航道炸礁施工中微差爆破技术的应用

何欢翔 江西省水运咨询有限公司

曾斌华 江西省路港工程有限公司

随着港口航运业务的不断发展，船舶吨位持续增大、吃水也随之加深，对航道水深不断提出更高要求。部分航道因地质条件限制，礁石众多，海岸曲折，单凭疏浚开挖已经无法满足航道拓宽加深要求，必须展开礁石爆破排除。水下炸礁技术起源于军事领域，此后便在航道疏浚、港口建设、海底沟槽开挖等领域中得到广泛应用。微差爆破技术可实现分段延时爆破，能有效降低炸礁爆破施工对周边环境及建筑物的不利影响，对于地质条件特殊、与周围岛屿及堤防建筑物距离较近的航道礁石清除较为适用。为保证炸礁施工效果，必须合理设定微差爆破施工参数，加强爆破过程控制和施工组织设计。

1.航道工程概况

某航道内岸线曲折，礁石众多，且多以中风化和强风化花岗岩为主，岩体质量等级基本为Ⅳ级和Ⅴ级，岩体节理及断层表现出不同特征。航道内潮汐为半日潮，潮差均值在4.65m以上，最大达到6.0m以上，且年内潮汐分布极不均匀。航道港湾内潮流动力较强，常浪多为ENE～NNE向，强浪则主要为SE向。航道炸礁施工区域里程24K400～36K+841，全段均位于水流湍急的主航道。该航道炸礁施工任务包括两部分：主航道疏浚及炸礁、会船区疏浚和炸礁，主航道及会船区底高程均为-20.8m，疏浚边坡和炸礁边坡分别为1:5和1:1.5。待主航道和会船区礁石完全得到清理后可满足30～40万t级散货船乘潮通航以及Q-MAX型液化天然气船不乘潮通航要求。

待炸礁施工航道地质条件复杂，炸礁爆破施工效果受到礁石岩性影响较大，对于硬质及节理明显、软硬不均的岩石，爆破后很容易产生石坎和浅点。礁石层厚在0.45～4.52m之间，层厚差异必然引起装填炸药量的差异，对于较厚礁石，若无法一次爆破到位，则二次补爆的难度非常大。故炸礁施工时必须根据礁石层厚及其他施工参数，确定出合理的炮孔孔位、孔距、排距和超深。

此外，该炸礁施工主航道因受到季节性台风和通航管制等的影响，通航时间通常由海事局依据潮汐情况提前一天安排，通航时间通常集中在日间中高潮位时段，故炸礁船务必在通航前结束爆破并顺利撤离航道。炸礁施工区域与周围最近岛屿仅相距470m，结合公安部门及海事局对爆破施工炸药的审批情况，1条炸礁船施工用炸药量为1t/d，如此大规模炸药若同时引爆，必然会对周围岛屿、码头及建筑物造成较大扰动。

2.施工方案设计

微差爆破技术主要根据毫秒级时间间隔进行炸药分组，并按照特定顺序起爆，也称为毫秒爆破。该爆破技术能有效减弱空气冲击波强度、地震效应及岩石飞溅程度，结合该主航道地质条件、通航情况及距离生产生活区较近的实际情况，炸礁施工主要采取微差爆破技术及梅花形孔网布置[1]。考虑到主航道海域潮差大，可借助静水压强削弱震动波，故应选择中高潮位起爆，尽量避开低潮位，最大限度减弱爆破震动波和声波对周边环境的扰动。

2.1 单孔装药量

该航道水下炸礁爆破施工使用高防水性乳化炸药，同时配备不同段毫秒级微差雷管，保证起爆延时50ms。通过控制单段起爆炸药用量，有序展开微差爆破，抑制震动波强度及传播距离。按照《爆破安全规程GB6722-2014》具体规定确定单孔装药量，公式如下：

式中：Q—水下炸礁微差爆破施工单孔装药量，kg；q0—单位炸药耗用量，kg/m³，软岩及风化石取1.72kg/m³，中等硬岩取2.09kg/m³，坚硬岩石取2.47kg/m³；a—炮孔间距，m；b—炮孔排距，m；H0—爆破层设计厚度，m，为超深值和开挖岩层厚度之和。将该航道炸礁施工相关参数代入式（1）可以得出，单孔装药量为4.6～43.9kg，毫秒微差雷管节段长50cm，每节装药量4kg，故实际单孔装药量8～45kg。

2.2 钻孔深度、炮孔间排距

航道爆破炸礁施工超钻深度一般在1.0～1.5m之间，通常根据炮孔间距、排距及爆破漏斗进行超钻深度确定，以保证爆破后不存在残埂。结合规范及类似工程爆破经验，将该主航道超钻深度确定为1.5m。

一般情况下，炮孔间距和排距按照以下公式取值：

式中：a—炮孔间距，m；b—炮孔排距，m；W1—底部抵抗线。

为增大自由面及礁石破碎度，减小岩石夹制及前冲和后冲作用，增强爆破集中度，降低地震波强度，提升岩石爆破效果，必须保证a、b值的合理性。该主航道微差爆破炸礁施工a、b分别取2.0m和1.8m。

2.3 起爆网路

水下炸礁炮孔的布置必须与钻爆平台相适应，该航道炸礁施工区域内按照2.5m长、2.0m宽的孔网布置，炮孔孔径115mm，堵塞段长0.5～1.2m，超深1.5m，各排炮孔均按照梅花形交错布置。每艘炸礁船配备有6台钻孔机械，可同时钻孔，每个船位轨道长度可安排7个钻孔，据此所布设的起爆网路详见图1，图中6条导爆管依次编号为MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11。

图1 起爆网路设置

结合航道水深图，炸礁施工区域内岩层厚度普遍在2.0～3.0m之间，厚度超出3.0m以上的岩层较少，所以单段炸药用量在300kg左右。对于较薄岩层，施工完6～7排后起爆，爆破面积约达210～245m2；而对于较厚岩层，施工完4～5排后起爆，爆破面积能达到150～185m2。为避免礁石边缘区存在孤立礁石或石坎影响抓斗船顺利炸礁，必须在礁石边界外1.0～3.0m处补钻起爆孔。

2.4 起爆时间

由于炸礁施工所产生的震动波在水体中传播时水体本身属于不可压缩介质，静水压力增大后对震动波和声波并无削减作用[2]，故航道炸礁爆破时间应避开低潮位，并安排在白天进行。根据该航道炸礁施工水域历年上旬和下旬48h潮汐曲线及潮汐变化规律，炸礁施工期间上旬潮位差较大，通航前恰好为退潮期，8h 左右达到最低潮，为此必须在退潮时完成炸礁爆破施工，并为炸礁施工设备撤离航道预留出足够时间。与上旬不同的是，下旬潮位差较小，通航时间也相应较长，通航开始前为退潮期，但由于所处高潮位，炸礁爆破可安排在通航前1～2h进行，以最大限度利用高潮位延长震动波及声波在水体内的传播距离，削弱炸礁爆破对周围建筑物、码头、河堤等的不利冲击。炸礁爆破施工时间的安排具体见图2。

图2 潮汐曲线与炸礁爆破施工时间安排

3.炸礁施工要点

3.1 施工设备

该航道炸礁施工除需要用到炸礁施工设备外，还必须同时配备疏浚和清礁设备。按照方案设计和施工进度，安排3艘炸礁船，综合考虑炸礁施工效率和施工空间限制，每艘炸礁船至少配置5台钻孔机械和3台空压机，同时安排锚艇辅助炸礁船，便于避让和炸礁施工工效的提升。结合地勘结果，航道疏浚区礁石以上以砂土和淤泥质土为主，抛泥区距离远，主航道通航时间要求严格，故应使用耙吸挖泥船大面积分层开挖礁石以上土层。以13m³抓斗船配合破土性能优异的石斗展开清礁，为防止大块岩石漏挖、周边碎石和土质因开挖而隆起，相邻两斗间必须保证20～30cm的重叠。

3.2 施工过程

该航道炸礁施工空间有限，炸礁船抛锚时存在干扰和交叉施工，为此，必须加强调度安排。炸礁船采用RTK-DGPS定位系统，以待处理礁石为单位展开施工，航道范围内待处理礁石共24块，依次编号，礁石厚度在0.45～4.52m之间。考虑到礁石区厚度存在较大差异，在保证炸礁效果的同时节省炸药用量，应根据礁石厚度确定炸药量。

由于设计参数取值相对保守，潮位变化使航道水深增大，静水压力在一定程度上削弱了爆破震动波的影响，故爆破震动值比计算值小。3艘炸礁船为同时施工，故应提前沟通协调，错开起爆时间，并防止低潮位起爆[3]。

4.施工质量及效果检测

结合《爆破安全规程GB6722-2014》《水运工程爆破技术规范JTS204-2008》及类似工程施工经验，微差爆破施工效果主要体现在爆破过程中的地震效应及岩石破碎度等方面。

4.1 地震效应

为进行微差爆破炸礁施工对周围建筑物扰动程度的监测，分别在周围码头、河堤及建筑物等处按照不同距离布设3组监测点，进行爆破过程中垂直向、切向和径向震动速度的监测，根据对监测结果的统计分析得到相关参数取值。基于此，应用《爆破安全规程GB6722-2014》中的公式计算微差爆破震动速度

式中：V—微差爆破震动速度，cm/s；k、α—关系微差爆破点地形、地质条件的衰减系数，根据监测结果并参考规程取值；C—炸药量，kg；R—爆心至测点的直线距离，m。

在C和R值相同的情况下，微差爆破因k、α取值较小，分段延时爆破中前段爆破所产生的气泡会削弱后段爆破的水波冲击，故震动速度仅为齐发爆破的0.7倍[4]。也就是说，微差爆破能使爆破震动所引发的地震效应明显降低。经计算，单段爆破炸药量不超出300kg时，对航道炸礁施工最近建筑物的最大震速为0.6cm/s，明显比地质点允许震速2.0cm/s小，不会对周围建筑物及码头、河堤造成不利影响。

4.2 岩石破碎度

根据对航道炸礁钻孔爆破岩石破碎程度的对比可以看出，微差爆破的岩石破碎程度明显优于齐发爆破，所产生的岩块也更加均匀。结合清碴施工结果，齐发爆破后块石直径普遍在1.0～3.0m之间，重量则在30～1500kg之间，均匀度差，必须使用13m³抓斗船和平板石驳配合清碴；卸碴前还必须在运输船上进行大块岩石二次爆破，施工进度慢。而微差爆破后的块石粒径基本在0.2～1.0m内，块石重量30～150kg，块石粒径小且均匀，块石重量不大，通过13m³抓斗船即可完成清碴施工，无需二次爆破，浅点数量也较少，施工进度快。

4.3 炸药使用量

通过表1中对航道炸礁爆破施工所耗费的炸药量的比较可以看出，微差爆破施工炸药单耗仅为2.09kg/m³，比齐发爆破2.48kg/m³的炸药单耗量小，而炸礁方量可达11.6×104m³。可见，采用微差爆破施工技术能明显节省炸药用量，降低炸礁施工成本，提升经济效益。

表1 航道炸礁爆破施工炸药量耗费情况

为了解微差爆破炸礁施工对就近岛屿的影响程度，选择单段炸药起爆量较大的施工日在岛屿进行实地监测，监测结果见表2，根据监测结果，微差爆破所产生的震动比设计值小，爆破施工对就近岛屿的影响范围位于481～532m之间，虽然超出470m的直线距离，但是岛上既有建筑未受到任何震动影响。

表2 单段炸药起爆量较大的施工日监测结果

5.结论

综上所述，微差爆破可有效降低爆破施工的地震效应，炸药单耗低，能相应减少起爆施工次数，加快炸礁施工速度；爆破后产生的岩石块粒径小且均匀，便于快速清碴装运。充分利用潮汐的作用使爆破震动波和声波得到一定程度削弱，未对就近岛屿建筑物及河堤、码头造成不利震动；根据潮汐及通航时间安排，炸礁船移船时间得到有效控制，施工效率提升。根据对微差爆破炸礁施工结果的勘察监测，爆破效果较为理想，未出现需要补炸的情况，此次爆破施工也积累了深水、水流湍急、大涌浪等复杂工况下航道水下炸礁的成功经验，可作为类似工程施工的借鉴参考。