惡劣施工條件下深水鉆孔爆破研究與應用

傅英坤，王叢杰

（1．山東港口煙臺港集團有限公司，山東 煙臺 264000；2．龍口興港實業有限公司，山東 煙臺 265700）

1 工程概況

1.1 概述

在某外海航道工程施工過程中，在航道底部發現巖盤，前期采取大型抓斗船進行試挖、鑿巖錘進行鑿巖試驗以及考慮大型可挖巖絞吸船進行挖除，均未能達到施工效果。經取樣試驗，巖石抗壓強度為90～120Mpa，必須采取水下鉆孔爆破施工，經項目部研討，決定采用水下沖擊回旋鉆進成孔工藝進行炸礁施工。炸礁區域離岸邊直線距離約10km，設計底標高為－23.2m，為深水區炸礁施工，施工區域無遮掩，施工條件惡劣。

1.2 自然條件

1．2．1 風況

本工程所在地的常風向為NW 向，頻率11.2%，次常風向為NNW 向，頻率8.5%。強風向為ENE 向，最大風速12.8m/s，次強風向為NE 向，風速11.8m/s。本海區東南面面向黃海，施工過程中受東南風、東風影響較大。

1．2．2 霧

項目所在地年平均霧日數16.9d，其中5～7月霧日比較多，月平均在2.6～2.9d。8月至10月霧日較少，月平均在0.3～0.4d。大霧天氣主要對炸礁起爆作業安全警戒工作帶來較大施工難度。

1．2．3 潮汐

本海區潮汐類型為正規半日潮。本海區潮差較大，施工過程應對潮位進行嚴格控制。主要潮位信息如下：

最高高潮位 5.19m；最低低潮位 -0.15m；

平均高潮位 4.27m；平均低潮位 1.46m；

最大潮差 4.79m；平均潮差 2.94m；

平均海平面 2.83m。

1．2．4 波浪情況

本海區實測海浪是以涌浪為主，是風涌混合浪。外海傳入的波浪對本海區的影響大于風成浪。炸礁施工受涌浪影響較大，涌浪較大炸礁船舶無法進行水下鉆孔作業，極易造成鉆桿折斷或損壞。

1．2．5 海流

實測海流流向：該海區漲落潮流基本集中在ENE向和WSW 向上。從實測海流資料可以看出，該海區漲落潮流速較大，落潮流最大流速可達81.2cm/s，漲潮流最大流速可達95.7cm/s。漲潮落潮流速較大，需候潮作業，嚴重影響炸礁船鉆孔施工進度。

1．2．6 掩護條件

炸礁作業區位于深水航道區，施工區域無掩護，受風浪影響較大。

2 主要施工工藝、方法

2.1 爆破前準備工作

（1）安排項目部施工人員和炸礁船舶進場；

（2）確立施工項目組織；

（3）火工材料申請計劃；

（4）施工進度計劃；

（5）施工測量控制點復核；

（6）落實施工爆破安全警戒器材；

（7）對炸礁區域進行布孔。

2.2 施工流程圖

根據本工程特點和船機設備等情況，炸礁采用水下鉆孔爆破，具體施工流程見圖1。

圖1 水下鉆孔爆破施工流程圖

2.3 爆破施工參數

根據《水運工程爆破技術規范（JTS204-2008）》，計算水下鉆孔爆破的單孔裝藥量和孔網等參數，需要統籌考慮施工區水深、巖石類別、開挖厚度和鉆孔清渣設備等多個因素。根據本工程的巖石性質，炸礁船的裝備情況及清礁船舶對巖石破碎度和松散度的要求，參照相關規范，確定本工程爆破參數如下：

（1）孔間距：a=3.00m；

（2）孔排距：b=3.00m；

（3）孔徑：D=125mm；

（4）藥徑：d=100 mm；

（5）炸藥單耗：q=1.72kg/m；

（6）超深：ΔL=2.00m；

（7）孔底標高：-25.20m；

（8）線裝藥量：15.48kg/m；

（9）不偶合系數：N=D/d=125/100=1.25。

（10）采用梅花形布孔，排間微差起爆。

炸藥采用藥柱炸藥，包裝采用塑料殼包裝，炸藥卷長度約為50cm。雷管采用8#非電毫秒延期導爆管。

單孔裝藥量：=×××

式中：Q—單藥包裝藥量（kg），q—單位炸藥消耗量(kg/m3)，H—爆破巖層厚度（m），a、b—炮孔間、排距（m）

巖面層最厚按2.5 米考慮，超鉆深度按照2.0 米，計算得到最大單孔裝藥量

Q=1.72×3×3×（2.5+2.0-0.5）=61.92（kg），按照設計每排12 個鉆孔，根據試爆結果調整用藥量。

通過試爆，重新對爆破施工參數及用藥量進行了如下調整：

炸藥單耗q=1.5kg/m，孔間距a=2.5m，孔排距b=2.0m，超深ΔL=1.80m。重新計算最大單孔裝藥量：Q=1.5×2.5×2×（2.5+1.8-0.5）=28.5（kg），單位平米內節省炸藥量1.18kg。

2.4 主要施工方法

炸礁船定位采用DGPS 進行定位，保證定位精度在2cm 以內。施工前將炸礁區坐標輸入船舶定位系統，定位后用經過檢驗合格的高等級儀器校核一次，無誤后用作船舶定位。炸礁船移動靠錨機絞錨完成，同時保證定位偏差不大于40cm。

采用沖擊回旋鉆進行鉆孔，沖擊回旋鉆的鉆頭在套管內旋轉從而沖擊鉆孔。用卷揚機怠工鋼絲繩提起鉆桿上下沖擊，用壓縮空氣排渣清孔，如出現碎石層塌孔現象套管要跟進至巖層面。

爆破底標高的控制根據施工水位和下至巖面的鉆桿長度計算出巖面高程，并計算出鉆孔深度。巖面標高＝鉆桿（套管）長度－水位－鉆機平臺高度（船高），鉆孔孔深＝設計標高－巖面標高。

沖擊鉆鉆孔完畢后，要對孔底標高進行檢驗，檢驗方法采用專用的驗孔器，核實標高滿足要求，確保炸藥放到孔底設計標高。按照規范要求，裝藥孔底標高誤差不應大于0.5m。若出現大于0.50m 的情況，應停止作業并會同設計單位、監理單位分析原因，然后采取相應措施，達到設計要求后方可進行后續施工。

每鉆完一個孔，提起鉆桿，沿套管將藥柱及起爆體裝入孔內，并用炮棍將炸藥捅實，保證裝藥質量，之后提起套管。炮孔完成后由質檢員通知爆破員進行網絡連接、通知安全員進行起爆前監護準備與安全警戒。

根據相關要求及結合炸礁船的特點，爆破網絡的連接工作需要在完成一定數量鉆孔后立即進行。爆破網絡聯網后，每排孔內按照要求要裝相同型號的雷管。排間由內向外裝有高端號到低端號的到爆雷管實現微差爆破。在每個船位完成后，將各段號的雷管用4～5 枚引爆雷管分別聯接，最后用120m 長的導爆管聯接。

為了防止導爆雷管在引爆時雷管碎片將導爆管炸斷影響起爆效果甚至造成炸藥拒爆，起爆管聚能穴方向朝向導爆管傳爆反方向，并用防水膠布纏緊，然后將炸礁船移至10 米外用起爆槍激發導爆雷管進行起爆。

爆破后在5min 內進行查炮工序，如檢查發現有盲炮，則立即進行處理，并由處理人員填寫登記表。因爆破網路而引起的盲炮，經檢查和處理后，重新聯線起爆；或者在盲炮孔附近投放裸露藥包誘爆。處理盲炮時，做好安全和警戒工作，無關人員不得進入現場，直至解除盲炮為止。

爆破網路和炸藥量的設計考慮飛石對炸礁范圍外的挖泥區的影響，同時采取相應的措施。

爆破完成后對炸礁區進行清渣工作，并嚴格定位設備操作及清渣船定深設備監控，保證清渣后巖面高度符合設計及規范要求，達到驗收合格標準。

2.5 測量控制

平面坐標系：采用WGS-84 坐標系。

高程控制：采用當地理論最低潮面。在某碼頭邊建立自動報潮儀，并引點建立水尺用以校核水位，炸礁船施工人員通過自動報潮站查看實時水位。

施工定位：采用RTK-DGPS 定位（精度：水平±2cm+2ppm、高程±4cm+4ppm）。

3 爆破安全距離

3.1 爆破地震安全距離

爆破地震安全距離經驗公式

R=（K/V）·Q

式中 R－爆破地震安全距離，m；Q－同段最大藥量,kg；K、a－與地形、地質等條件有關的系數和衰減指數；V－地震安全速度，cm/s；

k=400，a=1.6，取V=5.0cm/s，最大孔深為3.0m（含超深），最大單孔裝藥量為28.50kg，每泊位共12 個孔，采用排間微差起爆，同段最大藥量為342kg，則R=（K/V）·Q=（400/5）×342=108m。在爆破作業區500m 范圍內無永久性建筑物，爆破施工時無需采取特殊的安全防護措施。

3.2 水沖擊波對人員和船舶安全距離

依據《水運工程爆破技術規范》（JTS204—2008）一次起爆藥量在200～1000kg 時，水中不同的防護對象其安全距離分別為：

游泳：1100m；潛水：1400m；鐵船：150m；木船：250m；

3.3 個別飛石安全距離

由于爆區水深大于10.0m，故不考慮飛石影響。

3.4 水沖擊波對魚類等水生物的安全距離

依據公式 R=20Q，R=20×1000=632 m；

式中：R－爆破對魚類的危險半徑，m；Q－裝藥量，kg；

根據上述公式計算出爆破產生的水沖擊波對魚類等水生物的安全距離是632 m，但在爆破區附近數千米范圍內無海水養殖，無須采取特殊的安全防護。

4 創新點

4.1 前期施工情況總結

常規水下炸礁工程大都為近岸施工或內河施工，且水深較淺，而本工程離岸較遠，施工區域無遮掩，受風浪、潮流影響較大，船舶有效作業時間極低，可作業日最長工作時間為10h，日時間利用率約40%，月平均施工天數約8 天，總時間利用率僅為15%左右，施工進度極慢，嚴重制約我部航道工程交工驗收，同時增加了施工成本。

4.2 施工工藝改進

通過對前期施工情況進行總結可以看出，前期施工效率低的主要原因為炸礁船舶受風浪、潮流影響較大，船舶有效作業時間低。提高船舶施工效率最根本的問題是增大船舶抗風浪能力。但是北方炸礁市場基本沒有大型炸礁船，針對該問題，從附近調遣起重船作為定位船，對炸礁船定位施工，該施工工藝改進對大風天氣影響有所緩解，但是對涌浪影響不起作用。接著進行了進一步的工藝改進，利用大噸位方駁改造炸礁船，利用壓艙水降低船舶干舷高度，提高船舶穩定性，增大船舶抗風浪能力。船舶改造大大提高了炸礁施工效率，船舶有效作業時間得到了較大提高，日平均作業時間達16 小時，日時間利用率達65%，月平均施工天數達20 天，總時間利用率達45%。同時船舶穩定性好有助于水下鉆孔作業，提高鉆孔速度。船舶改造后炸礁施工效率達原來3倍以上。

5 結語

本工程集中諸多復雜的不利因素，屬極特殊水下鉆孔爆破作業，項目部通過炸礁工藝優化以及炸礁船舶改造很好地完成了外海、深水區域水下炸礁施工，施工效率大幅度提高，使該40 萬噸級深水航道提前竣工并按時通航，同時節省了大型炸礁船租賃、調遣等成本，產生了良好的經濟和社會效益。