港口航道水下炸礁工程实践*

王忠康，杨仕教，王富林，郑建礼

(1.南华大学 核资源工程学院，衡阳 421000；2.广东锡源爆破工程有限公司，惠州 516000)



港口航道水下炸礁工程实践*

王忠康1,2，杨仕教1，王富林1，郑建礼2

(1.南华大学 核资源工程学院，衡阳 421000；2.广东锡源爆破工程有限公司，惠州 516000)

摘要:水下炸礁在港口建设、航道疏浚等水运工程中运用日益广泛，但水下爆破受施工环境和相关因素影响，相对陆域爆破难度较大。炸礁工程位于近海港区，待爆礁石为中硬岩，爆区四周环境较好。施工中采用炸礁钻爆船逐块作业，选取φ 115 mm炮孔、炸药单耗1.62 ～ 2.07 kg/m3、孔距2.5 m、排距2.4 m、超深1.5 m的爆破参数，采用排间毫秒延期起爆网路，同时实施安全与质量控制措施，确保爆破安全。结果表明：水下炸礁爆破效果良好，炮孔全部起爆，礁石块度均匀且较为破碎，无浅点，爆破振动与水中冲击波在安全范围内，未对岸边建筑物及鱼类等水生物造成危害。

关键词:水下炸礁；爆破参数；控制措施；爆破安全

水下炸礁是工程爆破的重要组成部分，随着水利水电工程和港航运输事业的快速发展，水下炸礁等爆破作业在港口建设、航道疏浚等工程中的运用日益广泛。水下炸礁通过作业船或水上作业平台，利用钻具穿过水层对水下岩石进行钻孔、爆破，将炸药置于水体覆盖的岩礁中，受岩礁和水体介质的双重影响，具有施工环境复杂、施工难度较大、影响因素较多、施工成本较高、爆破效果难控制和对环境影响大等特点。

第二次世界大战后，大规模的水下爆破开始用于实践。瑞典首次采用水下钻孔爆破开挖林多运河。美国应用水下钻孔爆破开挖五大湖之间的航道。英国成功利用双套管回转冲击式钻机、钻孔爆破工程船及升降平台拓深伦敦伊尔福德港[1]。日本为修建桥梁及清除海峡礁石，对水下爆破进行了一系列试验研究[2]。1968—1972年间，广州黄埔港大濠洲航道水下炸礁工程施工工艺、爆破技术及爆破理论等都达到国内先进水平，同时填补了国内水下爆破不断航的空白。东莞水道整治起步工程通过精心设计和严格施工等措施，在工期紧、爆区复杂情况下安全高效保质保量保工期地完成了任务[3]。李春军等针对水下爆破设计参数的多样性及影响因素的复杂性，结合层次分析法(AHP)和模糊数学(Fuzzy)综合评价方法，建立水下爆破设计方案优选模型，并成功运用于嘉陵江航道整治三期工程[4]。汪竹平等以内河航道扩建工程为例探讨了复杂环境下内河航道疏浚水下爆破有害效应控制措施的可行性[5]。针对岩石坚硬、海况复杂，风大、流急、涌浪大，船只定位、钻孔困难，邹维兴等采用炸礁平台进行施工，结果证明利用炸礁平台完成海况复杂炸礁施工效率较高[6]。以洋山港某礁盘水下炸礁工程为例，王维聪介绍了临空面不足和卡钻、塌孔等特殊条件下水下炸礁采取的工程措施[7]。国外的水下炸礁工程已开始采用计算机测量系统、遥感勘测系统、全球定位系统等先进技术，实现了钻孔精度的有效控制[8-10]。

水常作为不可压缩介质，水下爆破产生的冲击波对周围环境及生物的影响不可忽视。韦灼彬等采用数值仿真方法研究港口水下爆炸荷载的冲击特性，分析了水下爆炸冲击波传播过程与气泡膨胀规律[11]。殷秀红等对比分析两种不同模型的计算结果，得出水介质的存在会减缓冲击波与爆轰气体的衰减速率[12]。黄梓荣等根据珠江口桂山牛头岛出坞航道水下炸礁鱼类吊笼试验，对游泳生物的影响进行分析评估，并通过二元线性回归对鱼类死亡率与爆破距离和炸药量之间的关系进行拟合分析，得出游泳生物死亡率经验公式[13]。此外，爆破振动的危害也需要注意。

水下炸礁施工与安全技术虽然取得很大进步，并广泛应用于航道、港口整治工程，但在工程实践中，随着出现的新情况、新问题，仍有很多关键技术需要我们去研究和解决。

1工程概况

港航水下炸礁工程位于广东省惠州市大亚湾西北部、惠州港荃湾港区纯洲岛及附近海域，北侧距纯洲岛最近为100 m，南侧距沙鱼洲最近为980 m，其中南侧岛洲附近海域为养殖场，相距800 m，西侧5000 m处为石化储油罐堆放区、500 m处为重力式码头，周边环境相对较好。见图1。施工所处区域根据钻孔揭露资料，基岩为白垩纪的晶屑凝灰岩、凝灰质砂岩、流纹岩等地质，基岩上普遍发育有一套以海陆交互相为主的海积、冲积、洪积混合相第四系沉积，其上为海相沉积为主的沉积地层及近代回填土。礁石处于航道中心偏北一侧，爆区水深约15.2 ～ 21.7 m，礁石长宽约为300 m×30 m，礁石最高标高-15.2 m，设计标高-22 m ，石方量约6万m3，上部为强风化凝灰岩，下部为中风化凝灰岩，属中硬岩。近海炸礁作业受水下条件复杂、能见度差、水流急、暗流多、礁石坡面光滑且覆盖层厚等因素影响，导致移船定位、布孔施钻等工序难度增大，故将施工区自东向西分为A区、B区、C区、D区4个部分，运用RTK-DGPS定位技术由辅助船将炸礁钻爆船拖到指定位置，并辅助炸礁船抛射六具锚，其中船头和船尾各一具中锚，锚缆长150 m；炸礁船两侧各抛两具边锚，锚缆长120 m，如图1所示。根据水下钻孔爆破布孔越简单、越规则越好的原则，同时为便于作业，采用垂直钻孔、矩形布孔的形式。一次爆破至设计标高，而后挖泥船施工，清挖出一块爆破一块，逐块施工直至完工。

2爆破参数设计与选取

2.1炮孔直径

水下爆破条件复杂，为降低施工难度和钻孔工作量，原则上采用大孔径、垂直钻孔方式进行炮孔施工，结合该工程地质条件及钻爆平台施工特点，采用φ 115 mm炮孔。

2.2炸药单耗

水下爆破除需破碎岩石外，还需克服水和礁石表面覆盖层的阻力，此外炸药单耗还受自由面条件、爆区水深等因素影响，故炸药单耗相对陆域爆破较大。参照瑞典的水下爆破设计单耗，按式(1)计算炸药单耗。

(1)

式中：q1为水下钻孔爆破的基本药量，其值常取陆域台阶爆破炸药单耗的2倍,采用垂直钻孔，再增加10%；q2为爆区上方因水压存在造成的炸药单耗增量，为水深的0.01倍；q3为礁石上因覆盖层存在造成的炸药单耗增量，为覆盖层厚度的0.02倍；q4为因礁石膨胀扩容造成的炸药单耗增量，为台阶高度的0.03倍。

根据水下礁石物理力学性质及清礁设备工作能力，参考类似水下炸礁工程炸药单耗取值，结合多次类似工程施工经验，综合考虑各方面因素，确定本工程的炸药单耗取值范围q=1.62 ～ 2.07 kg/m3。

2.3孔排距

水下布孔首先要与采用的钻爆平台相适应，原则上越简单、越规则越好。同时，确保孔底开挖面上不残留未被爆除的岩埂，炮孔上部不产生过多大块，避免和减少水下二次爆破。本工程采用垂直钻孔、矩形布控的形式，结合具体水下爆破经验公式，按照式(2)初步计算孔距，则孔距a=(2.30 ～ 3.45)m。

a=(20～30)d

(2)

式中：a为孔距，m；d为炮孔直径，m。

根据作业平台上钻机的参数、爆区礁石性质和施工环境等因素，通过试验对比礁石爆破效果和后续清渣效率，确定孔距a=2.5 m，排距b=2.4 m。施工过程中，可根据礁石的具体情况对孔排距进行微调。

2.4超深

近海水域覆盖层厚、泥沙多，加之套管保护不当时，泥沙可能部分淤填炮孔，同时水下钻孔爆破欠挖时补爆难度大、费工费时。考虑本工程为航道增深，为保证一次施工能达到设计标高，取超深Δh=1.5 m。

3装药与起爆

3.1装药结构及单孔药量

水下爆破炸药的选型对爆破效果影响甚大，根据前期施工情况及爆破效果，本工程采用防水性强、爆炸性好的特制水下专用乳化炸药，药柱直径90 mm，长度50 cm，每支3 kg。药包进行专门加工以保证良好的爆破效果，方法如下：用三支竹片把适量药柱夹好、绑紧，相邻药柱之间应紧密连接；然后在药包底部安装起爆体(起爆体内并联安装有2发毫秒导爆管雷管)，一般选择安装于总长度的1/3处，实际操作过程中常安装于倒数第二个药柱；最后用胶带把导爆管与炮绳同药包绑扎稳固，装药方式如图2所示。

单孔药量Q按照公式3进行计算

(3)

式中：Q为单孔药量，kg；q为炸药单耗，kg/m3；a为孔距，m；b为排距，m；h为孔深，设计开挖礁石标高与超深之和，m。

3.2装药方法

施工过程中，根据地质情况调整装药量，当岩层上部为强风化岩石时，则减少装药，按照孔深的2/3 ～3/4装填炸药，一般装至岩石孔口约1.0 m处。药柱长度小于4 m时装一个起爆体，装在炸药长度下部约1/3处；等于或大于4 m时，采用分层装药，中间隔沙筒，装两个起爆体，各装在底部的1/4和3/4位置。纯洲岛水下炸礁钻孔深约为2 ～ 8.5 m，理论计算单孔药量为6～45 kg，实际操作中单孔最大药量为48 kg，每孔装填一个药包组件，为2～16节。

3.3起爆网路

在充分考虑爆区周围环境，同时保证工程质量，确保爆破安全，采用排间毫秒延期爆破，延期时间大于或等于25 ms。孔内起爆体中并联2发防水的毫秒导爆管雷管，同排孔采用“一把抓”的连接形式将导爆管均匀敷设到起爆电雷管周围，且导爆管端头与起爆雷管的距离不小于15 cm，雷管的聚能穴指向导爆管传爆反方向，胶带绑扎牢固；排间并联，电力起爆。

每排6孔，浅孔时，一次起爆6～7排，爆破面积约216～252 m2；深孔时，一次起爆4～5排，爆破面积约144～180 m2。为防止泥沙淤积钻孔，钻完一孔立即在套管保护下装药，堵塞。爆破网路图如图3所示。

4爆破安全与质量控制措施

港航水下炸礁工程虽地处近海，但距离岸上设施和水工建筑物也有一定距离，又因水介质的存在，加之其近似不可压缩，爆区水深超过15m，个别飞石的影响可不予考虑[14]。因此，爆破振动和水中冲击波为爆破有害效应的主要考虑对象。

4.1爆破振动

因爆破产生的振动速度不得超过建构筑物地面的安全振动速度，否则将会对建构筑物产生不利影响。

爆破地震安全距离，参考水下爆破振动计算公式文献[15]，用萨道夫斯基公式来计算

(4)

式中：R为爆破地震安全距离，m；v为爆破振动安全速度，可参照相关标准予以取值(对于重力式码头，为安全起见取v=5 cm/s)；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单响药量，kg；K、α为与爆破点地形、地质等条件有关的系数和衰减指数，对中等硬度岩石取K=150，α=1.5。

本工程最大单响药量为280 kg，综合考虑北面100 m纯洲岛(无居民及建构筑物)，南面800 m水产养殖场，西面5000 m处储油罐堆放区、500 m处重力式码头，以码头为参考，v=5 cm/s，计算出安全距离约为20.33 m，保护目标所处位置远离振动影响区，安全上能够保证。

4.2水中冲击波

水不同于空气，为近似不可压缩介质，药包爆炸后产生的冲击波传播更快更远，影响范围更大，故通常水中冲击波为水下爆破的主要危害。对于水中冲击波，可依照式(5)，水下爆破冲击波压力经验公式进行计算

(5)

式中：ΔP为水中冲击波超压峰值，MPa；Q为产生水中冲击波的等效药量，即长度等于5倍药卷直径的炸药量，kg；R为爆破点与被保护处的距离，m。

对于西面500处的混凝土沉箱码头，混凝土抗压强度为20 MPa，取其抗压强度的1/20作为允许抗压强度(1 MPa)来测算，得最大药量爆破时，ΔP≈0.06 MPa，知对码头影响非常小。

爆区南面800 m处为水产养殖场，水中冲击波对鱼类的影响应予以严格控制。水中冲击波对鱼类影响安全控制标准参见表1。

表1　水中冲击波对鱼类影响安全控制标准[14]

结合公式，计算知最大药量爆破时，ΔP≈0.03 MPa，对高度敏感的石首科鱼类亦不构成伤害。

4.3质量控制措施

炸礁过程质量控制对爆破效果的好坏至关重要，为使工程爆破效果达到预期，根据积累的施工经验及参考相关文献，施工过程中实行相关质量控制措施如下：

(1)测量定位采用RTK-DGPS定位和全站仪定位，确保实测孔位和设计孔位偏差不超10 cm；当水流较急或转潮时要经常进行孔位复测。

(2)保证钻孔套管长度，防止受水流冲击而产生移位及泥沙淤孔。在起、落钻前报告潮位，施钻过程中潮位每变化10 cm报一次水位；同时根据作业平台实地扫测水下地形，结合实时水深准确确定每个钻孔的深度。钻孔完毕，用测深绳检查孔深，若未达到要求，要继续下钻，直至满足设计孔深。

(3)采用防水性能较好的毫秒雷管和高性能的抗水乳化炸药，并对药包进行专门加工，装填起爆体，避免拒爆。严格按设计要求装填药包，借助炮棍将炸药下装至孔底；同时要求装药至距孔口1.0～1.5 m，根据实际情况进行药量控制，以满足要求。

(4)电力起爆，连接好起爆网路各个支路后进行电阻检查，确保各支路起爆电雷管电阻稳定在设计允许范围内，避免出现跳炮现象。

(5)施工过程中，遇到中、微风化岩石，根据实际情况缩小排距，保证爆破质量。

5结论

经爆后检查，一次起爆的所有炮孔全部起爆，爆破块度较为破碎，且块度均匀，无任何浅点，无需补爆，后续的8方清礁船清挖满斗率超过95%，极大地加快了清挖进度，从而加快了整体工程进度。

为避免爆破对炸礁区周围构建筑物及鱼类等水生物造成危害，在爆区西面500 m码头及5000 m储油罐堆放区进行爆破振动监测，南面800 m水产养殖场进行水中冲击波监测。结果显示，储油罐堆放区无震感，码头处无明显震感，影响很小；水产养殖场水中冲击波较小，最大单响药量爆破时实测值为0.037 MPa，仍低于控制标准最小值0.05 MPa，不会对养殖场内水产造成伤害。

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Practice of Underwater Reef Blasting in Port Channel

WANGZhong-kang1,2,YANGShi-jiao1,WANGFu-lin1,ZHENGJian-li2

(1.College of Nuclear Resources Engineering, University of South China, Hengyang 421000, China;2.Guangdong Xiyuan Blasting Engineering Co Ltd,Huizhou 516000,China)

Abstract:The underwater reef blasting is widely used in harbor construction,waterway dredging and some other water transport engineering.However,compared with onshore blasting,the underwater blasting is more difficult for the construction environment and related factors.The underwater reef blasting is located in coastal port,with medium-hard rock and good environment.The reef blasting-workboat was used in the project,by choosing appropriate blasting parameters,including 115 mm borehole,1.62～2.07 kg/m3specific charge,2.5 m hole spacing,2.4 m row spacing,1.5 m sub-drilling,and adopt the millisecond delay detonating network.Meanwhile,the construction operations quality is an indispensable part in safety.As a result,good blasting effect in underwater reef is obtained:all borehole are detonated and reef lumpiness are well-distributed; no patch shallow exists after blasting; blast vibration and water shock wave are under the expected value and makes no harm to surroundings.

Key words:underwater reef blasting; blasting parameters; controlling measures; blasting safety

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.024

收稿日期:2016-03-09

作者简介:王忠康(1989-)，男，硕士研究生，从事岩土及爆破工程研究，(E-mail)wangzhongkang@126.com。 通讯作者:杨仕教(1964-)，男，教授、博士生导师，从事采矿工程、岩土工程研究，(E-mail)cutel088@sina.com。

基金项目:国家自然科学基金项目(50974076)；湖南省教育厅科研项目(14C0959)；湖南省研究生科研创新项目(2015SCX14)

中图分类号:TV542+.5

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0123-05