广汕铁路博罗东江特大桥水下爆破安全技术研究

邱康敏

（中铁二局集团有限公司，四川 成都610031）

1 工程概况

博罗东江特大桥位于惠州市博罗县罗阳镇，丘陵地貌，桥址处五年一遇洪水水位H/20%=7.97 m。其中心里程为DK110+898.473，全桥长3 325.685 m，共设84 个墩台，DK109+930～DK110+375 段跨越东江，旱季水深约23 m、雨季水深约28 m，桥址处河面宽约500 m，跨河部分采用（52+88+52）m+（90+180+90）m+（52+88+52）m 孔跨组合，18、19、20 号墩基础位于博罗东江中。博罗东江特大桥全景如图1 所示。

图1 博罗东江特大桥全景图

2 周围环境

桥址上游11.4 km 为东江剑潭水利枢纽，4.4 km 为博罗大桥，跨越东江主跨为2×80 m 钢架拱，桥址下游8.4 km为博深高速公路东江桥。桥址18 号墩西侧60 多米为民房。桥址东江规划为Ⅲ级航道，通航净宽按不小于150 m，净高不小于10m，最高通航水位14.684 m。桥址处河面宽约500 m，两岸上下游均有丁字坝，水位最深处约20 m，桥址处有采砂现象，部分地段因挖沙，水深较深，河段为潮河段。

3 气象水文

东江是中国珠江的主要支流之一，全长523 km，流域面积占全珠江流域的6.3%，属山区性河流。流经广东省龙川、河源、惠州及东莞等城市。东江河源以南河段可以通航，是香港供水的主要来源。从博罗县观音阁至东莞市石龙为东江下游段，河长150 km，河道平均坡降0.173%。桥址上游11.4 km处的东江剑潭水利枢纽工程正常蓄水位为10.5 m，拦河闸50年一遇（P＝2%），设计洪水泄洪流量Q1%＝10 910 m3/s，200年一遇（P=0.5%） 校核洪水泄洪流量Q=13 000 m3/s。水流流向由左至右，与线路夹角85°。水文成果如下：Q0.33%=13 760 m3/s，Q1%=11 965 m3/s，H1%=15.49 m，V1%=2.43 m/s。

4 地质条件

桥址区部分地段分布有稍密-中密状粉砂、淤泥、粗砂及卵石，基坑开挖时易失稳滑坍，下状基岩为强弱风化凝灰质砂岩及石英砂岩，风化不均，岩芯多呈砂状、碎块状，基坑边坡易滑坍。

18 号墩水深为4.0～6.5 m，淤泥层厚为0.5～3 m，砂夹卵石层为5.7～10.4 m，强弱风化岩层厚为5.1～6.2 m。18号墩工程地质情况如图2 所示。

19 号墩水深13.37～16.23 m，淤泥层厚约0.8 m，砂夹卵石层为2.0～3.2 m，强弱风化岩层厚为8.2～9.9 m。

20 号墩水深为14.66～16.23 m，淤泥层厚为0.7～0.8 m，砂夹卵石层为3.0～3.3 m，强弱风化岩层厚为11.3～13.2 m。

图2 18 号墩工程地质情况

5 水下爆破开挖技术

18 号、19 号、20 号墩桥梁桩基水下爆破施工采用专门炸礁船进行作业，采用抓斗船配合清渣，3 个桥墩位轮流钻孔实施爆破，具体钻爆顺序是19 号、20 号、18 号，各墩按深水到浅水、下游往上游的顺序进行，且一次钻爆到设计深度，避免分层爆破。

施工顺序为：施工准备→清挖覆盖层→钻爆试验→水下钻爆→水下清碴→弃碴→水深测量→补爆清底→完工自检→交工验收。

5.1 水下覆盖层开挖

清挖覆盖层工作拟采用抓斗式挖泥船配8 m3泥斗进行清挖施工。覆盖层开挖施工流程如图3 所示。

图3 覆盖层开挖施工流程图

5.2 爆破工艺比选

本工程礁石面存在覆盖层，炸礁施工前需清理礁石面覆盖层，所以计划清挖船时先清理礁石面覆盖层，同时炸礁船在没有覆盖层区域施工，待炸出清礁面后，重新安排清礁船进入；对于已炸区域的清碴，合理安排各船舶的施工区域，互不影响。

5.2.1 工艺选择

一般水下爆破方式有祼露爆破和钻孔爆破，此次爆破选择水下钻孔爆破。

5.2.2 工艺分析

祼露爆破：操作简单，适合工况好的水下大面积施工，但对超过0.6 m 厚岩石层的爆破，需采用分层多次爆破，效率低，且产生的爆破危害大，如噪声、地震波、水中冲击波等。

钻孔爆破：适合水下大部分礁石爆破，爆破可控性高，爆破产生的地震波、水中冲击波小，特别在厚岩层爆破施工时爆破效果好、效率高。但其操作性相对比较复杂且施工成本高，需要专业的设备进行水下钻孔及装药，施工的干扰因素相对较多。

5.3 水下爆破施工

5.3.1 测量

清完覆盖层后，选用“中海达”RTK 定位系统（精度±2 cm）进行岩面测量，作为边坡放样和实际炸礁范围的依据。岩面测量可利用测深仪对施工区域进行初步测量，如发现存在浮泥或仍有覆盖层，可采用钻杆进行探测，对施工区域进行排位布设，选用“中海达”RTK 定位系统（精度±2 cm）将施工船舶依次定位在布设的排位上，下探钻杆，确定实际岩石面的标高。

5.3.2 爆破范围确定

此次爆破开挖共有三个墩的水下基础，分别为18 号墩、19 号墩、20 号墩。

18 号墩位于河东江河道内（靠近西岸坡），基坑底标高-15.41 m，基坑底平面尺寸按单边超宽1.5 m 控制，即18.2 m×22.185 m，超深1.5 m。覆盖层底部开挖平面尺寸按单边超宽3 m 控制，即21.2 m×25.185 m，覆盖层顶部开挖平面尺寸按1∶2 放坡后宽度为29.2 m×33.185 m；实际钻孔施工时每边再按超宽1.8～2.4 m 进行控制，爆破自然放坡开挖。需凿除的岩层为弱风化砂砾岩，厚度6.16 m，炸、清礁量约2 487 m3。

19 号墩位于河东江河道内（18 号墩东侧），基坑底标高-26.285 m，基坑底平面尺寸按单边超宽1.5 m 控制，即18.2 m×25.2 m，超深1.5 m。覆盖层底部开挖平面尺寸按单边超宽3 m 控制，即21.2 m×28.2 m；覆盖层顶部开挖平面尺寸按1∶2 放坡后宽度为29.2 m×36.2 m；实际钻孔施工时每边再按超宽1.8 m 进行控制，爆破自然放坡开挖。需凿除的岩层为弱风化砂砾岩，平均厚度8.885 m，炸、清礁量约4 075 m3。

20 号墩位于东江河道内（靠近航道西侧），基坑底标高为-30.79 m，基坑底平面尺寸按单边超宽1.5 m 控制，即21.8 m×32.4 m，超深1.5 m。覆盖层底开挖平面尺寸按单边超宽3 m 控制，即24.8 m×35.4 m；覆盖层顶部开挖平面尺寸按1∶2 放坡后宽度为42.8 m×53.4 m；实际钻孔施工时每边再按超宽1.8 m 进行控制，爆破自然放坡开挖。需凿除的岩层为弱风化砂砾岩，平均厚度为10.316 m，炸、清礁量约7 286 m3。

5.3.3 爆破器材及参数

5.3.3.1 爆破器材的选取

水下爆破采用防水性能好的CLH 乳化炸药和深水爆破专用水胶炸药，药卷用塑料袋包装，药卷直径为90 mm，每条药卷长度为40 cm，标准质量3 kg，炸药的爆速为3 500～5 000 m/s，雷管选用防水抗拉型非电导爆管雷管，用非电雷管作为击发元件、非电导爆管结合导爆索为传爆元件，非电雷管为起爆元件引爆药包。

5.3.3.2 各桥墩采用统一爆破参数

各桥墩采用统一爆破参数如下：炮孔直径D=110 mm，药卷直径φ=90 mm，炮孔间距a=2.m，炮孔排距b=1.8 m（根据清渣效果可调整），钻孔超深为1.5 m，梅花形布孔。

5.3.3.3 单孔药量计算

单孔药量Q=q0abH0，Q 为装药量，kg；q0为单位炸药消耗量，kg/m3。

据现有地勘资料，基岩为弱风化砂砾岩，查表取中等硬度岩石单耗2.09 kg/m3；考虑炸药换算指数e，CLH 乳化炸药e=1.06；再考虑钻孔为垂直孔、水的水压增量、覆盖层增量、岩石膨胀增量的影响，用药量增加15%；所以q0=2.09×1.23×1.15=2.96 kg/m3。

H0为爆破岩层厚度，m；Q=q0abH0=2.96×1.8×1.5×H0=8.0H0。

同时还需考虑装药量必须达到钻孔深度的80%左右、药卷规格及便于加工等因数，水下装药量参数如表1 所示。

表1 水下装药量参数表

根据孔深进行装药，每节炸药的长度是0.4 m、质量是3 kg，每孔保证有0.6～0.9 m 的堵塞长度，例如，4.5 m 孔深的实际装药为：（4.5-0.6）/0.4×3＝29 kg。

5.3.3.4 各桥墩单孔装药量

18 号墩岩层厚度为6.16 m，爆破钻孔超深1.5 m，因此，单孔孔深为7.66 m，取表1 所列孔深7.5 m 的实际单孔装药量为51 kg，装药长度为6.8 m，堵塞长度为0.86 m。

19 号墩岩层厚度为8.885 m，爆破钻孔超深1.5 m，因此，单孔孔深为10.385 m，取表1 所列孔深8.5 m 的实际单孔装药量为69 kg，装药长度为9.2 m，堵塞长度为0.8 m。

20 号墩岩层厚度为10.316 m，爆破钻孔超深1.5 m，因此，单孔孔深为11.816 m，取表1 所列孔深10 m 的实际单孔装药量为81 kg，装药长度为10.8 m，堵塞长度为0.7m。

5.3.4 钻孔

钻爆船抛设6 具锚，首尾2 具中锚，两侧共4 具锚。采取梅花状布孔的施工方法进行施工。本工程水下钻孔定位使用中海达RTK 定位系统（精度±2 cm）进行定位，先按爆破设计的孔距、排距编制布孔图，定位时，结合水位、流速变化，移动锚具，使实测孔位与设计孔位点的平面偏差控制在±0.2 m 以内，以确保炮眼平面位置、倾斜度与设计一致。根据钻孔时的实时水位计算该点的下杆深度，要求一次钻爆到设计深度。下杆深度=实时水位（m）+设计底标高（m）+超深值（m）。水下爆破自动化凿岩钻孔船如图4 所示。

图4 水下爆破自动化凿岩钻孔船

5.3.5 装药

药包加工：在钻爆船上加工，将条形药柱对接，并用竹片把药柱夹好绑紧，捆扎药包必须结实、平、直，每节药卷捆3 度，每条药包长度控制在2 m 内；如果超过2 条药包，应外加导爆索，让2 条药包能利用导爆索的传爆能力变成1个起爆体。

雷管安装：安装雷管时，用竹签在药包内轻轻插孔，用手指将雷管轻轻推进药包内：装药长度小于等于4 m 时，同一位置装2 个非电导爆雷管，装在装药底部1/4 处；装药长度大于4 m 时，装4 个非电导爆雷管，各2 个发装在同一位置上，各装在装药底部的1/4 和3/4 位置；然后用手指将孔压平，最后用胶带把导爆管药包与吊炮绳绑扎在一起。

套管装药：装药时将加工好的单孔药包连续慢慢地放入套管内并拉紧吊炮绳，用竹竿将药包慢慢推入孔内，装好药后检查药包的顶标高应在设计的岩面标高以下，否则取消爆破作业，在岩面上另投药包进行诱爆。孔内连续装药结构如图5 所示。

图5 孔内连续装药结构图

炮孔堵塞：18 号、19 号、20 号墩桩基堵塞长度分别为0.6 m、0.6 m、0.7 m，堵塞物均采用塑料袋装砂填塞，砂袋跟最后一根炸药绑在一起跟进孔内，其中砂袋直径不小于90 mm。

起爆网络设计：按每簇不超过20 发的原则，采用水面“大把抓”的联接形式进行联接。起爆网络如图6 所示。

图6 起爆网络图

网络联接形式：18 号、19 号、20 号墩桩基均采用孔间微差爆破，即每个孔利用一个段别雷管起爆，计划2 排共14 个孔一次引爆。示意如下：一排为7 个孔，每个孔各1个段别，MS1 代表1 段、MS2 代表2 段。爆破孔间微差爆破联接如图7 所示。

爆破顺序：18 号墩桩基为保证后续钻爆有更好的临空面，在施工时，取一船位第1 排和第2 排（一区）作掏槽爆破施工，爆破顺序由中间往两侧进行，为第3 排爆破创造临空面。施工一船位第3 排到13 排时，每两排为一个爆区，爆破顺序为由中间往两侧进行，施工完一船位后再施工二船位，每两排为一个爆区，爆破顺序为借一船位的临空面，靠一船先爆往上游方向后爆。18 号墩桩基水下爆破布孔如图8所示。

图7 爆破孔间微差爆破联接图

图8 18 号墩桩基水下爆破布孔图

5.3.6 起爆

当总药量趋近一次最大起爆药量时，检查导爆管雷管网路有无漏接和错接，接点连接牢固，做好起爆前的准备工作，警戒船舶到警戒区进行警戒，接上起爆器。警戒人员发回警戒范围安全信号后，起爆船在确认安全后方可起爆。水下爆破凿岩钻孔及装药机械化作业如图9 所示。

图9 水下爆破凿岩钻孔及装药机械化作业

6 爆破安全

6.1 爆破地震波安全距离计算

根据《爆破安全规程》规定，爆破地震波安全距离按式（1）计算：

式（1）中：R 为爆破点与被保护建（构）筑物的距离，m；K、α 为与爆破点地形、地质等条件有关的系数和衰减指数；V 为爆破地震安全速度；Q 为一次起爆炸药量，kg，延时起爆时取最大一段的装药量。

根据式（1）确定安全药量。

本次爆破施工区域的地质为弱风化砂砾岩，属于中等坚硬岩石，根据以往在工程所在地周边施工的经验，结合本工程的特点，地质系数取K=250，α=1.8，此次爆破的主要保护对象为18 号墩西岸侧的民房跟施工现场栈桥，因此单段起爆药量绝对不允许超出表中相对距离的单段起爆药量，以确保爆破振动速度控制在安全值内。

6.2 各桥墩爆破对西岸侧民房的安全药量取值

18 号墩距离民房最近距离为61.5 m，距离栈桥最近距离为80 m，单响最大药量取值不应超过74.4 kg，实际施工时按60 kg 以内进行取值，一次最大起爆药量不大于960 kg，能保证民房和栈桥的安全。

19 号墩距离民房最近距离为114.2 m，距离栈桥最近距离为130 m，单响最大药量取值不应超过476.6 kg，实际施工时按300kg 以内进行取值，一次最大起爆药量不大于960kg，能保证民房和栈桥的安全。

20 号墩距离民房最近距离为203.7 m，距离栈桥最近距离为220 m，单响最大药量取值不应超过2 704.7 kg，实际施工时按960 kg 以内进行取值，一次最大起爆药量不大于960 kg，能保证民房和栈桥的安全。

6.3 爆破水中冲击波对人员安全的验算

根据《爆破安全规程》规定，在水深小于30 m 的水域内进行水下钻孔爆破，当炸药量为200～1 000 kg 时，水中冲击波对水中人员的安全允许距离按照游泳1 100 m、潜水1 400 m 确定。

6.4 爆破水中冲击波对非施工船舶安全的验算

水中冲击波对客船的安全允许距离应为1 500 m，其他船舶航行时的安全允许距离应为1 000 m。

非施工船舶停置时，当炸药量为200～1 000 kg 时，水中冲击波对非施工船舶的安全允许距离为：木船250 m，铁船150 m。

6.5 爆破水中冲击波对施工船舶安全的验算

水下钻孔爆破药量为200～1 000 kg 时，水中冲击波对施工船舶的水中冲击波安全距离按照木船250 m、铁船150 m确定。

6.6 爆破飞石对人员安全的验算

根据《水运工程爆破技术规范》规定，施工爆破点水深均大于6 m 时，不会形成飞石，因此不考虑飞石对地面或水面以上人员的影响。

7 验收及保证措施

7.1 验收

采用钻杆或测深仪器测量结合岩面标高进行探测，无硬质浅点即为合格。

7.2 保证措施

钻孔前采用RTK 定位（精度±2 cm）放样，确保炮孔定位准确并按规范要求超宽、超深；准确测量基岩顶面高程，以确保钻孔深度达到设计要求，避免漏爆。

施工过程中，把好钻孔质量关，要求钻至设计标高（含超深），并按设计装药量装药。

使用雷管前必须检查。加强对导爆管雷管、乳化炸药的检验，要求导爆管雷管、乳化炸药有出厂检验报告及合格证。确保使用爆破器材的可靠性，确保爆破的安全及效果。爆破技术人员必须严格按爆破设计控制装药量和起爆次序，并根据地形情况、岩性、基岩形状、安全距离等因数及时调整有关爆破参数，以确保施工安全和取得最佳爆破效果。

测量组随时跟踪疏浚清挖石质，监测清渣情况，及时了解挖泥船清渣情况，对每次钻爆礁石的破碎效果进行分析，同时向施工船舶反馈信息，以便施工船舶及时调整施工方法及爆破参数，提高挖泥船清渣效率，减少补炮范围。

为保证爆破开挖后的宽度跟深度能达到设计要求（含超宽1.5 m，超深0.5 m），在钻孔布孔时应有足够的超爆范围（超边线1.8～2.0 m）与超爆深度（超深1.5 m），因爆破形状为漏斗形，加之水下开挖施工工艺的限制，因此，爆破开挖只能控制底标高的深度值，无法清完爆破后浅余在漏斗底部的虚渣。施工完成后，采用RTK 定位（精度±2 cm）仪器，结合测深仪器对开挖范围和深度进行校核，如发现有漂浮物影响仪器测量结果，再利用钻杆对基坑范围内的深度进行探测，确保基坑清挖后达到规定深度与宽度。

8 结语

广汕铁路博罗东江特大桥18～20 号墩水下爆破具有一次性开挖成形速度快，礁石爆破均匀有利于出渣，对周边建筑物，水上船只、水下作业人员影响小；其水下精确定位和爆破技术可应用于水下基础的开挖、水运航道的加深、航道的疏浚等，其成功实施对相关工程有指导和借鉴意义，具有广泛推广和使用价值。