陳 猛，簡 震，李金劍

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

在大型航電樞紐工程中，通常采用分期導(dǎo)流的方式，為保證航道正常通航，需要進(jìn)行河道疏浚施工，河道疏浚部分位于主航道內(nèi)，不具備填筑圍堰進(jìn)行旱地開挖的條件。因此，必須進(jìn)行水下開挖。在汛期進(jìn)行水下開挖施工時(shí)，施工難度較大、效率低，且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

岷江龍溪口航電樞紐工程位于樂山市犍為縣新民鎮(zhèn)境內(nèi)，為樂山至宜賓河段推薦的第四個(gè)梯級，上游為犍為梯級，推薦閘址位于犍為縣新民鎮(zhèn)上游約600m～800m的岷江河段。龍溪口樞紐工程為Ⅱ等大(2)型工程，擋水建筑物、泄水建筑物為2級建筑物；混凝土攔河閘壩與泄水建筑物按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核；下游消能防沖工程為50年一遇洪水設(shè)計(jì)。樞紐主要建筑物采用一字型布置，從左至右依次為:左岸重力壩段(61.68m，其中包括24.08m的魚道擋洪閘壩段)，廠房段(274.40m，其中裝卸場20.9m，安裝間60m，主 機(jī) 間193.50m)，泄 洪 閘 壩 段(470.79m)，船閘段(70m)，右岸接頭重力壩(84.20m)。壩頂總長961.07m，壩頂高程為324.50m。

水下開挖施工位于一期一枯圍堰外側(cè)的上、下游臨時(shí)航道土石方開挖，一期一枯圍堰301.50m高程以下部分土石方開挖(詳見圖1)，開挖總量達(dá)186萬m3。其中土方開挖143萬m3，石方開挖43萬m3。

圖1 水下開挖范圍

2 水下開挖的問題

根據(jù)當(dāng)?shù)睾Ｊ戮盅雌谒鲜┕ち髁恳罂刂圃?000m3/s以內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)提供的水文氣象資料可知，對應(yīng)流速為3.5m/s，水位約為306.00m，開挖疏浚高程298.00m，水深達(dá)8m，作業(yè)船只定位困難，鉆爆施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。

目前水下開挖施工存在以下幾種問題:

(1)水下開挖存在不可見性，存在漏挖、欠挖的可能，造成返工；

(2)作業(yè)船只易受水流量、水位等因素的影響，定位困難、鉆孔效率低；

(3)受水的浮力、流速影響，炸藥易浮出炮孔，提拉導(dǎo)爆管時(shí)易掉落，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；

(4)水流速度過快時(shí)，導(dǎo)爆管受力增大，存在斷裂的可能，且斷裂后無法處理，造成炸藥無法起爆。

正是由于這些問題的存在，造成了汛期進(jìn)行水下開挖施工難度大，施工效率低，耗費(fèi)大量人力、物力，且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 水下土方開挖

3.1 開挖布置

水下開挖施工共計(jì)布置3艘鏈斗式采砂船、1艘挖機(jī)船，鏈斗式采砂船為無動力船舶，靠纜繩驅(qū)動，在一期一枯圍堰上下游各布置一個(gè)臨時(shí)?？奎c(diǎn)和開挖料中轉(zhuǎn)點(diǎn)。臨時(shí)?？奎c(diǎn)設(shè)置栓船樁，栓船樁為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，斷面尺寸為1.5m×1.5m，深度3m，預(yù)埋2.2m，外漏0.8m。開挖料中轉(zhuǎn)點(diǎn)用于開挖料轉(zhuǎn)運(yùn)，使用液壓反鏟裝車，20t自卸汽車運(yùn)輸，運(yùn)輸至指定渣場。

3.2 探測水下地形

由專業(yè)測量人員，使用水下紅外線觀測儀器、聲吶探測儀、GPS全球定位系統(tǒng)等設(shè)備，對施工范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行水下探測，形成水下地形圖。根據(jù)地形圖，對施工區(qū)域進(jìn)行分區(qū)分塊，形成施工圖紙，便于施工過程中對開挖范圍及開挖質(zhì)量的控制。

3.3 測量放樣

由專業(yè)測量人員，根據(jù)施工圖紙，使用合適的測量設(shè)備，將開挖區(qū)域用浮筒進(jìn)行標(biāo)記；岸邊顯眼位置設(shè)置水位尺，便于觀測水位情況[1]。

3.4 開挖與出渣

3.4.1 設(shè)備就位

使用GPS全球定位系統(tǒng)，將鏈斗式采砂船定位至開挖位置；采用5個(gè)纜繩，每個(gè)纜繩采用2個(gè)船錨，使用工作船進(jìn)行下錨，在采砂船上游拋設(shè)3條主錨纜、在采砂船兩側(cè)分別拋設(shè)2條橫錨纜，主錨纜用以控制船體前、后移位，橫錨纜控制船體左、右移位[2]。將出渣的駁船通過纜繩與采砂船相連，分別在船首、船中、船尾進(jìn)行固定。船錨布置詳見圖2，采砂船與駁船布置詳見圖3。

圖2 船錨布置

圖3 砂船與駁船布置

3.4.2 開挖

按照施工區(qū)的分塊順序，進(jìn)行分區(qū)開挖，開挖采用縱向施工，每一單元條中又分用橫向排斗，依次序前移，各條帶之間有一定重疊量，一般為厚度的3～4倍，每兩個(gè)挖斗位之間的重疊寬度約為斗寬的1/3～1/4；每一條帶完成開挖后，采用聲吶探測儀及時(shí)進(jìn)行測量，便于繪制最新的開挖截面圖，根據(jù)截面圖顯示的實(shí)際情況及時(shí)對采砂船位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，確保無漏挖、欠挖，避免后期再次挪船定位，影響施工效率；如果有漏挖情況發(fā)生，也可根據(jù)截面圖來開展補(bǔ)挖工作。

3.4.3 出渣

開挖料通過駁船運(yùn)往開挖料中轉(zhuǎn)點(diǎn)，使用液壓反鏟裝車，20t自卸汽車運(yùn)至指定的渣場。

4 水下石方開挖

4.1 爆破方案選定

為盡量減少鉆孔爆破作業(yè)時(shí)對航道通航的影響，采用半河道封閉式作業(yè)；根據(jù)現(xiàn)場施工條件，采用水下鉆孔爆破，使用密度較大的防水性能好的乳化炸藥[3]；為了保證孔內(nèi)炸藥完全起爆，孔內(nèi)采用2發(fā)雷管制成的起爆藥包，以復(fù)式網(wǎng)絡(luò)連接起爆；為避免起爆時(shí)飛石影響通航船只安全，需在航道上、下游1100m范圍用警戒船警戒，起爆時(shí)禁止通航。

4.2 鉆爆船改裝

根據(jù)施工現(xiàn)場河道實(shí)際情況，大型鉆爆船無法進(jìn)入施工現(xiàn)場，且附近內(nèi)河河道無現(xiàn)成可用鉆爆船，結(jié)合龍溪口大流量、高水位的特殊工況，選定鉆機(jī)數(shù)量及型號，通過設(shè)計(jì)改裝現(xiàn)有240t運(yùn)輸船作為鉆爆船，采用等邊角鋼L160×160×12作為底部支撐，使用2cm厚鋼板作為面層，在面層上鋪設(shè)30kg/m鋼軌，作為鉆機(jī)移動軌道，軌道上安裝4臺HDZ－5河道治理鉆機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)正常水下鉆孔、爆破功能。

4.3 炮孔設(shè)計(jì)

4.3.1 確定炮孔深度

使用水下紅外線觀測儀器、聲吶探測儀探測出水下石方地形；由水下探測結(jié)果得知，巖石整體高程高于設(shè)計(jì)高程1m左右，結(jié)合?爆破設(shè)計(jì)與施工?中規(guī)定，鑒于水下爆破欠挖時(shí)補(bǔ)充爆破難度大、效率低、耗時(shí)長，國內(nèi)水下鉆孔超深值一般采用1.0m～1.5m[4]，根據(jù)旱地爆破效果，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，選取超深1.5m，計(jì)算出鉆孔深度H為2.5m。

4.3.2 炮孔布置形式及孔網(wǎng)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場鉆爆船的鉆機(jī)平臺便于移動的特點(diǎn)，炮孔采用矩形布置，考慮鉆孔定位易于控制，簡便操作，利于裝藥，鉆孔采用垂直鉆孔作業(yè)；為確?？椎组_挖面不殘留巖埂，不產(chǎn)生過多的大塊石，利于后續(xù)出渣，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定孔距、排距。

孔距計(jì)算公式為:

排距計(jì)算公式為:

式中:a為孔距，m；b為排距，m；W為底盤抵抗線，m。

經(jīng)計(jì)算與結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況確定孔距a為1.8m，排距b為1.5m。

4.3.3 裝藥量

本工程巖石為泥巖，根據(jù)?水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范?，單位耗藥量q為1.72kg/m3，水下爆破由于爆破介質(zhì)承受著水的壓力，爆破介質(zhì)破碎須克服水體的阻力，根據(jù)?爆破設(shè)計(jì)與施工?中的相關(guān)規(guī)定，水下鉆孔爆破單耗藥量根據(jù)水深確定。

單耗藥量計(jì)算公式為:

式中:q為單耗藥量，kg/m3；h為水深，m。

綜合考慮后期炮渣便于開挖及運(yùn)輸?shù)纫蛩兀罱K確定單位耗藥量q取2kg/m3。

每孔裝藥量計(jì)算公式為:

式中:Q為每孔裝藥量，kg；q為單耗藥量，kg/m3；a為孔距，m；b為排距，m；H為炮孔深度，m。

計(jì)算得出水下爆破的每孔裝藥量Q為13.5kg。

4.3.4 孔位編號

根據(jù)水下石方探測結(jié)果，形成水下石方地形圖，使用CAD等軟件，按照設(shè)計(jì)孔排距，對爆破孔位進(jìn)行編號，形成施工圖紙，便于鉆爆船精確定位。本工程鉆爆船軌道長度24m，孔距1.8m，可布14個(gè)爆破孔位，結(jié)合鉆爆船便于左、右移動的施工特點(diǎn)，以23.4m為一個(gè)施工斷面。本工程使用的導(dǎo)爆管長度為15m。施工期最大水深8m，排距1.5m，考慮導(dǎo)爆管聯(lián)網(wǎng)、水流沖擊等因素，以23.4m×6m為一個(gè)起爆單元。施工中，測量人員使用GPS全球定位系統(tǒng)記錄已爆破區(qū)域，及時(shí)更新施工圖紙。

4.4 鉆爆與出渣

4.4.1 鉆爆船定位

利用GPS全球定位系統(tǒng)進(jìn)行測量定位，指揮鉆爆船錨泊定位，做到鉆孔定位準(zhǔn)確，防止漏鉆和疊鉆；根據(jù)當(dāng)天當(dāng)時(shí)的水位、設(shè)計(jì)孔深及超深值計(jì)算該點(diǎn)的鉆孔深度。

4.4.2 鉆孔

根據(jù)水深確定套管長度，在船上裝配好套管長度，套管露出水面附近留卸渣孔，方便渣料排出，頂部使用鋼絲繩拴好套管，吊起沉放入水；為防止套管受水流影響而傾斜，在鉆機(jī)平臺上加裝套管穩(wěn)定卡環(huán)，卡環(huán)分上部、下部卡環(huán)，上部位于鉆機(jī)平臺處，采用焊接加固，下部卡環(huán)由4根角鋼焊接固定在平臺下方1.6m處，剛好處于水面之上；下套管時(shí)，使套管穿過上、下卡環(huán)，達(dá)到固定套管的目的；在鉆機(jī)平臺增設(shè)卷揚(yáng)機(jī)，爬桿頂部架設(shè)桅桿，用于套管下放與提升，減少套管的安裝拆卸，簡化施工過程。

在鉆爆船增設(shè)兩條鋼軌，并做好尺寸標(biāo)記，間距與孔距保持一致，便于鉆機(jī)平臺移動；在鉆機(jī)平臺增設(shè)卷揚(yáng)機(jī)，爬桿頂部架設(shè)桅桿，用于鉆桿下放與提升；同時(shí)，鉆桿長度根據(jù)鉆孔深度選取，便于接卸鉆桿。以鉆機(jī)平臺為基準(zhǔn)面，在鉆架上做好標(biāo)記尺寸，一般每隔10cm做一個(gè)標(biāo)記，測出鉆機(jī)平臺高程后，能根據(jù)鉆桿下放長度，快速得出需鉆入的深度。當(dāng)巖石表面局部有少量砂卵石覆蓋或強(qiáng)風(fēng)化巖，用高壓風(fēng)將其吹走，然后鉆進(jìn)；當(dāng)巖石表面局部有較厚砂卵石覆蓋或強(qiáng)風(fēng)化巖，沖擊式鉆機(jī)無法直接鉆進(jìn)時(shí)，可以先使用偏心鉆頭鉆進(jìn)至巖石表面，再使用沖擊式鉆機(jī)鉆進(jìn)，直到鉆達(dá)設(shè)計(jì)要求深度后，來回提鉆數(shù)次，確?？妆诘墓鉂嵍取?/p>

4.4.3 制作藥包

本工程使用密度較大、防水性能好的2號巖石乳化炸藥，炸藥密度1.00g/cm3～1.30g/cm3，大于水的密度1.00g/cm3，無需增設(shè)配重，藥卷直徑D為90，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的炸藥卷一般采用PVC管加工制作而成，制作時(shí)，需對PVC管進(jìn)行切割，裝入炸藥后，重新進(jìn)行加固，加工過程繁瑣，浪費(fèi)人力，效率不高，且炸藥卷受水流流速影響，易浮出炮孔，裝填炸藥卷后，將炮孔封堵，若出現(xiàn)拒爆，炸藥卷很難取出，一般由潛水員進(jìn)行取出，存在安全隱患。本工程采用自主研制的一種具有抗浮作用的水下裝藥卷，成功解決上述問題，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，具有抗浮功能；可將炸藥卷固定在炮孔內(nèi)，避免受水流影響浮出炮孔，若出現(xiàn)拒爆，裝填完成后，亦可通過提拉線將炸藥卷取出，同時(shí)炸藥柱成錐形，便于藥包安裝。

為減小盲炮的可能，導(dǎo)爆管一般采用高精度塑料MS延時(shí)導(dǎo)爆管雷管，抗水性強(qiáng)；在藥柱上牢固綁扎一根提繩用于提拉藥柱，并將引出的導(dǎo)爆管每隔70cm一道松弛地綁扎在提繩上，當(dāng)水流較急時(shí)，導(dǎo)爆管可能無法承受水流沖擊斷裂，可在導(dǎo)爆管套上硅膠管，使硅膠管承受沖擊，消除水流速度對作業(yè)的影響。

4.4.4 裝藥

鉆孔完成后立即裝藥，以防止石渣淤孔，裝藥時(shí)用送藥桿壓住藥包頂部，拉穩(wěn)藥包提繩，配合送藥桿順進(jìn)，通過套管緩慢地送入孔內(nèi)；送藥桿采用木材加工成形，端部設(shè)有螺紋連接件，使多節(jié)送藥桿連接高效、便捷、可靠，每節(jié)送藥桿的長度一般為5m，端部設(shè)有一條繩索，便于提拉操作。

使用粗砂或粒徑小于10mm的碎石堵孔，水深大于6m的可不需堵塞，水深大于3m小于6m的，堵塞長度控制在0.5m～1.0m，水深小于3m的，孔口堵塞長度控制在1.5m～2.0m。待裝藥、堵塞完成后，需要將導(dǎo)爆管從水下提取至操作平臺，由于導(dǎo)爆管是繩狀結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的提取方式多采用帶鉤的木棍或帶線的鐵環(huán)進(jìn)行提取，提取時(shí)需兩人配合，浪費(fèi)人力，效率不高，且水流較急時(shí)，導(dǎo)爆管易脫落，脫落后導(dǎo)致炸藥無法起爆，存在一定安全隱患，危險(xiǎn)系數(shù)較大。因此，自主研制了一種導(dǎo)爆管防脫提拉裝置來解決上述問題[5]，詳見圖4。導(dǎo)爆管防脫提拉裝置由兩個(gè)半圓形鋼環(huán)、活動卡扣、操作桿等組成，提拉環(huán)套住套管后，放入水中，夾緊導(dǎo)爆管，將其提升至操作平臺，隨后可拔出套管，使用卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行套管的起吊，提升套管時(shí)，要注意保護(hù)提拉線和導(dǎo)線，避免損壞，另外在導(dǎo)線頂部設(shè)置浮標(biāo)，便于后續(xù)聯(lián)網(wǎng)。

圖4 導(dǎo)爆管防脫提拉裝置示意

4.4.5 起爆

使用工作船利用預(yù)設(shè)的浮標(biāo)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，采用復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)，其具有抗干擾性強(qiáng)、安全性好、起爆可靠的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路應(yīng)在主爆線上加系浮標(biāo)，使其懸吊，應(yīng)避免導(dǎo)爆管網(wǎng)路沉入水底，造成網(wǎng)路交叉，破壞起爆網(wǎng)路。

起爆前，人員設(shè)備撤離爆破區(qū)，在航道上、下游1100m范圍用一條警戒船警戒，水上派交通艇在安全區(qū)域進(jìn)行巡邏，警戒范圍可根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)大。按照爆破相關(guān)規(guī)范，發(fā)出預(yù)備信號，確認(rèn)人員和設(shè)備全部撤離危險(xiǎn)區(qū)后，具備安全起爆條件時(shí)，發(fā)出起爆信號后，立即起動起爆器引爆，爆破完成15min后，由爆破員、安全員進(jìn)入爆區(qū)檢查有無盲炮，經(jīng)檢查確認(rèn)安全后，方準(zhǔn)發(fā)出解除警戒信號。

4.4.6 出渣

利用挖機(jī)船、采砂船等設(shè)備進(jìn)行炮渣開挖，采用GPS精準(zhǔn)定位，確定已完成爆破的位置，然后進(jìn)行開挖；使用駁船運(yùn)至指定開挖料中轉(zhuǎn)點(diǎn)，采用反鏟進(jìn)行卸料，配合20t自卸車運(yùn)至指定渣場。

5 總結(jié)

(1)通過采用增加船錨數(shù)量的方式，能夠有效保證采砂船的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了汛期進(jìn)行水下開挖。

(2)采用“設(shè)置卡環(huán)、增設(shè)卷揚(yáng)機(jī)、架設(shè)桅桿”的鉆孔方式，消除了水流速度、水位，對鉆孔時(shí)套管受水流影響而傾斜的影響，提高了鉆孔效率。

(3)采用具有抗浮作用的水下裝藥卷，將炸藥卷固定在炮孔內(nèi)，避免了炸藥卷浮出炮孔，保證了爆破安全。

(4)采取導(dǎo)爆管防脫提拉裝置，避免了導(dǎo)爆管提取過程中發(fā)生脫落現(xiàn)象，保證了導(dǎo)爆管順利組網(wǎng)，消除了安全隱患。