降低水下爆破作業(yè)沖擊波噪聲施工技術(shù)研究

張冬洋，曾柏瑞

（長江武漢航道工程局，湖北 武漢 430014）

1 引言

隨著水利工程、海岸海洋工程的不斷發(fā)展，水下爆破技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用并逐步成熟。水下爆破是在極短時(shí)間內(nèi)，在水下的極小體積內(nèi)或面積上發(fā)生極大能量轉(zhuǎn)換的過程。在水下爆破的瞬間，周圍水體密度、溫度和壓力跳躍式攀升。由于水和空氣在密度和壓縮性能上的巨大差異，水下爆破產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度遠(yuǎn)大于陸上爆破。水下爆破具有隨距離衰減慢，易與水上和岸邊結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生共振，沖刷破壞力較強(qiáng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的水下爆破方式對周邊的環(huán)境和水生生物有較大的影響。在實(shí)際施工中，特別是生態(tài)保護(hù)水域的爆破施工，多采用限制單次單段起爆藥量的方式控制爆破噪音。

本文通過對水下多段連續(xù)起爆施工方式下不同藥量的噪音監(jiān)測，研究總結(jié)了不同炸藥量爆破水下爆破產(chǎn)生的噪音持續(xù)時(shí)間及共振情況，制定合理的起爆藥量，形成科學(xué)合理的施工工藝，確保水下爆破產(chǎn)生的噪音在漁業(yè)限定的門閥值內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了在珍稀動物保護(hù)水域采用大藥量爆破施工的可能性，用數(shù)據(jù)證明施工的安全性。

2 工藝原理

采用水下爆破聲學(xué)監(jiān)測手段，實(shí)測施工用炸藥的爆破噪音大小和傳播情況；通過數(shù)據(jù)化的分析找出該水域爆破施工，影響噪音大小的關(guān)鍵因素，針對性制定降噪措施和選定相匹配的材料；在實(shí)際施工時(shí)，選定合理的炸藥量和制定安全可靠的爆破施工方案，最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)降噪的效果。

水下爆破產(chǎn)生的水沖擊波與液體靜壓力疊加，使位于水下某固定位置上的壓力變化過程在微秒量級的瞬間就能增大至峰值壓力。但持續(xù)時(shí)間很短，在初始峰值壓力到來后，壓力即開始隨時(shí)間呈指數(shù)衰減規(guī)律下降，在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)，壓力值就迅速下降。

經(jīng)現(xiàn)場水下爆破聲學(xué)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，從監(jiān)測獲得的爆破時(shí)域圖來看，在300-400 毫秒的時(shí)間內(nèi)，壓力值就迅速下降。故在水下鉆孔爆破作業(yè)中，每段之間采用1.0s延時(shí)，單孔采用微差爆破的方式，按照“小、大、中”順序填藥，做好捅藥、堵孔等措施的情況下進(jìn)行爆破，各段直達(dá)波之間的時(shí)間間隔參差不齊，雖未達(dá)到預(yù)訂的微差間隔，但是爆破噪音已不存在明顯的疊加增大。在采取單次多段增大藥量的方式，爆破產(chǎn)生的沖擊波噪聲未有顯著增大。在合理提高藥量的情況下，爆破作業(yè)滿足環(huán)評要求。

圖1 水下爆破聲學(xué)監(jiān)測聲壓時(shí)域圖

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→水下鉆孔（多孔分段）→裝藥（捅藥、堵孔）→管網(wǎng)連接→警戒清場（白海豚保護(hù)）→爆破（水下爆破聲學(xué)監(jiān)測）。

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 水下鉆孔（多孔分段）

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，該地區(qū)海潮涌浪較大，因此擬采用高鉆架“一管一鉆法”，利用鉆架克服潮差對鉆孔的影響，鉆孔前先下套管，再下鉆具鉆孔（沿套管下放入底）。鉆孔過程中邊提升鉆桿邊送風(fēng)吹水，以便鉆孔中的碎碴排出孔外。鉆孔至設(shè)計(jì)深度后，經(jīng)反復(fù)多次提升和下落鉆桿，以防碎石或淤砂堵孔。成孔后立即裝藥，鉆孔與裝藥循環(huán)作業(yè)。鉆孔采用全液壓潛孔鉆，鉆頭在套管內(nèi)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆孔。施工前，應(yīng)在施工區(qū)風(fēng)浪小、不易被船只碰撞，不影響施工的固定位置設(shè)立水尺，鉆孔時(shí)應(yīng)根據(jù)潮位變化情況及時(shí)調(diào)整鉆孔參數(shù)。施工中的具體要求有如下幾點(diǎn)：

圖2 漂浮式炸礁船布孔示意圖

3.2.2 裝藥（捅藥、堵孔）

為防止碎石堵孔及泥沙回淤，鉆孔完成后應(yīng)立即裝藥，炸藥裝入pvc 管內(nèi)，再將其裝入鉆好的炮孔內(nèi)，起爆藥包用乳化炸藥，每個(gè)起爆藥包中用同段號的非電塑料導(dǎo)爆管雷管兩發(fā)。炮孔裝藥長度大于4m 時(shí)，應(yīng)增加至兩個(gè)起爆藥包（裝藥結(jié)構(gòu)示意圖見圖3）。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)行鉆孔爆破時(shí)，水深大于6m 的，為了更好地保護(hù)海洋生物及生態(tài)環(huán)境，達(dá)到較好的爆破效果及降低水中沖擊波的影響，采用粗砂或者細(xì)石堵孔，堵塞長度根據(jù)設(shè)計(jì)確定，但最小不小于50cm。

3.2.3 管網(wǎng)連接

采用防水的非電毫秒微差起爆網(wǎng)路，每個(gè)起爆體內(nèi)裝2～3 發(fā)非電導(dǎo)爆管雷管，整個(gè)起爆網(wǎng)路采用簇聯(lián)方式連接，起爆主線也是采用非電導(dǎo)爆管雷管。一次起爆炮孔數(shù)根據(jù)單孔裝藥量和一次允許起爆最大藥量確定。

一次起爆炮孔數(shù)根據(jù)單孔裝藥量和一次允許起爆最大藥量確定。起爆網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、檢測完成后，移船至安全范圍。與交管中心調(diào)度室取得聯(lián)系，確認(rèn)船只未在起爆時(shí)間內(nèi)接近警戒區(qū)；并按設(shè)計(jì)安全距離和安全要求警戒，確保其余船舶、水中人員和中華白海豚等都在警戒區(qū)以外后，發(fā)出起爆信號后，方可起爆。

水下傳爆電爆網(wǎng)絡(luò)的非電雷管應(yīng)采用足夠強(qiáng)度、防水性和柔韌好的雙壁雷管，爆破主線路呈松弛狀態(tài)。

根據(jù)前期單段單響爆破噪音數(shù)據(jù)，將單段起爆藥量控制在90kg 以內(nèi)，導(dǎo)爆管采用1 秒延期導(dǎo)爆管雷管，每個(gè)孔一個(gè)段別，分別為2 段、3 段、4 段、5 段、6 段、7 段（爆破網(wǎng)絡(luò)接線示意圖參見圖4）。

圖4 爆破網(wǎng)絡(luò)接線示意圖

3.2.4 白海豚現(xiàn)場保護(hù)措施

在爆破前，需做好白海豚保護(hù)措施：

（1）在施工區(qū)域上、下游設(shè)置定點(diǎn)觀測點(diǎn)，委托經(jīng)過培訓(xùn)的觀測人員每天對施工區(qū)域中華白海豚活動的情況進(jìn)行觀測、做好記錄，并按月將觀測記錄表和示意圖及時(shí)報(bào)廈門中華白海豚文昌魚自然保護(hù)區(qū)管理處備案。

（2）禁止夜間爆破。

（3）鑒于中華白海豚屬游泳性動物在受到外來干擾時(shí)，會主動避開。對于連續(xù)爆破來說，除首炮爆破將對爆破近區(qū)的白海豚造成較大的影響外，白海豚將迅速逃離爆破區(qū)，其余各炮對自海豚的影響相對較小。通過采取必要的環(huán)保措施，如加強(qiáng)對施工海域的觀察了解、聲墻驅(qū)趕等各種辦法，可以大大減輕對白海豚可能造成的影響。

（4）在每階段爆破首炮布藥完畢后，采用聲墻驅(qū)趕法，對中華白海豚進(jìn)行驅(qū)趕。聲墻驅(qū)趕法是利用中華白海豚的回聲定位功能，通過人為制造的聲墻來驅(qū)趕中華自海豚滯留或阻止其進(jìn)入爆破危險(xiǎn)區(qū)。具體的做法是：在驅(qū)趕船船舷兩側(cè)，每隔 0.5～1m 設(shè)立好一根2m 長、直徑30mm～5Omm 的竹竿，并插入水中20cm～40cm。根據(jù)船的長度而確定竹竿的根數(shù)，一般7 根左右，立竿上、下端設(shè)置橫竿，將立竿連接成竹排。完成后，4 艘驅(qū)趕船由爆破點(diǎn)向外呈扇形排開，采用“s”型線路緩慢行駛，船上派專人按從第一根立竿敲到最后一根，再由最后一根敲到第一根的程序往復(fù)敲打竹竿，并不斷變換船速，制造出不規(guī)則的噪聲，形成持續(xù)不斷的聲墻。船向爆點(diǎn)以外開出約2000m 方可停下，并繼續(xù)橫向敲打竹竿，直到爆破結(jié)束。

（5）施工船在退出安全區(qū)域準(zhǔn)備起爆的過程中，將鳴笛警示驅(qū)趕。

（6）起爆前派專人在驅(qū)趕船和施工船上瞭望，如發(fā)現(xiàn)白海豚出現(xiàn)在施工海域，應(yīng)立即停止起爆，用對講機(jī)和施工現(xiàn)場負(fù)責(zé)人聯(lián)系。施工現(xiàn)場負(fù)責(zé)人應(yīng)立即和廈門中華白海豚文昌魚自然保護(hù)區(qū)管理處聯(lián)系，共同制定驅(qū)趕措施，對中華白海豚進(jìn)行驅(qū)趕，直到趕離爆破中心1800m 以外，確定白海豚離開后才能起爆。

3.2.5 爆破（水下爆破聲學(xué)監(jiān)測）

爆破施工采用單次多段連爆的爆破施工方式，在藥量增加到300kg、400kg 情況下，每段藥量限制在138kg內(nèi)，單孔藥量按照“小、大、中”順序填藥，選用鉆爆器材如下：

（1）炸藥選擇：防水的乳化炸藥。

（2）雷管選擇：非電導(dǎo)爆管毫秒雷管，每孔間均采用1s 延時(shí)導(dǎo)爆管。

（3）起爆器：電火花起爆器。

采用潛孔沖擊鉆，要求一次鉆至設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高（含超鉆深度），梅花形布孔。

采用特制的圓形塑料筒裝藥柱，藥柱直徑D=120mm。

爆破網(wǎng)路：采用非電導(dǎo)爆管雷管。本次監(jiān)測為該工程采用不同藥量實(shí)施的水下鉆爆施工，水下鉆爆采用1 秒的段延時(shí)間隔時(shí)間，實(shí)際效果可以達(dá)到為400～1000ms，實(shí)行孔間或排間毫秒延期預(yù)裂，逐孔進(jìn)行起爆；在鉆爆前增加了2 個(gè)小炮（水中采用的非電導(dǎo)爆雷管），以達(dá)提前警示驅(qū)趕中華白海豚的目的。

在爆破實(shí)施過程中，采用水下爆破聲學(xué)監(jiān)測的手段，實(shí)測施工中的爆破噪音大小和傳播情況，聲學(xué)監(jiān)測原理為：水下爆破產(chǎn)生的沖擊波被高耐壓水聽器接收，接收到的信號經(jīng)便攜式多功能分析儀和PULSE 聲學(xué)振動分析軟件記錄到電腦中，用PULSE 聲學(xué)振動分析軟件MATLAB 數(shù)據(jù)分析軟件對信號進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，得到最終的監(jiān)測分析結(jié)果，水下爆破聲學(xué)監(jiān)測鉆爆點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)示意圖參見圖5。

圖5 水下爆破聲學(xué)監(jiān)測鉆爆點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)示意圖

通過數(shù)據(jù)化的分析找出該水域爆破施工，影響噪音大小的關(guān)鍵因素，針對性制定降噪措施和選定相匹配的材料；在實(shí)際施工時(shí)，選定合理的炸藥量和制定安全可靠的爆破施工方案，最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)降噪的效果。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概況

廈門港海滄航道擴(kuò)建四期工程實(shí)施地點(diǎn)位于九龍江河口灣北岸、海滄港區(qū)以南和鼓浪嶼以西，由象鼻咀向西至九龍江北港入海口附近水域。海滄航道E′～13#泊位航段按滿足營運(yùn)吃水15.5m 的20 萬噸級集裝箱船和2 萬噸級集裝箱船乘潮雙線通航要求建設(shè)，同時(shí)滿足15 萬噸級集裝箱船和5 萬噸級集裝箱船雙線通航要求，通航寬度395m。E′-7#泊位航段通航寬度395m，長6.36km，設(shè)計(jì)底高程-15.5m；8#-13#泊位航段通航寬度395m，長1.45km，設(shè)計(jì)底高程-15.0m(其中8#-10#泊位炸礁區(qū)-15.3m)；13#-17#泊位航段按滿足營運(yùn)吃水15.5m 的20 萬噸級集裝箱船乘潮單線通航要求建設(shè)，通航寬度275m，長1.75km，設(shè)計(jì)底高程-15.0m。

整個(gè)工程分為疏浚工程、炸礁工程和航標(biāo)工程，其中炸礁工程量約9.3 萬方，且炸礁區(qū)位于白海豚主要活動區(qū)域，每次爆破藥量都要遵守主管部門的要求，單段起爆藥量不超過138kg，施工區(qū)位于通航航道內(nèi)，每次起爆作業(yè)前必須進(jìn)行白海豚驅(qū)趕和封航，為保障不影響碼頭正常運(yùn)營的情況下，每日封航作業(yè)次數(shù)有限，工期緊湊，對炸礁施工進(jìn)度存在很大的制約。

4.2 應(yīng)用情況

由于炸礁項(xiàng)目所在位于海滄航道中游，毗鄰的7#、8#、9#泊位區(qū)，港務(wù)冗繁，施工中通航避讓較多，爆破作業(yè)需封航后作業(yè)，協(xié)調(diào)難度大，且安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)極高，受制于各種客觀因素影響，每日爆破作業(yè)次數(shù)有限，極大影響整體工程施工進(jìn)度。

針對上述情況，廈門港海滄航道擴(kuò)建四期工程在施工期應(yīng)用了降低水下爆破作業(yè)沖擊波噪聲的施工工藝，完成了炸礁工程量約9.3 萬方。通過新工藝的應(yīng)用，極大地提高施工效率，減少項(xiàng)目建設(shè)周期，節(jié)約了成本，減少對航道的占用時(shí)間，較計(jì)劃工期提前三個(gè)月完成炸礁區(qū)首次全范圍爆破作業(yè)，無任何安全事故。推進(jìn)了水下爆破施工技術(shù)的整體提升，該實(shí)例的施工工藝對類似工程有較大應(yīng)用價(jià)值，值得在今后水下爆破作業(yè)工程中推廣應(yīng)用。

通過新工藝的應(yīng)用，極大地提高施工效率，減少對航道的占用時(shí)間，對海洋養(yǎng)殖區(qū)造成的影響降到了最低，加快了整個(gè)工程的實(shí)施進(jìn)度，有效降低了整個(gè)工程爆破安全實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。

5 效益分析

5.1 社會效益

由于炸礁項(xiàng)目所在位于海滄航道中游，毗鄰的7#、8#、9#泊位區(qū)，港務(wù)冗繁，施工中通航避讓較多，爆破作業(yè)需封航后作業(yè)，協(xié)調(diào)難度大，且安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)極高，受制于各種客觀因素影響，每日爆破作業(yè)次數(shù)有限，極大影響整體工程施工進(jìn)度。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

廈門港海滄航道擴(kuò)建四期工程施工中，炸礁工程量約9.3 萬方，如果按照每次爆破藥量都要遵守主管部門的要求，單段起爆藥量不超過138kg（環(huán)評報(bào)告書要求）的施工工藝，在保障不影響碼頭正常運(yùn)營的情況下，每日起爆次數(shù)最多不超過四次，完成炸礁工程量約為387方，需要93000/368 ≈240 天完成炸礁施工任務(wù)，完成上述任務(wù)船舶、人工費(fèi)、通航保障費(fèi)及白海豚驅(qū)趕費(fèi)約需2873 萬元。

廈門港海滄航道擴(kuò)建四期工程通過降低水下爆破作業(yè)沖擊波噪聲的新型施工工藝，極大地提高施工效率，較計(jì)劃工期提前三個(gè)月完成炸礁施工任務(wù)，完成炸礁工程量約9.3 萬方施工成本約為2353 萬元，即可節(jié)約成本2873 萬元-2353 萬元=520 萬元，且未發(fā)生任何安全事故。

采用該工藝施工，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益未統(tǒng)計(jì)包括降低水下爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)和因工期提前帶的其他經(jīng)濟(jì)效益及社會效益等。

5.3 環(huán)保效益

水下爆破特別是有珍稀動物的水域，爆破噪音是主要的危險(xiǎn)源，本工藝成果的應(yīng)用，可以有效地提高爆破用藥量同時(shí)降噪控噪，科學(xué)有效地提高施工效益，保障環(huán)保安全。

6 總結(jié)

本施工關(guān)鍵技術(shù)已在實(shí)際工程中得到很好的應(yīng)用，應(yīng)用期間技術(shù)穩(wěn)定性得到充分驗(yàn)證。在廈門港海滄航道擴(kuò)建四期工程進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用中，通過該技術(shù)的應(yīng)用，在提高藥量作業(yè)的情況下，滿足環(huán)評制定的噪音（漁業(yè)保護(hù)）門限值要求，有效縮短了施工工期。

通過對水下爆破（大藥量）監(jiān)測，掌握不同炸藥量在水下產(chǎn)生噪音的大小和傳播情況，合理分配單段起爆藥量和每響間時(shí)間間隔，不超過漁業(yè)保護(hù)噪音門限值即視為可行，同樣的方法適用于任何水域的爆破作業(yè)。尤其在項(xiàng)目實(shí)施策劃階段，可以將單響連續(xù)爆破作業(yè)施工作為主要施工工藝，有效的降低施工安全和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，減少項(xiàng)目建設(shè)周期，節(jié)約了成本，減少對航道的占用時(shí)間，該實(shí)例的施工方法對類似工程有較大應(yīng)用價(jià)值。