基于Surfer3D可視化的深水河道基坑精細(xì)化爆破施工技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U445. 54⁺3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.037

文章編號(hào)：1673-4874（2025）04-0134-04

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，工程施工面臨的環(huán)境愈加復(fù)雜，現(xiàn)代化橋梁建設(shè)經(jīng)常面臨著一系列挑戰(zhàn)[1-2]。承臺(tái)作為基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，如何確保其高質(zhì)量施工尤為重要。特別是在承臺(tái)選址位于河床深處，遠(yuǎn)離水面與岸邊，且河床以硬質(zhì)巖石為主的特殊環(huán)境，傳統(tǒng)長(zhǎng)臂挖掘機(jī)因作業(yè)范圍受限而無(wú)法有效實(shí)施挖掘，此時(shí)深水鉆孔爆破技術(shù)便成為承臺(tái)基坑開(kāi)挖的首選[3]。受水下視野受限及作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高等因素影響，水下深基坑爆破相較于陸上爆破，面臨諸多挑戰(zhàn)[4]，如爆破區(qū)域地形難以精確測(cè)量、人工測(cè)量誤差大、爆破作業(yè)質(zhì)量控制復(fù)雜等[5-6]，這些都對(duì)深水爆破施工提出了更嚴(yán)格的要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，S514南寧江西至壇洛公路No1標(biāo)段經(jīng)過(guò)技術(shù)研究和探討，最終通過(guò)采用智能化無(wú)人測(cè)量裝置，對(duì)水下地形進(jìn)行全過(guò)程、全周期量測(cè)，結(jié)合Surfer3D可視化技術(shù)將水下地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型，用以指導(dǎo)、輔助爆破參數(shù)精細(xì)化設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)優(yōu)化，達(dá)到了深水基坑的精細(xì)化爆破開(kāi)挖的目的。

1 工程概況

擬建中楞左江大橋位于市西鄉(xiāng)塘區(qū)壇洛鎮(zhèn)上中村附近，于縣道X005中楞渡渡口上游約650m處，路線 1×7+720 處跨越左江，橋梁起止樁號(hào)為 1×7+375～ 18+065 。通航標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)河Ⅱ級(jí)航道，最高通航水位為5% 洪水位83.67m，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100。施工水位根據(jù)上中左江特大橋兩階段初步設(shè)計(jì)圖取橋址處5年一遇洪水位76. 60m （201^??2^?"主墩承臺(tái)尺寸為18 3m×18m ，原河床線水深為 8～16m ，炸礁后常水位水深為 16.5～16.8m ，擬采用雙壁鋼圍堰施工。本方案設(shè)計(jì)基坑爆破范圍為22 m× 22m ，基坑周邊按 1：1 放坡。考慮到放坡寬度， $＼harpoonleft$ 主墩爆破范圍設(shè)計(jì)為27.48 m×27.48m;2^?"主墩爆破范圍設(shè)計(jì)為33. 82m×33.82m. 。鑒于圍堰封底混凝土厚度為2.8m ，因此爆破底標(biāo)高控制在距離承臺(tái)底標(biāo)高2.8m位置，即59.2m處。

圖11#～2#主墩承臺(tái)基坑斷面圖

圖2爆破區(qū)域平面圖

2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘查及鉆探揭示， 1^?，2^? 主墩?qǐng)龅氐貙又饕獮榈谒南禌_洪積土層，二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r，地層分述如下：

（1）沖洪積土。 ① 粉質(zhì)黏土，灰褐色，流塑，含有機(jī)質(zhì)，有腥臭味，夾 10%～30% 細(xì)砂。該層在主要分布于1^? 主墩和 2^? 主墩范圍內(nèi)，厚 0.5～2m ： ② 粉質(zhì)黏土，灰褐色，可塑，主要成分為黏粒，含少量細(xì)砂及角礫。該層主要分布于 2^? 主墩范圍內(nèi)，厚1. 50～5.50m，

（2）二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r。 ① 中風(fēng)化角礫狀灰?guī)r（鈣質(zhì)膠結(jié)），灰白色，角礫狀結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，角礫成分單一，主要為灰?guī)r，大小不等，厚度一般為 1～5cm ，節(jié)理面偶見(jiàn)鐵錳質(zhì)侵染，膠結(jié)較好，取芯多呈塊狀，少量柱狀。 ② 中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，灰白色，具有隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造明顯，裂隙稍發(fā)育，局部有溶蝕現(xiàn)象，裂隙多為方解石脈閉合充填，整體巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體完整性較好，巖芯以短柱狀和柱狀為主。

3 工藝原理

Surfer3D軟件主要基于空間插值算法與格網(wǎng)化技術(shù)，通過(guò)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建規(guī)則化三維模型，實(shí)現(xiàn)水下地形可視化。其核心原理包括：

（1）等值線生成。利用反距離加權(quán)法、克里格法等數(shù)學(xué)模型，對(duì)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，生成連續(xù)光滑的等值線或曲面。

（2）格網(wǎng)化處理。將不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，如最小曲率法優(yōu)化曲面平滑性，改進(jìn)謝別德法降低數(shù)據(jù)噪聲干擾等。

（3）三維建模。基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)構(gòu)建3DSurfaceMap和3DWireframeMap，結(jié)合坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換（如西安80、CGCS2000）實(shí)現(xiàn)水下地形可視化。

4施工工藝及操作要點(diǎn)

4.1施工前準(zhǔn)備

施工前準(zhǔn)備工作主要包括：確定測(cè)量時(shí)段；確定布線方式；確定測(cè)量密度。

（1）確定測(cè)量時(shí)段。針對(duì)施工環(huán)節(jié)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如開(kāi)挖前基準(zhǔn)地形、覆蓋層開(kāi)挖后地形、爆破效果評(píng)估地形測(cè)量及爆后驗(yàn)收等常規(guī)時(shí)段，確保能夠全面、及時(shí)地收集各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，為施工過(guò)程爆破參數(shù)調(diào)整提供可靠數(shù)據(jù)支持。

（2）確定布線方式。項(xiàng)目采用網(wǎng)格化均勻布線方式為主導(dǎo)，重點(diǎn)部位采用減少測(cè)量點(diǎn)距離、增加測(cè)量次數(shù)、提高測(cè)深儀器頻率和信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度的方法。

（3）確定測(cè)量密度。針對(duì)水下落差起伏大、巖石分布不均、存在地質(zhì)斷層等情況，選用高等級(jí)擋位，根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)增加測(cè)量密度，以獲取詳細(xì)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

4.2開(kāi)挖前水下地形測(cè)繪

（1）開(kāi)挖前水下地形測(cè)量。開(kāi)挖前水下地形測(cè)量依據(jù)規(guī)劃好的布線方式和相關(guān)參數(shù)，通過(guò)高精度的測(cè)深儀、聲吶等設(shè)備獲取水深、水底地形起伏等信息。

（2）三維建模。利用采集的水下地形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)和精度要求，通過(guò)采用Surfer3D可視化建模功能，將地形曲面轉(zhuǎn)化為高精度的三維地形模型，實(shí)現(xiàn)水下地形可視化。三維地形模型如圖3所示。

圖3開(kāi)挖前爆破區(qū)域水下地形云圖

4.3覆蓋層開(kāi)挖及地形測(cè)繪

（1）確定開(kāi)挖范圍和深度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，明確覆蓋層的開(kāi)挖范圍；設(shè)計(jì)給定的開(kāi)挖底標(biāo)高，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)、爆破目標(biāo)和巖石特性計(jì)算得出的理論超深值，在開(kāi)挖過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際做細(xì)微調(diào)整。

（2）開(kāi)挖設(shè)備選型。充分考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備性能和經(jīng)濟(jì)性要求進(jìn)行選擇（表1）。

表1開(kāi)挖設(shè)備配置表

（3）開(kāi)挖及過(guò)程監(jiān)控。安排專(zhuān)人密切關(guān)注開(kāi)挖進(jìn)度，對(duì)比開(kāi)挖進(jìn)度與計(jì)劃是否相符，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。嚴(yán)格監(jiān)控開(kāi)挖質(zhì)量，定期對(duì)開(kāi)挖深度、坡度等進(jìn)行測(cè)量檢查，確保開(kāi)挖深度符合設(shè)計(jì)要求，避免超、欠挖現(xiàn)象。

（4）三維建模。依據(jù)預(yù)先規(guī)劃的測(cè)量時(shí)段、布線方式和測(cè)量密度開(kāi)展測(cè)量工作。重點(diǎn)關(guān)注開(kāi)挖邊界、深度及地質(zhì)條件變化明顯等特殊區(qū)域，增加測(cè)點(diǎn)密度，以獲取詳細(xì)地形數(shù)據(jù)，最后基于Surfer3D軟件實(shí)現(xiàn)地形三維可視化建模，如圖4所示。

圖4開(kāi)挖后爆破區(qū)域水下地形云圖

4.4爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、試爆及優(yōu)化

（1）爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)爆破區(qū)域的大小、形狀和巖石分布情況確定合理網(wǎng)孔間距和排距，確保炸藥爆炸能量在巖石中均勻分布，實(shí)現(xiàn)更好的破碎效果。具體網(wǎng)孔參數(shù)可按如下數(shù)據(jù)確定：

孔距：鉆機(jī)船固定架間距為2.5m，故孔距取 2.5m₀

排距：堅(jiān)硬巖石選用 1.5m ，軟弱結(jié)構(gòu)或不易于成孔層選 2.0m 9

分層厚度：根據(jù)周邊構(gòu)建筑物對(duì)振動(dòng)速度的要求、巖石水下裝運(yùn)效率、巖石厚度等綜合考慮，水下深孔爆破分層厚度6m以?xún)?nèi)爆破效果最佳；鉆孔超深取 1.5～2m 巖石硬度大，則取大值。

裝藥系數(shù)：根據(jù)巖石硬度、裂隙發(fā)育等因素確定。硬度較大巖石，需適當(dāng)提高裝藥系數(shù)，以保證炸藥能量足以破碎巖石；對(duì)于裂隙較多的巖石，需謹(jǐn)慎調(diào)整裝藥系數(shù)，避免過(guò)度爆破。

裝藥間隔長(zhǎng)度： 0.3～0.6m ；孔間間隔：103ms；孔內(nèi)間隔：47 ms。

爆破振動(dòng)安全允許距離計(jì)算公式如下：

式中： R —一爆破振動(dòng)安全允許距離/m；

K 一爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間地形、地質(zhì)相關(guān)系數(shù)，按表“有關(guān)的系數(shù) K 和衰減指數(shù) α 值\"選取；

V? 一保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度/ （cm?s^-1） ；

Q 一最大單段藥量/kg；

α 1 衰減指數(shù)。

單孔裝藥量可根據(jù)《水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范》（JTS204一2023）進(jìn)行計(jì)算：

Q=q₀×a×b×H

式中： q₀ 一 -水下爆破單位炸藥消耗量/ （kg?m^-3） 。根據(jù)巖石特性及類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合巖層厚薄， q₀ 取 1.0～1.2kg/m³ ：

a、b- 一鉆孔的孔距、排距/m；

H₀ 一設(shè)計(jì)爆巖層厚度/m，即開(kāi)挖巖層厚度與計(jì)算超深值之和。

水下裝藥量還應(yīng)考慮：裝藥量應(yīng)達(dá)到鉆孔深度的75% ；在巖層較薄處，適當(dāng)增加裝藥量以減少超深；若孔深 ≥5 m時(shí)，采用間隔裝藥，間隔長(zhǎng)度取0. 5m_c 以1主墩承臺(tái)為例，各炮孔裝藥量計(jì)算如表2所示。

表2單孔裝藥量計(jì)算表

（2）試爆。根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行試爆，若爆破振動(dòng)控制得當(dāng)，開(kāi)挖塊度適合挖泥船裝運(yùn)，可用于指導(dǎo)后續(xù)爆破施工；否則應(yīng)進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化。

（3）爆破參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)試爆結(jié)果和開(kāi)挖情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，包括據(jù)水深調(diào)整防水炸藥類(lèi)型、排距、裝藥系數(shù)、孔內(nèi)及孔間間隔時(shí)間；結(jié)合爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)值與理論值對(duì)比，優(yōu)化最大單段藥量，實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)的爆破總體目標(biāo)。

4.5水下爆破施工

水下爆破施工工藝為：鉆孔 $$ 裝藥 $$ 連線 $$ 警戒 $$ 起爆 $$ 清渣 $$ 地形測(cè)繪及三維建模。

（1）鉆孔。選用合適的鉆機(jī)船，搭載雙GPS測(cè)量定位系統(tǒng)，按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行鉆孔，確保孔位準(zhǔn)確，鉆孔深度符合要求。在鉆孔過(guò)程中，注意保持孔壁穩(wěn)定，特別是在地質(zhì)條件較差、巖石裂隙較多的區(qū)域需保證鉆孔質(zhì)量。

（2）裝藥。根據(jù)設(shè)計(jì)裝藥結(jié)構(gòu)，采用竹條綁扎固定、沙袋間隔等方式將炸藥裝入炮孔，應(yīng)注意裝藥密度和裝藥長(zhǎng)度，采用間隔裝藥要保證間隔均勻。

（3）連線。孔內(nèi)使用數(shù)碼雷管將其與裝藥結(jié)構(gòu)及起爆線路正確連接，確保雷管能夠在預(yù)定時(shí)間起爆；根據(jù)炮孔分布和起爆順序，將各炮孔起爆線路按順序連接至母線，在連線過(guò)程中，逐一檢查連接點(diǎn)，確保連接牢固，避免出現(xiàn)漏接、錯(cuò)接情況發(fā)生。

（4）警戒。在爆破區(qū)域周?chē)O(shè)置警戒范圍，分為水上警戒和岸上警戒兩部分。確保水下船只、岸上人員及建筑物在爆破飛石、沖擊波范圍之外；警戒區(qū)應(yīng)設(shè)置明顯警戒標(biāo)志，通過(guò)廣播、對(duì)講機(jī)等方式，警示附近人員、船舶在規(guī)定時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)離爆破區(qū)域。

（5）起爆。在確認(rèn)爆破網(wǎng)路連接無(wú)誤，各警戒點(diǎn)警戒到位后，由專(zhuān)業(yè)爆破工程師對(duì)整個(gè)起爆網(wǎng)路的進(jìn)行導(dǎo)通性測(cè)試，確認(rèn)無(wú)誤后正式起爆。

（6）清渣。由于基坑開(kāi)挖范圍較小，無(wú)須分段開(kāi)挖施工。本項(xiàng)目采用抓斗挖泥船分條、分層縱挖式挖泥的施工工藝，邊坡按 1：1 設(shè)計(jì)清挖，并進(jìn)行分層階梯開(kāi)挖。開(kāi)挖每層時(shí)，遵循“下超上欠，超欠平衡”的原則，依據(jù)設(shè)計(jì)斷面規(guī)范，實(shí)施不同寬度的開(kāi)挖作業(yè)。初步開(kāi)挖后，邊坡呈現(xiàn)鋸齒狀形態(tài)，而未被挖掘的部分在施工過(guò)程中受到擾動(dòng)，最終在重力效應(yīng)下自然坍塌，形成所需的邊坡。

（7）三維建模。爆破清渣后，對(duì)承臺(tái)基坑地形進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的測(cè)量路線和測(cè)點(diǎn)密度操作。對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)實(shí)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查與校核，剔除因測(cè)量誤差或設(shè)備干擾導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，并基于Surfer3D軟件實(shí)現(xiàn)地形三維可視化建模，如圖5所示。

圖5爆破清渣后基坑區(qū)域水下地形云圖

4.6爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

在施工區(qū)域周邊構(gòu)建筑物關(guān)鍵位置布設(shè)測(cè)振點(diǎn)，采用高精度振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)峰值加速度。測(cè)振點(diǎn)安裝要牢固可靠，確保在爆破振動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生松動(dòng)或脫落。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選和預(yù)處理，去除異常數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、爆破參數(shù)優(yōu)化提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐。

該區(qū)域建筑物允許振動(dòng)閾值為 2.5cm/s² ，經(jīng)監(jiān)測(cè)，爆破振動(dòng)峰值加速度均在安全范圍。同時(shí)利用頻譜分析儀，分析振動(dòng)頻率，未發(fā)現(xiàn)與周邊建筑固有頻率相近情況，排除共振風(fēng)險(xiǎn)。

4.7爆破效果評(píng)估

爆破后觀察開(kāi)挖情況，巖石破碎均勻、塊度適中，完全符合運(yùn)輸和施工的各項(xiàng)要求；同時(shí)，地形坡度合理，平整度達(dá)標(biāo)，爆破效果良好。針對(duì)局部巖石破碎不理想的情況，重新調(diào)整了該區(qū)域炸藥裝藥結(jié)構(gòu)，合理分布裝藥密度，同時(shí)依據(jù)振動(dòng)頻率分析，微調(diào)微差起爆時(shí)間，爆破效果顯著改善。經(jīng)建設(shè)、監(jiān)理、施工單位共同驗(yàn)收，爆破效果符合設(shè)計(jì)與安全規(guī)范要求。

4.8清理整平后掃床驗(yàn)收

爆破完成后，將基坑石渣清除和水下平整后進(jìn)行掃床驗(yàn)收。使用專(zhuān)業(yè)掃床設(shè)備全面檢查爆破區(qū)域，查看有無(wú)突出礁石、廢渣，重點(diǎn)檢測(cè)水下地形平整度、邊坡等是否符合設(shè)計(jì)要求。水下爆破開(kāi)挖基槽應(yīng)每5m檢測(cè)1個(gè)斷面，且 ?3 個(gè)斷面；每個(gè)斷面 1～2m 應(yīng)測(cè)1個(gè)點(diǎn)，檢查方法可采用測(cè)深儀或測(cè)深水礦檢查；當(dāng)空間受限時(shí)，可采用水下加密測(cè)量方法進(jìn)行檢查，并在交工驗(yàn)收資料中注明。

經(jīng)全面檢測(cè)，確認(rèn)水下基坑內(nèi)無(wú)淺點(diǎn)，地形平整度優(yōu)異，邊坡也完全符合設(shè)計(jì)要求。項(xiàng)目順利通過(guò)驗(yàn)收，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，為承臺(tái)的施工奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，保障了橋梁工程的順利推進(jìn)。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)采用無(wú)人測(cè)量裝置，結(jié)合Surfer3D可視化建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了主墩承臺(tái)基坑爆破參數(shù)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，克服了深水爆破無(wú)法直觀觀測(cè)地形，測(cè)量精度低，質(zhì)量控制難度大，無(wú)法采用挖掘機(jī)械開(kāi)挖等技術(shù)難題。在保證爆破目標(biāo)的前提下，優(yōu)化了炸藥用量，提高了施工效率，實(shí)現(xiàn)了深水基坑精細(xì)化爆破施工目標(biāo)，保障了爆破區(qū)域周邊構(gòu)建筑物安全，對(duì)類(lèi)似深水爆破作業(yè)具有較大參考與指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1李水生.橋梁施工中的地質(zhì)挑戰(zhàn)與對(duì)策[J」.工程與建設(shè)，2023，37（6）：1795-1796，1827.

[2]《中國(guó)公路學(xué)報(bào)》編輯部.中國(guó)橋梁工程學(xué)術(shù)研究綜述·2024[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2024，37（12）：1-160.

[3]趙根，陸少鋒，楊招偉，等.水下鉆孔爆破技術(shù)新發(fā)展[J].工程爆破，2024，30（5）：102-111.

[4]李春軍，吳立，李紅勇，等.不同水深條件下水下鉆孔爆破破巖機(jī)理研究[J].爆破，2015，32（4）：123-127.

[5]呂圣華.航道整治疏浚工程炸礁工后檢測(cè)方法分析[J].珠江水運(yùn)，2023（2）：67-69.

[6]李勇，洪劍，朱春春.航道整治工程掃測(cè)技術(shù)和方法探討[J].港工技術(shù)，2022，59（1）：113-116.