内河航道水下炸礁钻孔爆破技术研究

喻灿星，覃国杰，曾 丽

(湖南省航务工程有限公司，长沙 410009)

水下礁石爆破是工程爆破的重要组成部分。随着水利水电项目以及港口和航运业的快速发展，水下礁石爆破和其他爆破作业越来越多地用于港口建设、航道疏浚等项目中。但是水下炸礁施工的周边环境复杂、爆破技术难度较大、受水流影响控制较难，历来是爆破施工的难点。

国内外许多学者探索并实践了水下礁石爆破和海底工程爆破。李春军等[1]针对水下爆破设计参数的多样性和影响因素的复杂性，结合层次分析法和模糊数学综合评价方法，建立了水下爆破最优设计方案模型，并成功应用于嘉陵江航道整治工程三期。王忠康等[2]利用礁石爆破船逐块操作，采用排间毫秒延时起爆网路，对港口巷道水下炸礁工程进行了实践，其爆破效果良好，未对鱼和其他水生物造成危害。汪竹平等[3]以内河航道扩建工程为例，讨论了水下爆破有害效应控制的措施以及可行性。谢正红[4]采用孔距2.2 m、排距1.8 m、钻孔超深1.5 m，孔内延时的爆破方案，对东莞水道整治工程进行爆破，取得良好的爆破效果。贺早亮等[5]采用数码电子雷管，设计合理的延时时间以及爆破参数，使用逐孔起爆网路，成功实现对陆丰核电厂北导流堤工程的爆破。杜建科等[6]以深圳港大铲湾集装箱码头土地平整工程一期、水下炸礁工程为背景，分析了爆破施工的周边环境、陆域岩石与水下礁石的性质以及设备要求等情况，提出了切实可行的爆破方案以及防护措施，成果实施了岩土爆破、礁石爆破，取得了良好的工程效果。

尽管水下爆破施工与安全技术取得了长足的进步，但是爆破工程的施工环境各不相同，在工程实践中，往往有新情况和新问题的出现，仍有许多关键技术需要去研究和解决。因此，笔者以施怡滩水下炸礁工程为背景，探索水下炸礁施工过程中的关键技术。

1 工程概况

沅水浦市至常德296 km航道在凌津滩枢纽库区内有麻伊洑的猴儿滩和柳林汊的施怡滩2个碍航滩险，其中施怡滩炸礁航道长约1 200 m，宽60 m，岩层厚度最大处4.3～5.8 m，炸礁工程量7.73万m3。施怡滩地层划分为3层，从上至下分别为：层卵石、层褐红色中风化角砾岩(较硬～坚硬)、黑色中风化板岩(较硬)。

施怡滩位于五强溪镇下游约3.2 km，右岸为柳林汊村。爆破需保护建筑群主要集中在爆区中下游的右岸，上游进口段岸边房屋有3处，青砖小瓦房(2层)距爆破边线仅71 m，施怡滩炸礁爆破周边环境如图1所示。

图1 施怡滩炸礁爆破周边环境Fig.1 Surrounding environment of Shiyitan reef blasting

2 爆破方案与水下钻爆机理分析

2.1 爆破方案

为尽量加快爆破施工进度，确保破碎效果和减少爆破振动对岸上房屋的影响，根据待爆礁石附近的环境情况和岩石结构特点，拟对炸槽采取分段、分幅施工，岩层大于2 m的区域采用分层爆破，主爆区内采用逐孔分段、逐排延时起爆技术对礁石进行松动爆破。

2.2 水下炸礁爆破作用机理分析

2.2.1 水下爆破特点

虽然空气和水都属于流体，但是物理性质也有不同之处，与空气相比，水的密度比空气大很多，但其可压缩性差很多。炸药在水中爆炸时，爆生气体产物的温度可达300 ℃，爆炸初始压力约为14 GPa。强间断的冲击波和水的扩散运动，并在数倍药径区内以球面的形式向外传播，其速度可达数倍水中声速(1 500 m/s)。随后，爆炸生产的高压气体以气泡形式继续膨胀作功，使水快速扩散，并做惯性运动，因此导致气泡压力骤降而出现的稀疏波跟随向外传播，故造成水中爆炸作用场各点的冲击波超压迅速下降，呈指数衰减。冲击波作用时间仅为毫秒量级(见图2)。

图2 水中冲击波曲线Fig.2 Shock wave curve in water

随着气泡压力的降低，它逐渐低于静水压力。这时，爆源周围的水开始向相反方向移动并压缩气泡。但是，由于水的惯性运动，即使达到静态水压平衡点后，也会继续压缩气泡，然后气泡又会因膨胀而对水体做功。这样的往复循环将在水中形成多个脉动压力。由于爆炸后爆炸性气体产物的比重低于水的比重，气泡在脉动过程中不断上升到水面，直到到达水面并逸出为止[7-9]。

2.2.2 水下岩石爆破作用机制

水下岩体和陆地爆破之间的主要区别在于，水下岩体通常被水饱和。岩石层表面与水体之间的界面承受着水层的静压力载荷，在爆破过程中，岩体会受到水层阻力的影响。

首先，由于岩石的波阻抗比空气的阻抗大一个数量级，因此，岩石爆炸的冲击波在水界面处产生的反射波能量要小得多。因此，在水下爆破过程中，反射拉应力对岩石的拉力破坏作用大大减弱。

其次，在水下爆破过程中，岩石爆破位移变形需要克服水压力，因此，水下凿岩爆破的单位炸药消耗必然要大于地面爆破的单位炸药消耗。

再次，在水下岩体爆破中，其产生的冲击波、应力波和地震波的衰减速度要比陆地爆破缓慢很多倍。因此，水下岩体爆破产生的振动效果更强，破坏范围更广。

3 爆破参数设计与选取

1)炮孔直径。由于施工环境复杂，原则上，炮孔主要以小孔径、垂直孔为主，并且结合工程地质条件和钻爆平台施工特点，炮孔直径取90 mm。

2)炸药单耗。水下礁石爆破过程中，除了破碎岩石外还需要克服水的阻力。因此，炸药的单耗比土岩爆破的单耗要大一 些。通过工程类比得水下爆破炸药单耗q通常取1.2～1.8 kg/m3，本工程取1.2 kg/m3。

3)孔排距。水下钻孔的布置首先要适合所使用的钻爆平台，同时要确保孔底开挖面上根底不残留，以及爆堆的大块率不宜过高。本炸礁工程各排炮孔呈梅花形交错布置(见图3)。

图3 炮孔布置Fig.3 Layout of blast holes

根据孔距计算公式：

a=(20～30)d

(1)

式中：a为孔距，m；d为炮孔直径，m。得出孔距a为1.8～2.7 m。

为了降低爆破振动，避免不必要的麻烦，孔排距根据台阶的高度进行设置。①台阶高度H=2～4.3 m时，取炮孔间距a=2 m，炮孔排距b=2 m；②台阶高度H≤2 m时，取炮孔间距a=1.5 m，炮孔排距b=1.5 m。

4)超深。在沿海水域，覆盖层较厚，淤泥较重。同时水下钻爆施工出现欠挖时，补爆难度比较大，并且费工费时。为保证一次施工能达到设计标高，取超深Δh=1 m。

4 钻孔、装药与起爆

4.1 钻孔

根据本工程施工环境、结合以往施工经验采用ZQ100型航道潜孔钻机，利用先进的水上拼装式作业平台进行水下炸礁钻孔施工作业(见图4)。

图4 施工船舶锚缆布置Fig.4 Anchor cable layout of construction ships

通过采用GPS定位技术控制水下炸礁过程中炸礁船的位置，该炸礁船的船首和船尾方向与海岸线方向平行，并使用四缆侧锚定位炸礁船的方向。边缆向两边抛出的距离为150～200 m。锚索的前后投掷距离可以稍微延长。抛锚船的工作过程由锚船艇协助。

在平台船钻孔施工中，首先将套管安装在孔位，然后将套管中的钻头开始降低到礁石上，然后进行钻孔施工。根据炮孔的设计深度进行钻孔，每次钻孔完成后，必须立即取出钻孔工具，并进行验孔。然后进行装填炸药、起爆以及填塞，并且将导爆管雷管的脚线捋直，最后提起套管。

4.2 装药

为防止淤泥和碎石堵塞炮孔，钻孔之后立即装药。药包是是由3块竹片将炸药夹在中间而形成的。在施工的过程中要注意相邻的药包应紧密连接，以确保药包能够稳定传爆。然后根据炸药的总长度将导爆管雷管插入到炸药的相应位置(通常为炸药的1/3处)，并用密封胶带将其包裹起来或用绑扎带将其捆绑扎牢。

雷管的数量根据孔的深度确定，本项目中使用1发雷管。用竹片夹住药袋，将炸药通过装药棒轻轻推入孔中(装药棒由竹竿制成)，使得药包底部与孔底充分接触。根据孔的深度不同，在孔口留一定距离用于填塞。该项目使用的填塞物长度在0.5～1.0 m之间，并且填塞物使用沙子或碎石，装药结构如图5所示。

图5 装药结构Fig.5 Charge structure

4.3 起爆网路

本工程选择导爆管起爆网路，采用孔间延时与排间延时相结合的逐孔起爆网路(见图6)。

图6 起爆网路Fig.6 Detonation network

该网路通过孔内装高段位雷管MS12～MS15，孔外装较低段位雷管MS5，实现逐孔起爆。孔外4发MS5接力传爆时间为110×4=440 ms，而孔内第一响雷管MS12的延时时间为550 ms，孔外4发MS5接力传爆完110 ms后孔内雷管才起爆，保证了网路起爆的可靠性。

5 爆破效果分析

5.1 爆堆形态

爆破后，进行爆后检查，发现所有的炮孔全部被引爆，没有盲炮或者残炮，并且礁石破碎块度均匀，无任何浅点，比较便于铲装，说明爆破取得了良好的效果(见图7)。

图7 岩石破碎效果Fig.7 Rock fragmentation effect

5.2 爆破振动监测

1)测点布置。为了确保爆区中下游右岸建筑群的安全，使其不受爆破振动影响，在建筑群相应位置布置测点(见图1中A～D)，布置专用设备TC-4850，对右岸建筑进行爆破振动监测,各测点与炸礁边的距离如表1所示。

表1 振动监测测点布置

2)振动监测分析。测点A是离爆源最近的测点，其典型振速曲线如图9所示。

图9 测点A振速Fig.9 Vibration velocity of measuring point A

从图9中可以看出各个方向的振速会出现若干高峰，但是随着时间的推移，振速逐渐衰减为零。合振速最大值为0.977 cm/s。其他测点的合振速最大值如表2所示。

表2 各个测点合振速最大值

根据中华人民共和国国家标准《爆破安全规程》(GB 6722-2014)规定[10-11]，对一般民用建筑物安全允许振动速度最低值为1.5～2.0 cm/s。从表2中可知，各个测点的振速都低于1.50 cm/s，因此爆破产生的振动对周边的一般民用建筑物不会造成有害影响。

6 结语

施怡滩水下炸礁爆破块度较为破碎，且均匀，有利于后续的清渣工作。施怡滩水下炸礁对周边的一般民用建筑物未造成有害影响，其爆破是成功的。本工程的爆破孔网参数可为其他类似的水下炸礁爆破工程提供一定的参考和借鉴。