gè)消控平臺、1 個(gè)工作平臺、2 個(gè)靠船墩、5 個(gè)系纜墩。與一期工程601 泊位相連且與其北側(cè)1#系纜墩共用，全長401.00m。

1.2 工程特點(diǎn)分析

（1）與原有泊位距離近。新建碼頭與原來碼頭間隔距離較近。施工過程中不能影響相鄰601 泊位生產(chǎn)，這一特點(diǎn)決定了不能采用傳統(tǒng)的基槽挖泥施工技術(shù)進(jìn)行基槽的施工。為了能夠確保在碼頭施工過程中601 泊位生產(chǎn)繼續(xù)，在原油碼頭基槽施工過程決定采用爆破工藝。施工工藝圍繞著生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行，起爆作業(yè)只能在生產(chǎn)船舶的離靠間歇期中進(jìn)行，為了提高施工效率，利用生產(chǎn)船舶靠泊期間進(jìn)行成孔作業(yè)。

（2）施工水域水深流大，有效作業(yè)天數(shù)少。本工程施工海域水深約-30m，附近水流流速較大，能夠作業(yè)天數(shù)比較少。601 泊位平均船期為2.5 天每次，最長可達(dá)8 天以上，爆破施工每次都在601 泊位船舶停靠時(shí)即開始成孔作業(yè)，充分利用靠泊時(shí)間進(jìn)行成孔作業(yè)。船舶離港后立即進(jìn)行爆破。

2 基槽炸礁施工方案

2.1 工藝流程

根據(jù)工程情況，基槽采用炸礁船水下鉆孔爆破方法進(jìn)行施工。本工程所處位置為在建碼頭水域，施工船舶提前到達(dá)施工區(qū)周邊等待，施工前應(yīng)提前與現(xiàn)場調(diào)度部門溝通、協(xié)調(diào)，計(jì)劃先進(jìn)行引橋基槽炸礁施工，完成后再進(jìn)行碼頭基槽炸礁施工。

2.2 炸礁施工操作要點(diǎn)

2．2．1 準(zhǔn)備階段

由拖輪拖帶施工船舶進(jìn)入指定的施工水域后，由起錨艇按照錨位依次將施工船舶的四口八字錨依次拋入相關(guān)水域內(nèi)。工程技術(shù)人員事先將GPS 的船形參數(shù)、炮孔設(shè)計(jì)圖紙（CAD 圖形交換文件）導(dǎo)入到施工船舶中央控制室的電腦中。然后在測繪應(yīng)用軟件中打開所對應(yīng)的工程文件，根據(jù)電腦屏幕所指示的定位炮孔與船形參數(shù)的相對關(guān)系在中央控制內(nèi)調(diào)整施工船舶的四根錨纜，直到船舶的定位誤差小于200mm 時(shí)鎖定錨機(jī)，固定船位。

船位固定以后，鉆孔所在船位的相對位置就隨之確定下來，現(xiàn)場鉆機(jī)手操控鉆機(jī)走臺上的衍車按鈕，前后移動走臺進(jìn)行鉆孔定位。炮孔成孔作業(yè)采用高風(fēng)壓沖擊回轉(zhuǎn)無巖心鉆進(jìn)方式鉆進(jìn)，鉆機(jī)型號為“內(nèi)燃高風(fēng)壓船用鉆機(jī)（QJN165M)”，空壓機(jī)型號為“移動式螺桿空氣壓縮機(jī)組（SHP65oAWCU）”。

當(dāng)鉆孔達(dá)到預(yù)定深度并經(jīng)過充分地洗井后提升鉆具，提升后進(jìn)行孔深驗(yàn)證，用皮尺丈量孔深，當(dāng)孔內(nèi)沉渣小于200mm 時(shí)滿足質(zhì)量要求進(jìn)入裝藥工序。

2．2．2 炸藥加工與裝藥

藥包加工首先將兩發(fā)同段的導(dǎo)爆管雷管用膠布將連結(jié)端纏繞固定，用竹簽劃破藥卷將其插入其中并用棉線繩挷扎固定做起爆藥包，按照裝藥量的多少依次將藥卷和起爆藥包（條形藥包底部1/3 處）裝入做成條形藥包并挷扎牢固。

裝藥時(shí)需兩人托起條形藥包輕輕從孔口放入，然后扯起繩索慢慢地放下并輕輕地提拉以防卡塞，再次用皮尺丈量藥包沉降位置，藥包到達(dá)井底抽出提引繩索。根據(jù)不同的施工區(qū)域、不同的防護(hù)對象及防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，可分別采用分組并聯(lián)、組間串聯(lián)或單孔微差起爆等不同的網(wǎng)絡(luò)連結(jié)方式。起爆具見圖2所示。

當(dāng)施工鉆孔數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，起爆網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連結(jié)完畢，需要移船警戒，施工船舶需要移船離開爆破施工區(qū)進(jìn)行安全避讓；同時(shí)作業(yè)區(qū)的四周需要進(jìn)行安全警戒，以防水上水下的作業(yè)船舶及人員誤入爆區(qū)產(chǎn)生危險(xiǎn)，所以要根據(jù)周圍的作業(yè)環(huán)境不同設(shè)置警戒點(diǎn)進(jìn)行安全警示，以保障人員及設(shè)備的安全。

當(dāng)施工船舶及作業(yè)人員撤離危險(xiǎn)區(qū)以后，起爆網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連結(jié)并檢查，具備起爆作業(yè)條件時(shí)由現(xiàn)場總指揮發(fā)布起爆指令實(shí)施起爆作業(yè)。

2．2．3 起爆完成后檢查

起爆作業(yè)完成后施工船舶要移回爆區(qū)對本次爆破的起爆網(wǎng)絡(luò)連線進(jìn)行檢查：檢查導(dǎo)爆管爆轟指示劑是否已經(jīng)顯色，如果顏色沒有改變說明導(dǎo)爆管雷管有拒爆現(xiàn)象，需重新連線進(jìn)行二次起爆。

爆區(qū)檢查結(jié)束后確認(rèn)爆區(qū)內(nèi)所有的導(dǎo)爆管雷管均以引爆，本次起爆作業(yè)已經(jīng)完成，所有的施工船舶及附近的水上水下作業(yè)人員均可以重新進(jìn)入各自區(qū)域進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)發(fā)布警戒解除信號告知。

圖1 起爆具圖

3 炸礁爆破原理及參數(shù)選取

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，如果爆破施工每次都在601 泊位船舶停靠時(shí)即開始成孔作業(yè)，每次起爆作業(yè)的總藥量將隨之增加，炸藥在水下存放時(shí)間也將隨之延長。這樣會導(dǎo)致乳化炸藥在水下存放的時(shí)間延長，這將會導(dǎo)致炸藥感度下降而有可能產(chǎn)生拒爆；因連續(xù)施工時(shí)間延長將會使藥量增加而產(chǎn)生殉爆。因此提高乳化炸藥在水下存放的時(shí)間和控制殉爆是本施工工藝的關(guān)鍵所在。

3.1 炸藥性能

炸藥是能在極短時(shí)間內(nèi)劇烈燃燒的物質(zhì)，是在一定的外界能量作用下由自身的化學(xué)能而發(fā)生爆炸的物質(zhì)。在一般情況下，炸藥的化學(xué)及物理性質(zhì)穩(wěn)定，但只要有較強(qiáng)的能量激發(fā)，炸藥就會對外界進(jìn)行穩(wěn)定的爆轟式作功。同時(shí)能釋放出大量的熱能并產(chǎn)生高溫高壓氣體，對周圍物質(zhì)進(jìn)行破壞、拋擲、壓縮等作用。炸藥的爆炸性能主要有感度、威力、猛度、殉爆、安定性等。

乳化炸藥是一種油包水型的乳膠狀含水工業(yè)炸藥，具有防水性，但是隨著浸水時(shí)間的延長其感度也將隨之降低，在浸水時(shí)間不變的情況下，水壓增加將會使感度下降加劇。在基本上不改變爆破工藝及大幅度提高爆破成本的情況下我們引進(jìn)起爆具，利用起爆具對爆轟波的放大作用來引爆感度衰退的乳化炸藥，從而提高其準(zhǔn)爆性。

3.2 孔間殉爆

水下鉆孔爆破殉爆的主要原因是先期起爆的炮孔沖擊波借助于周圍的介質(zhì)（土、巖、水）的相互作用并向四周傳播，在傳播過程中隨著距離的增大并迅速地衰減，但到達(dá)相鄰炮孔其沖擊波超壓值ΔP 仍大于或等于被發(fā)爆炸物的臨界值時(shí)，而引起相鄰炮孔中藥包繞開傳爆網(wǎng)絡(luò)而爆炸。殉爆可以發(fā)生孔間或排間，傳導(dǎo)介質(zhì)主要是巖土（孔間、排間）及水（藥包與孔壁間）。

沖擊波超壓值（ΔP）通常表示為：ΔP=KQ/R；

式中：ΔP 沖擊波超壓值10Pa，K與介質(zhì)條件有關(guān)的常數(shù)（土、巖、水……）、藥量（kg）、R 距離（m）。

3.3 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

炸藥在爆炸時(shí)大部分能量將用于破碎巖石、移動或拋擲，只有少部分能量對周圍的介質(zhì)引起振動并以波的形式向外傳播，于是就形成了爆破地震波和水中沖擊波，爆破地震波安全允許指標(biāo)執(zhí)行《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）國家標(biāo)準(zhǔn)。

在同一施工場地中，爆破參數(shù)是經(jīng)過爆破試驗(yàn)并通過優(yōu)化而獲得的，因此，孔網(wǎng)參數(shù)（孔距、排距、孔徑、藥徑、炸藥單耗、線裝藥量、超深、孔深、單孔裝藥量）是固定的。也就是說單孔裝藥量和孔排距是固定的，項(xiàng)目部所說的殉爆控制是指將殉爆控制在一定范圍內(nèi)，在這一范圍內(nèi)即使產(chǎn)生殉爆其危害程度也是在安全允許的。從這一理論出發(fā)，在爆破參數(shù)不變的情況下，通過調(diào)整施工面積的大小來改變裝藥量（Q），改變爆破沖擊波作用距離（分區(qū)間隔R）來控制孔間或排間殉爆。

3.4 安全驗(yàn)算時(shí)參數(shù)的選取

一期原油碼頭601 泊位1#系纜墩距爆區(qū)最近、輸油管線抗震強(qiáng)度最低，均為此重點(diǎn)防護(hù)對象。

通過本區(qū)的爆破試驗(yàn)獲知：場地爆破的振動頻率為10Hz＜f ≤50Hz，擬合計(jì)算后k 取200、α 取160。

601 泊位1#系纜墩主體結(jié)構(gòu)為“重力式沉箱”，按“新澆大體積混凝土（C20）”齡期在7d～28d 考慮，通常取V=8.0cm/s，安全起見按V=5.0cm/s 設(shè)防；輸油管線為架空鋼結(jié)構(gòu)，按一般民用建筑物進(jìn)行防護(hù)，取V=2.0cm/s。

3.5 安全驗(yàn)算

式中R—爆破振動安全允許距離，m；

Q—炸藥量，齊發(fā)爆破時(shí)為總藥量，延時(shí)爆破為最大同段藥量（殉爆時(shí)為總藥量），kg；

V—保護(hù)對象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm/s；

K、a—與爆破點(diǎn)到保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

下表為601 泊位1#系纜墩邊緣、輸油管線中心距離二期碼頭爆破施工區(qū)的爆心距（安全距離）與允許同段藥量（齊發(fā)藥量、殉爆藥量）關(guān)系一覽表（表1)。

表1 安全距離與允許藥量關(guān)系表

3.6 殉爆控制試驗(yàn)

在遠(yuǎn)離601 泊位及原油管線的1#系纜墩，通過改變分區(qū)大小、分區(qū)間隔對本區(qū)殉爆距離和藥量進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對于本區(qū)所用的乳化炸藥在本區(qū)的爆破介質(zhì)條件下，殉爆藥量與距離存在以下關(guān)系(表2)。

表2 殉爆控制間距與藥量的關(guān)系

在不同的分區(qū)間隔下，采用臨界藥量時(shí)區(qū)間殉爆偶有發(fā)生，采用安全藥量時(shí)未曾發(fā)生。

由此，我們將根據(jù)爆破基礎(chǔ)墩所在的位置與防護(hù)對象的最近距離、防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)來確定安全藥量（QA），再根據(jù)安全藥量所對應(yīng)的分區(qū)間隔確定出隔孔、隔線施工的孔數(shù)和排數(shù)，最后再根據(jù)孔網(wǎng)參數(shù)確定出分區(qū)施工的鉆孔總數(shù)并反算出每次分區(qū)施工的船位數(shù)。

4 基槽炸礁工程實(shí)例

原油碼頭二期工程4#系纜墩中心距601 泊位1#系纜墩約100m，二期工程4#系纜墩爆破參數(shù)為：孔距a=3.0m、排距b=2.6m 孔徑D=145mm、藥徑d=120mm、炸藥單耗q0=1.30Kg/m、線裝藥量ql=a×b×q0 ＝10.2kg/m、超深ΔL=2.0m、平均孔深H=4.2m、單孔裝藥量Q ＝ql×H ＝a×b×q0×H ≈43kg，梅花形布孔，每排10 或11 個(gè)。由“安全距離與允許藥量關(guān)系表”獲知：在爆心距為100m 時(shí)，允許殉爆藥量為991kg，相當(dāng)于4#系纜墩2 條線的用藥量；分區(qū)間隔大約在8.5m 左右，在4#系纜墩中爆破施工分區(qū)間隔應(yīng)為3 條或3 條線以上。經(jīng)過統(tǒng)籌布局我們在4#系纜墩施工時(shí)選擇了2 條線做一個(gè)分區(qū)，分區(qū)間隔為4 條線，并采用排間微差起爆（圖2）。每兩個(gè)分區(qū)一次施工分兩起爆作業(yè)，第一次施工為第一、第四分區(qū)。

圖2 炮孔分區(qū)施工示意圖

5 結(jié)語

（1）施工工效分析。根據(jù)工程的實(shí)際情況，在作業(yè)時(shí)間有限及藥量控制上限的前提下，對施工方法進(jìn)行優(yōu)化，使在有限的時(shí)間內(nèi)極大地提高了施工效率。改進(jìn)后的施工工藝，較普通的施工工藝至少提高了一倍施工效率。

（2）經(jīng)濟(jì)效益分析。通過優(yōu)化后的爆破施工工藝，基槽爆破這一工序約縮短一半的工期，提高了船機(jī)利用率，可以節(jié)省船舶費(fèi)用。同時(shí)保證了一期原油泊位的正常生產(chǎn)，未造成經(jīng)濟(jì)損失。

（3）社會效益分析。優(yōu)化后的基槽炸礁施工技術(shù)在煙臺港西港區(qū)原油碼頭二期工程（一階段30 萬噸級碼頭）水下基礎(chǔ)墩基槽炸礁成功的應(yīng)用極大地提高了生產(chǎn)效率，縮短了工期，創(chuàng)造了可觀的效益。給解決該類似問題提供了很好的參考價(jià)值。