一種新型環(huán)保高效炸礁施工工藝
——水下CO2氣體膨脹裂巖施工簡介

◎ 李尚 南寧市港航發(fā)展中心

1.引言

水下炸礁施工過程中，采用傳統(tǒng)的乳化炸藥實施水下爆破，對鄰近危房類、結(jié)構(gòu)安全要求較高的重要設(shè)施如橋梁、水生生物等造成較強沖擊波，導(dǎo)致極強沖擊波、脈動水壓力和多途效應(yīng)構(gòu)成的聲場，這些方面極強的作用力都會對水生生物以及施工區(qū)域鄰近重要構(gòu)筑物造成一定程度的損傷，還會撕裂魚體內(nèi)的魚鰾、膽囊類空腔，使魚類內(nèi)臟遭受極大損傷，輕則導(dǎo)致魚類神經(jīng)麻痹從而喪失游泳能力，漂浮水面，重則喪命，。在當(dāng)下環(huán)保優(yōu)先的大背景下，尋找沖擊波盡可能小、施工效率和施工成本最優(yōu)的創(chuàng)新施工工藝方法，以確保施工作業(yè)及鄰近構(gòu)筑物和水生生物的共同安全，就成為了水下炸礁施工作業(yè)所面臨的主要核心命題。

2.現(xiàn)有水下礁石清除方式方法

2.1 水下爆破施工

利用炸礁船（又稱鉆孔爆破船）進行水下鉆孔，然后在孔內(nèi)充填乳化炸藥，利用雷管爆破的施工方法。水上鉆孔船有普通式和自升式兩種，并根據(jù)工程量大小和功效需要有不同孔數(shù)（一般有4孔、6孔船，多的可以達到8孔以上）鉆孔船。為水下鉆孔炸礁船布設(shè)專門移動的軌道，使得鉆機能在軌道上通過移動對準(zhǔn)的方式，精準(zhǔn)的對準(zhǔn)所需鉆孔的位置進行鉆孔，以實現(xiàn)最少的移船鉆成最多孔效果。鉆孔具體方式方法視施工區(qū)域地質(zhì)情況而定，先進行覆蓋層開挖，至較薄后采用雙套管鉆進方法鉆孔至設(shè)計要求深度，鉆完一孔后立即用堵眼管將鉆孔塞住，待所需孔鉆全部鉆完后，按照拔起堵眼管-沖洗鉆孔-孔內(nèi)放置炸藥筒-拔起內(nèi)、外套管-取出導(dǎo)線-聯(lián)爆破網(wǎng)路-連接主導(dǎo)線-船舶撤離-通電起爆的工序依次實施。這種爆破方法是經(jīng)過很多場合實踐出來的常規(guī)方法，是當(dāng)下主流的水下炸礁工藝方法，但沖擊波較強，對水下生物和鄰近重要構(gòu)筑物安全會造成不同程度的威脅。

2.2 水下控制爆破施工

控制爆破，是為了減少常規(guī)爆破帶來對周邊環(huán)境的影響，而通過一定的技術(shù)措施嚴(yán)格控制爆炸能量及沖擊波，使水下爆破產(chǎn)生的震動、傾倒方向、飛石等可能產(chǎn)生的危害控制在規(guī)定限度內(nèi)的爆破方法。通俗的講，控制爆破就是工程爆破過程中通過采取減少藥量、控制爆破方向等技術(shù)手段加以控制的一種的底限度爆破方式。控制爆破有定向爆破、光面爆破、微差控制爆破、拋填爆破、弱松動爆破等多種方式。

2.3 水下鑿巖施工

水下鑿巖施工是一種利用鑿巖錘重量，在船用起重設(shè)備拉起狀態(tài)下迅速放下，沖擊破碎巖面的一種施工工藝。一般根據(jù)工程所在地施工環(huán)境狀況，如施工水域水深、地質(zhì)以及船舶條件等多方面因素，采用合適斗容的抓斗挖泥船，更換鑿巖需要重量的筆形鑿巖棒進行鑿巖施工的工藝方法。

在進行鑿巖施工前，為提高效率，需先將水下施工區(qū)域分成順序編號的20m方形網(wǎng)格，再依序?qū)γ總€區(qū)域用水下潛鉆設(shè)備按照0.5×0.5m（孔距×排距）密集鉆孔先行破壞巖石結(jié)構(gòu)，再按1.5米距離（鑿巖棒直徑的1.5～2倍）梅花形布點，按“鑿巖→清渣→鑿巖→清渣”進行循環(huán)施工（用抓斗挖泥船對清渣環(huán)節(jié)進行施工）。施工過程中，根據(jù)不同區(qū)域現(xiàn)場鑿巖、清渣開挖效果結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗總結(jié)優(yōu)化鑿巖布點的參數(shù)，以進一步提高工效，降低成本。

圖1 鉛筆型鑿巖棒示意圖

圖2 CO2氣體膨脹裂巖能量分布圖

3.一種新型水下炸礁施工工藝-水下CO2氣體膨脹裂巖施工

3.1 施工原理

在現(xiàn)行環(huán)保政策高壓態(tài)勢下，以及港口航道乃至橋梁工程施工會頻繁遇到生態(tài)敏感區(qū)的情況，針對水下炸礁工程，新近出現(xiàn)一種新型施工工藝：即水下CO2氣體膨脹裂巖施工工藝，其施工原理是結(jié)合前期勘探探明的地質(zhì)情況，清挖完覆蓋層后，在巖層的地方用液壓鑿巖機或潛孔鉆對巖石區(qū)首先進行鉆孔，然后將致裂管設(shè)備放在需要膨脹、爆破的巖體內(nèi)進行膨脹破碎，再用反鏟船進行清礁。

3.2 施工工藝

結(jié)合裂巖現(xiàn)場實際情況，水下CO2氣體膨脹裂巖施工具體工藝順序如下：（1）工藝參數(shù)確定：1公斤液態(tài)二氧化碳物理作功時可生成0.6立方體積的氣態(tài)二氧化碳，76管（2公斤）致裂管物理作功270MPA壓力，105管（5公斤）致裂管物理作功450MPA壓力；（2）充氣：致裂管中充裝液態(tài)CO2氣體；（3）鉆孔：用潛孔鉆或液壓鑿巖機鉆孔，打90MM（120MM）；（4）裝管：依據(jù)工程實際情況布孔、鉆孔后裝上致裂管；（5）封孔：裝完致裂管，需用復(fù)合材料進行封孔（結(jié)合工程特殊性一些工地可能還需進行特殊材料加以加固），以防起爆后飛管發(fā)生。（6）防護：考慮到水下炸礁施工是水下工程，必須采取以下防護：①將各致裂管用鋼絲聯(lián)接一起以加強互牽力；②將整個施工面前方清空船只，以防飛石；③致裂：設(shè)計合理的起爆距離及周邊設(shè)置警戒線，布上二氧化碳膨脹致裂施工警示牌后起爆。④致裂區(qū)域開挖。

3.3 裂巖效果實驗

3.3.1 雷管水中爆炸沖擊波測試

為測試一發(fā)數(shù)碼電子雷管在水中爆炸產(chǎn)生的水中沖擊波大小，測試時將雷管和傳感器設(shè)置在水面以下4.5m的位置，雷管距離傳感器分別為5m、10m、15m、20m、25m，其中測距5m時測得水擊波平均數(shù)值為0.644MPa，其他各測距測得雷管爆炸沖擊波的數(shù)值詳見表1。

表1 數(shù)碼電子雷管測試記錄表

根據(jù)CO2水下鉆孔爆破、爆破監(jiān)測及爆后清渣效果分析，可知CO2水下鉆孔爆破技術(shù)從理論到施工工藝實踐是可行的，炮群正上方2m左右監(jiān)測到的水中沖擊波為0.01MPa，滿足自然狀態(tài)下高度敏感魚類對水中沖擊波的允許標(biāo)準(zhǔn)0.01MPa，投魚試驗均未發(fā)現(xiàn)有傷亡現(xiàn)象；距離炮群10～20 m位置監(jiān)測到地震波振速為0.106-0.168cm/s，滿足相應(yīng)頻率最小爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)0.2～0.3cm/s；對于不同硬度的巖石，選擇合適的爆破參數(shù)，爆后的爆渣塊度大小能滿足開挖要求，可一次開挖到設(shè)計標(biāo)高無需補炸。試驗現(xiàn)場人體在距離炮群20m的水面浮排上基本感受不到爆破產(chǎn)生的震動和沖擊，僅是一股氣流向上涌起的水浪而已，設(shè)置在炮群上方及旁邊近距離的試驗魚在爆破后和爆破前沒發(fā)現(xiàn)有什么變化。

3.3.2 CO2氣爆與電子雷管爆炸測試比較

將一根充裝5kg的CO2爆破筒和一發(fā)數(shù)碼電子雷管放在水中裸爆進行測試，對比水中沖擊波數(shù)值，一根CO2爆破筒爆炸產(chǎn)生的水中沖擊波比一發(fā)雷管爆炸產(chǎn)生的沖擊波還要小，具體對比情況詳見表2。

表2 CO2爆破筒和雷管爆炸沖擊波對比表

3.3.3 地震波振動測試

現(xiàn)場試驗共爆破4 次，共測得4個振動數(shù)值，爆破振動振動數(shù)值很微弱，各點最大振速詳見表3。

表3 爆破振動記錄表

3.3.4 CO2氣爆與乳化炸藥爆破測試比較

經(jīng)試驗測試，CO2氣爆破巖最近10m距離產(chǎn)生的振速完全滿足爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)范圍，振速比小藥量乳化炸藥爆破產(chǎn)生的振速小得多，因測試實驗數(shù)據(jù)還很少，若施工采用CO2氣爆新工藝，在施工前還必須進行多次試爆測試，確定安全后才能采用，CO2氣爆與乳化炸藥爆破測試數(shù)值對比如表4所示。

表4 CO2氣爆與乳化炸藥爆破振速對比

3.3.5 魚類測試記錄

試驗選擇草魚、鯉魚、塘角魚及鱸魚進行測試，共投放了6籠試驗魚，每籠魚有4個品種各10條，試驗魚在爆破后未發(fā)現(xiàn)死傷情況，也未發(fā)現(xiàn)有神經(jīng)異常、昏迷現(xiàn)象，爆破后與爆破前沒有區(qū)別。

4.結(jié)語

實驗表明，水下CO2氣體膨脹裂巖施工較之傳統(tǒng)的水下乳化炸礁施工，具有爆破振動振動數(shù)值微弱、水中沖擊波小、振速小等明顯優(yōu)勢，對水生生物的影響幾乎沒有不良影響，且較之鑿巖施工工藝，具有工效高、成本低的效果，是一種值得進一步深入研究和實踐應(yīng)用的新型水下炸礁施工工藝。