喻燦星，覃國杰，曾 麗

(湖南省航務工程有限公司，長沙 410009)

水下礁石爆破是工程爆破的重要組成部分。隨著水利水電項目以及港口和航運業(yè)的快速發(fā)展，水下礁石爆破和其他爆破作業(yè)越來越多地用于港口建設、航道疏浚等項目中。但是水下炸礁施工的周邊環(huán)境復雜、爆破技術難度較大、受水流影響控制較難，歷來是爆破施工的難點。

國內(nèi)外許多學者探索并實踐了水下礁石爆破和海底工程爆破。李春軍等[1]針對水下爆破設計參數(shù)的多樣性和影響因素的復雜性，結合層次分析法和模糊數(shù)學綜合評價方法，建立了水下爆破最優(yōu)設計方案模型，并成功應用于嘉陵江航道整治工程三期。王忠康等[2]利用礁石爆破船逐塊操作，采用排間毫秒延時起爆網(wǎng)路，對港口巷道水下炸礁工程進行了實踐，其爆破效果良好，未對魚和其他水生物造成危害。汪竹平等[3]以內(nèi)河航道擴建工程為例，討論了水下爆破有害效應控制的措施以及可行性。謝正紅[4]采用孔距2.2 m、排距1.8 m、鉆孔超深1.5 m，孔內(nèi)延時的爆破方案，對東莞水道整治工程進行爆破，取得良好的爆破效果。賀早亮等[5]采用數(shù)碼電子雷管，設計合理的延時時間以及爆破參數(shù)，使用逐孔起爆網(wǎng)路，成功實現(xiàn)對陸豐核電廠北導流堤工程的爆破。杜建科等[6]以深圳港大鏟灣集裝箱碼頭土地平整工程一期、水下炸礁工程為背景，分析了爆破施工的周邊環(huán)境、陸域巖石與水下礁石的性質以及設備要求等情況，提出了切實可行的爆破方案以及防護措施，成果實施了巖土爆破、礁石爆破，取得了良好的工程效果。

盡管水下爆破施工與安全技術取得了長足的進步，但是爆破工程的施工環(huán)境各不相同，在工程實踐中，往往有新情況和新問題的出現(xiàn)，仍有許多關鍵技術需要去研究和解決。因此，筆者以施怡灘水下炸礁工程為背景，探索水下炸礁施工過程中的關鍵技術。

1 工程概況

沅水浦市至常德296 km航道在凌津灘樞紐庫區(qū)內(nèi)有麻伊洑的猴兒灘和柳林汊的施怡灘2個礙航灘險，其中施怡灘炸礁航道長約1 200 m，寬60 m，巖層厚度最大處4.3～5.8 m，炸礁工程量7.73萬m3。施怡灘地層劃分為3層，從上至下分別為：層卵石、層褐紅色中風化角礫巖(較硬～堅硬)、黑色中風化板巖(較硬)。

施怡灘位于五強溪鎮(zhèn)下游約3.2 km，右岸為柳林汊村。爆破需保護建筑群主要集中在爆區(qū)中下游的右岸，上游進口段岸邊房屋有3處，青磚小瓦房(2層)距爆破邊線僅71 m，施怡灘炸礁爆破周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 施怡灘炸礁爆破周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment of Shiyitan reef blasting

2 爆破方案與水下鉆爆機理分析

2.1 爆破方案

為盡量加快爆破施工進度，確保破碎效果和減少爆破振動對岸上房屋的影響，根據(jù)待爆礁石附近的環(huán)境情況和巖石結構特點，擬對炸槽采取分段、分幅施工，巖層大于2 m的區(qū)域采用分層爆破，主爆區(qū)內(nèi)采用逐孔分段、逐排延時起爆技術對礁石進行松動爆破。

2.2 水下炸礁爆破作用機理分析

2.2.1 水下爆破特點

雖然空氣和水都屬于流體，但是物理性質也有不同之處，與空氣相比，水的密度比空氣大很多，但其可壓縮性差很多。炸藥在水中爆炸時，爆生氣體產(chǎn)物的溫度可達300 ℃，爆炸初始壓力約為14 GPa。強間斷的沖擊波和水的擴散運動，并在數(shù)倍藥徑區(qū)內(nèi)以球面的形式向外傳播，其速度可達數(shù)倍水中聲速(1 500 m/s)。隨后，爆炸生產(chǎn)的高壓氣體以氣泡形式繼續(xù)膨脹作功，使水快速擴散，并做慣性運動，因此導致氣泡壓力驟降而出現(xiàn)的稀疏波跟隨向外傳播，故造成水中爆炸作用場各點的沖擊波超壓迅速下降，呈指數(shù)衰減。沖擊波作用時間僅為毫秒量級(見圖2)。

圖2 水中沖擊波曲線Fig.2 Shock wave curve in water

隨著氣泡壓力的降低，它逐漸低于靜水壓力。這時，爆源周圍的水開始向相反方向移動并壓縮氣泡。但是，由于水的慣性運動，即使達到靜態(tài)水壓平衡點后，也會繼續(xù)壓縮氣泡，然后氣泡又會因膨脹而對水體做功。這樣的往復循環(huán)將在水中形成多個脈動壓力。由于爆炸后爆炸性氣體產(chǎn)物的比重低于水的比重，氣泡在脈動過程中不斷上升到水面，直到到達水面并逸出為止[7-9]。

2.2.2 水下巖石爆破作用機制

水下巖體和陸地爆破之間的主要區(qū)別在于，水下巖體通常被水飽和。巖石層表面與水體之間的界面承受著水層的靜壓力載荷，在爆破過程中，巖體會受到水層阻力的影響。

首先，由于巖石的波阻抗比空氣的阻抗大一個數(shù)量級，因此，巖石爆炸的沖擊波在水界面處產(chǎn)生的反射波能量要小得多。因此，在水下爆破過程中，反射拉應力對巖石的拉力破壞作用大大減弱。

其次，在水下爆破過程中，巖石爆破位移變形需要克服水壓力，因此，水下鑿巖爆破的單位炸藥消耗必然要大于地面爆破的單位炸藥消耗。

再次，在水下巖體爆破中，其產(chǎn)生的沖擊波、應力波和地震波的衰減速度要比陸地爆破緩慢很多倍。因此，水下巖體爆破產(chǎn)生的振動效果更強，破壞范圍更廣。

3 爆破參數(shù)設計與選取

1)炮孔直徑。由于施工環(huán)境復雜，原則上，炮孔主要以小孔徑、垂直孔為主，并且結合工程地質條件和鉆爆平臺施工特點，炮孔直徑取90 mm。

2)炸藥單耗。水下礁石爆破過程中，除了破碎巖石外還需要克服水的阻力。因此，炸藥的單耗比土巖爆破的單耗要大一 些。通過工程類比得水下爆破炸藥單耗q通常取1.2～1.8 kg/m3，本工程取1.2 kg/m3。

3)孔排距。水下鉆孔的布置首先要適合所使用的鉆爆平臺，同時要確保孔底開挖面上根底不殘留，以及爆堆的大塊率不宜過高。本炸礁工程各排炮孔呈梅花形交錯布置(見圖3)。

圖3 炮孔布置Fig.3 Layout of blast holes

根據(jù)孔距計算公式：

a=(20～30)d

(1)

式中：a為孔距，m；d為炮孔直徑，m。得出孔距a為1.8～2.7 m。

為了降低爆破振動，避免不必要的麻煩，孔排距根據(jù)臺階的高度進行設置。①臺階高度H=2～4.3 m時，取炮孔間距a=2 m，炮孔排距b=2 m；②臺階高度H≤2 m時，取炮孔間距a=1.5 m，炮孔排距b=1.5 m。

4)超深。在沿海水域，覆蓋層較厚，淤泥較重。同時水下鉆爆施工出現(xiàn)欠挖時，補爆難度比較大，并且費工費時。為保證一次施工能達到設計標高，取超深Δh=1 m。

4 鉆孔、裝藥與起爆

4.1 鉆孔

根據(jù)本工程施工環(huán)境、結合以往施工經(jīng)驗采用ZQ100型航道潛孔鉆機，利用先進的水上拼裝式作業(yè)平臺進行水下炸礁鉆孔施工作業(yè)(見圖4)。

圖4 施工船舶錨纜布置Fig.4 Anchor cable layout of construction ships

通過采用GPS定位技術控制水下炸礁過程中炸礁船的位置，該炸礁船的船首和船尾方向與海岸線方向平行，并使用四纜側錨定位炸礁船的方向。邊纜向兩邊拋出的距離為150～200 m。錨索的前后投擲距離可以稍微延長。拋錨船的工作過程由錨船艇協(xié)助。

在平臺船鉆孔施工中，首先將套管安裝在孔位，然后將套管中的鉆頭開始降低到礁石上，然后進行鉆孔施工。根據(jù)炮孔的設計深度進行鉆孔，每次鉆孔完成后，必須立即取出鉆孔工具，并進行驗孔。然后進行裝填炸藥、起爆以及填塞，并且將導爆管雷管的腳線捋直，最后提起套管。

4.2 裝藥

為防止淤泥和碎石堵塞炮孔，鉆孔之后立即裝藥。藥包是是由3塊竹片將炸藥夾在中間而形成的。在施工的過程中要注意相鄰的藥包應緊密連接，以確保藥包能夠穩(wěn)定傳爆。然后根據(jù)炸藥的總長度將導爆管雷管插入到炸藥的相應位置(通常為炸藥的1/3處)，并用密封膠帶將其包裹起來或用綁扎帶將其捆綁扎牢。

雷管的數(shù)量根據(jù)孔的深度確定，本項目中使用1發(fā)雷管。用竹片夾住藥袋，將炸藥通過裝藥棒輕輕推入孔中(裝藥棒由竹竿制成)，使得藥包底部與孔底充分接觸。根據(jù)孔的深度不同，在孔口留一定距離用于填塞。該項目使用的填塞物長度在0.5～1.0 m之間，并且填塞物使用沙子或碎石，裝藥結構如圖5所示。

圖5 裝藥結構Fig.5 Charge structure

4.3 起爆網(wǎng)路

本工程選擇導爆管起爆網(wǎng)路，采用孔間延時與排間延時相結合的逐孔起爆網(wǎng)路(見圖6)。

圖6 起爆網(wǎng)路Fig.6 Detonation network

該網(wǎng)路通過孔內(nèi)裝高段位雷管MS12～MS15，孔外裝較低段位雷管MS5，實現(xiàn)逐孔起爆?？淄?發(fā)MS5接力傳爆時間為110×4=440 ms，而孔內(nèi)第一響雷管MS12的延時時間為550 ms，孔外4發(fā)MS5接力傳爆完110 ms后孔內(nèi)雷管才起爆，保證了網(wǎng)路起爆的可靠性。

5 爆破效果分析

5.1 爆堆形態(tài)

爆破后，進行爆后檢查，發(fā)現(xiàn)所有的炮孔全部被引爆，沒有盲炮或者殘炮，并且礁石破碎塊度均勻，無任何淺點，比較便于鏟裝，說明爆破取得了良好的效果(見圖7)。

圖7 巖石破碎效果Fig.7 Rock fragmentation effect

5.2 爆破振動監(jiān)測

1)測點布置。為了確保爆區(qū)中下游右岸建筑群的安全，使其不受爆破振動影響，在建筑群相應位置布置測點(見圖1中A～D)，布置專用設備TC-4850，對右岸建筑進行爆破振動監(jiān)測,各測點與炸礁邊的距離如表1所示。

表1 振動監(jiān)測測點布置

2)振動監(jiān)測分析。測點A是離爆源最近的測點，其典型振速曲線如圖9所示。

圖9 測點A振速Fig.9 Vibration velocity of measuring point A

從圖9中可以看出各個方向的振速會出現(xiàn)若干高峰，但是隨著時間的推移，振速逐漸衰減為零。合振速最大值為0.977 cm/s。其他測點的合振速最大值如表2所示。

表2 各個測點合振速最大值

根據(jù)中華人民共和國國家標準《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)規(guī)定[10-11]，對一般民用建筑物安全允許振動速度最低值為1.5～2.0 cm/s。從表2中可知，各個測點的振速都低于1.50 cm/s，因此爆破產(chǎn)生的振動對周邊的一般民用建筑物不會造成有害影響。

6 結語

施怡灘水下炸礁爆破塊度較為破碎，且均勻，有利于后續(xù)的清渣工作。施怡灘水下炸礁對周邊的一般民用建筑物未造成有害影響，其爆破是成功的。本工程的爆破孔網(wǎng)參數(shù)可為其他類似的水下炸礁爆破工程提供一定的參考和借鑒。