沉管隧道水下炸礁施工方案优化及安全控制

胡勇前， 陈美灵， 公祥玉， 刘言峰

(1.佛山市新城开发建设有限公司，广东佛山 528316； 2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

沉管隧道水下炸礁施工方案优化及安全控制

胡勇前1， 陈美灵2， 公祥玉1， 刘言峰2

(1.佛山市新城开发建设有限公司，广东佛山 528316； 2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

佛山市汾江路南延线工程沉管隧道是我国国内公路与地铁合建工程中规模最大的沉管隧道。由于我国现有水下炸礁技术文献尚未完善，该工程隧址处地理位置特殊，周边环境、工程地质条件恶劣，再加之工期短、基础结构复杂等问题，导致水下钻孔爆破施工具有诸多技术难点。文章从抛锚移位选定、爆破参数计算、起爆网络设计、炮孔装药量计算、炸礁施工安全控制几个方面，对佛山市汾江路南延线工程沉管隧道炸礁技术进行了方案优化设计，详化了水下钻孔炸礁技术，增强了安全控制。

沉管隧道； 炸礁； 方案优化； 安全控制

沉管隧道由于埋深浅、两岸接线短，越来越受到我国城市水下隧道工程的青睐[1]。佛山市汾江路南延线工程沉管隧道，其沉管段基槽大部分为强、中风化岩层，只有北岸有少量的填土、淤泥层。土质从上部至下部依次为杂填土、淤泥、全风化岩、强风化岩，中风化岩和微风化岩且隧址处河道弯曲，水流复杂且流速大，基槽岩面突起，河面狭窄，施工工期较短。水下工程爆破不仅要达到预期的爆破效果，而且应避免或减少飞石及冲击波、地震波、爆破涌浪等对周围环境的不利影响，随着工程规模的不断加大，一次性起爆药量的逐渐增多，爆炸冲击波的破坏力度也成为值得关心的问题[5-6]。因此选择合理优化炸礁施工方案利于更好地进行工程质量、安全控制及缩短工期[2-4]。

1 工程概述

1.1 工程选址及施工背景

本工程是佛山市汾江路南延线(澜石路至裕和路段)工程的其中一个标段，位于佛山市澜石大桥与东平大桥之间的东平水道，从北向南跨禅城区与顺德区，沉管段起讫里程为SK1+200.00(YDK-2+598.068)～SK1+645.00(YDK-2+153.068)，全长445 m，共分四节管段，管段宽39.9 m。施工区周边有较多的民房建筑物，为进一步减少爆破振动对房屋、村民的干扰，将优化炸礁施工方案，使之对周边建筑物、居民的影响降至最低。

1.2 地质构造特点

(1)区域构造特征：本场地在区域构造上处于华南准地台湘桂粤褶皱系粤中拗褶束的中部，即瘦狗岭断裂带以南的构造区——三水断陷盆地东延部分。

(2)新构造运动：佛山市新构造运动的特征主要表现为断块活动，受几条规模较大的活动性断层所控制，具体表现为里水隆起区、佛山沉降区、西江沉降区。

(3)断裂：近场地的区域性断裂有雷岗西断裂、扶西(山紫)断裂、雷岗东断裂、罗村断裂等断裂构造。雷岗西断裂斜穿过线路，与线路相交于澜石路一带，该断裂为非全新世断层。

(4)褶皱：本场地处于三水断陷盆地的东南部，三水断陷盆地总体表现为一个大型向斜拱曲构造，区内石碣-石湾一带为该向斜拱曲的东翼，自东往西依次为古辛统莘庄组及始新统土布心组、宝月组和华涌组，本段地层产状为260°～290°∠5～30°。

1.3 周围环境

施工区所处河道南岸为规划绿地，北岸建筑物众多，施工区域附近无过江天然气管道、光纤电缆线通过。

2 炸礁船施工方法及特点

2.1 抛锚移位选定

炸礁船总的来说采用了前后两具及左右的四具边锚中锚来具体控制船位前后左右移动，锚缆长约100 m，不超过200 m。炸礁船采用的定位技术是RTK-DGPS定位，其精度为±1 cm+1 ppm。其后设立RTK-DGPS基准站控制点，由RTK-DGPS定位系统将具体的钻孔孔位通过平面图的形式在电脑上面呈现出来，定位的时候，实际孔位和设计孔位之间的误差不能超出10 cm。

2.2 爆破参数计算

炸礁船在对各期礁区施工时，采取图1所示的平面布置方式，采用顺水流、梅花状布孔的施工方法进行施工。

图1 炸礁船平面布置示意

本工程的设计爆破参数根据工程具体的岩石性质、炸礁船的装备情况及清礁船舶对岩石破碎块度和松散度的要求等确定，排距参照JTS 204-2008《水运工程爆破技术规范》取用。

(1)孔距a：根据投入本工程施工船舶数量按照公式宏大一孔距a=2.4 m确定；

(2)排距b：根据本爆破区的岩石性质(强风化岩石、中风化岩、微风化花岗岩)和施工环境等来确定，设计排距b= 1.8 ～ 2.2 m(具体参数要根据爆破监测数据及抓斗清挖效果来调整)。

(3)孔径d：球齿钎头外径105 mm，孔径d= 115 mm。

(4)超钻深度Δh：结合工程的实际情况控制超深量，取Δh= 1.5～2.0 m。

(5)炸药规格：本工程中使用乳化炸药，药柱直径D=90 mm，长度为L=500 mm，重量2.67 kg。

2.3 钻孔

(1)在礁区附近探明水质和水底礁石分布情况后，应对附近未达设计要求的礁石区域进行钻孔爆破，以确保炸礁范围内的质量满足清礁要求。

(2)分层钻孔，层厚度在6～7 m(根据抓斗船清挖能力确定分层厚度)。采用潜孔冲击器冲击回转钻进方法一次性钻至设计孔底标高(加超钻深度)，钎头型号105 mm。钻孔施工时，钻具的潜孔冲击器钻孔孔径为115 mm，同时空压机送出高压气体同时作用，将钻孔时产生的杂物吹出孔外。

(3)孔位偏差不大于20 cm。当有外界因素如水流湍急等情况干扰时，应当进行孔位复测。

(4)起钻、落钻之前都要记录实时潮位。钻孔施工中，潮位每变化20 cm就需再次记录水位，以便控制钻孔施工深度。

2.4 装药

2.4.1 引爆装置选择

根据本工程特点选用炸药是塑料筒装药柱，将药卷及导爆雷管装入筒内，爆破效果很好[7]。在塑料筒适当部位钻一小孔，从孔中把导爆管雷管插入炸药作为起爆体，然后再用导爆管沿着塑料筒打个结并用胶布绑缠好，炸药加工完成。连续装药长度达到4 m及以上时，要加装起爆体，以保证炸药传爆的可靠性，达到更好的爆破效果。钻孔完成后，爆破员将加工后的炸药沿着套管壁放入炮孔中。装药示意如图2所示。

图2 装药示意

2.4.2 炮孔装药量计算

2.4.2.1 公式选择

Q=q·a·b·h[2]

式中：Q为炮孔装药量(kg)；q为炸药单耗(kg/m3)，结合本工程的地质情况和清礁设备(采用8 m3，挖泥船)，根据JTS 204-2008《水运工程爆破技术规范》和多年来施工的有关经验，取q=1.0～1.2 kg/m3；a、b、h为孔距、排距、孔深(m)。

2.4.2.2 不同孔深的钻孔装药量

单孔装药量如表1所示(药柱直径为90 mm)。

表1 单孔装药量

实际操作中，根据地质情况调整装药量(例如岩层上部如为强风化岩石，可减少装药量)，按孔深的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，装在药柱长度h的下方约1/3处；药柱长度h≥4 m或者按设计需要减少单孔起爆药量时，则采用分层装药，中间隔砂筒(砂筒长度50～100 cm)，装两个或以上起爆体。炮孔装填炸药后，用塑料筒装砂堵塞(或塑料袋装砂、小碎石填塞)，砂柱直径不小于90 mm，填塞长度不少于50 cm。装药结构示意如图3所示。

图3 装药结构示意

2.5 起爆网络

2.5.1 起爆网络设计特点

(1)整个起爆网络采用簇联的方式联接；

(2)每个起爆体内装两发并联的导爆雷管，电雷管先激发导爆雷管，其后导爆雷管引爆炸药[10]；

(3)连接网络时，为了防止导爆管管壁破损，管径拉细导爆管不允许进行打结和对折操作[10-11]；

(4)起爆电雷管的聚能穴朝向应与导爆管传爆方向相反，位置为距离导爆管尾端应当大于15 cm。导爆管要均匀分布于电雷管周围，并用防水胶布缠牢，这样才能更好引爆全部的导爆管[11]；

(5)每20根导爆管内至少要装有两发电雷管，才能确保导爆管雷管能够完全激发；

(6)一次性起爆的孔数根据炸药用量和爆炸能力的大小来决定，用交流电起爆时保证电流强度应不小于4.0 A/每发电雷管，用直流电起爆时保证电流强度应不小于2.5 A/每发电雷管。

2.5.2 起爆网络图

根据本工程特点，经分析施工条件及成本等因素，综合考虑本工程将采用非电毫秒塑料导爆管微差起爆网络，起爆网络如图4所示，控制爆破网络见图5。

图4 起爆网络

图5 控制爆破网络

3 基槽开挖施工安排

第一期基槽开挖区域东西宽约91 m，南北宽约156 m，施工面积约12 743 m2，炸礁工程量约120 000 m3。计划安排一组炸礁船、挖泥船进行施工作业，沿基槽中轴线方向布置施工船。一期基槽开挖施工时需对原有航道进行改移，改移后临时航道位于规划航道的南侧，为确保临时航道通航水深达到4.5 m的要求，先安排挖泥船进行临时航道的疏浚，随后安排挖泥船进行一期基槽表层开挖。该区域需爆破岩层厚度超过10 m，为降低单次起爆药量，计划采取分两层爆破施工方法挖至设计标高。第一层爆破厚度约6 m，爆破完成后安排挖泥船进行清礁施工，第一层清礁完毕后再进行第二层的炸礁、清礁施工。

一期基槽开挖施工应严格按照设计药量，由岸边向河道中间施工。离施工区域较近的主要构筑物是北侧堤岸，最近距离为25 m，从南向北开始施工。根据爆破安全公式计算离河堤25 m区域最大段别药量为23 kg。本段区域为安全起见，距离河堤25～50 m区域，分两层装药，采取孔外微差起爆网络，单孔单响；距离河堤50 m外区域，单孔采用连续装药，采取排与排之间微差起爆网络，单排单响。

4 水下炸礁施工安全控制——对小布村民房采取的保护措施

水下炸礁产生的噪音、冲击波等都会对周围环境造成一定安全影响，因此该部分施工需要采取一定保护措施，进行安全控制。本工程中小布村位于施工区上游河道的南岸，距离一期开挖基槽最近距离约300 m，距离3期基槽开挖最近距离约150 m，是重点保护区域。为减少对小布村居民的影响，保护民房建筑物，需进一步优化施工方案，确保小布村民房的安全。除采取微差爆破、不耦合装药外，还可以在一期基槽开挖施工过程中，沿河道南岸一侧打设减震孔、同时对每天的爆破施工采取分区域爆破的方式，相关保护措施详述如下：

4.1 微差爆破

按计算药量严格控制最大段别药量和总药量，采用孔内毫秒微差爆破施工，减少单段别使用药量，降低地震波和冲击波对被保护对象的影响[8]。导爆管采用1～20个段别，根据控制药量计算单孔爆破所需段别数，导爆管段别自上而下逐级递增，孔端用砂筒封口。每段别起爆体之间用砂筒隔离防止串爆，避免爆破效果降低。

4.2 采用不耦合装药

设计钻孔直径115 mm，为了增大不耦合系数，使用直径为90 mm的药柱，不耦合系数1.44，根据计算，采用不耦合装药减震达到30 %～60 %。

4.3 打设减震孔

减震孔的作用可以将因爆破引起的震动速度削减20 %～50 %，有效降低震感。对于本工程，可在河道南侧河堤沿岸打设减震孔，布设5排(每排长为150 m)共计1 875个减震孔。孔网参数根据钻孔设备和其它条件，取减震炮孔直径D=115 mm，取孔距a=0.4 m，排距b=0.4 m，钻取深度取25 m(确保大于爆破钻孔超深值)。打减震孔利用炸礁船(宏大钻一)进行水下钻孔，船上配有4台空压机和8台钻机，钻孔效率高。减震孔布置示意如图6所示。

图6 减震孔布置示意

4.4 分区域爆破

一期基槽施工每次爆破总药量不超过500 kg，受限于每日只有两次爆破时间的限制，如进一步降低药量，将会严重影响工程进度。因此，通过将爆破区域分成两个区域，分两次间隔起爆，从而降低每次起爆药量，达到降低爆破振动的目的。

4.5 防噪措施

严格控制爆破作业时间，施工现场的强噪声机械设置封闭的机械棚，以减少强噪声的扩散。试爆时对爆破环境噪声的进行监测，及时对施工现场噪声超标的有关因素进行调整，达到施工噪声不扰民的目的[9]。

5 结束语

本文基于佛山市汾江路南延线工程沉管隧道工程实例，对沉管隧道水下炸礁施工方案优化及安全控制进行了深入的研究，解决了水下爆破对周围环境影响管控及钻孔作业深度需求深等问题。对水下炸礁方案进行了详细探讨，提出了新的水下炸礁方案，解决了钻孔技术要求、人员组织及危险控制的难题, 同时又大大节约了工期。本工程爆破施工区横穿东平水道，过往船只较多，给施工航道避让协调及爆破前警戒带来不便的问题也得以破解。综上所述，佛山市汾江路南延线工程沉管隧道过程中的多项关键技术，为以后沉管段水下炸礁施工方案设计优化积累了丰富经验。

[1] 周华贵, 邢永辉, 王丽.浅谈佛山市汾江路南延线工程沉管隧道特点及管件技术[J].现代隧道技术,2012(5):85-90.

[2] 钱途. 郁江大桥过河管道工程水下炸礁施工及其安全控制[J]. 中国高新技术企业, 2010(31): 175-177.

[3] 吴金仓, 孙健, 刘佳政, 等. 复杂海况条件下水下深孔控制炸礁技术[J]. 工程爆破, 2006(1): 66-70.

[4] 张永卿. 深水中深孔炸礁爆破的实践[J].爆破,2005(1): 83-84.

[5] 杨光煦. 水下工程爆破[M]. 北京：海洋出版社, 1992.

[6] 张志波, 李春军, 李红勇, 等. 气泡帷幕在水下爆破减震工程中的应用[J]. 爆破, 2003(2): 75-76.

[7] 汪抗生,李华祥. 水下炸礁工程施工技术[J]. 探矿工程, 1991(4): 34-36.

[8] 吴腾芳, 王凯. 微差爆破技术研究现状[J]. 爆破, 1997(1): 53-57.

[9] 刘宝宏, 韩玉峰, 高岩, 等. 水下爆破震动有害效应地周边影响的防治[J]. 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版, 2008(S1): 151-153.

[10] 邱峰.沉管隧道施工与管理研究[D].华南理工大学,2009.

[11] 陈郁华,王冬凡,韩明. 湄洲湾深水航道炸礁爆破技术[J]. 煤矿爆破,2007(1):36-39.

[定稿日期]2017-06-21

胡勇前(1972～)， 男，高级工程师，研究方向为桥梁与隧道工程项目管理与技术优化。

U459.9

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