浅谈航电枢纽工程水下开挖方法

陈 猛，简 震，李金剑

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

在大型航电枢纽工程中，通常采用分期导流的方式，为保证航道正常通航，需要进行河道疏浚施工，河道疏浚部分位于主航道内，不具备填筑围堰进行旱地开挖的条件。因此，必须进行水下开挖。在汛期进行水下开挖施工时，施工难度较大、效率低，且存在一定的安全风险。

1 工程概况

岷江龙溪口航电枢纽工程位于乐山市犍为县新民镇境内，为乐山至宜宾河段推荐的第四个梯级，上游为犍为梯级，推荐闸址位于犍为县新民镇上游约600m～800m的岷江河段。龙溪口枢纽工程为Ⅱ等大(2)型工程，挡水建筑物、泄水建筑物为2级建筑物；混凝土拦河闸坝与泄水建筑物按100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核；下游消能防冲工程为50年一遇洪水设计。枢纽主要建筑物采用一字型布置，从左至右依次为:左岸重力坝段(61.68m，其中包括24.08m的鱼道挡洪闸坝段)，厂房段(274.40m，其中装卸场20.9m，安装间60m，主 机 间193.50m)，泄 洪 闸 坝 段(470.79m)，船闸段(70m)，右岸接头重力坝(84.20m)。坝顶总长961.07m，坝顶高程为324.50m。

水下开挖施工位于一期一枯围堰外侧的上、下游临时航道土石方开挖，一期一枯围堰301.50m高程以下部分土石方开挖(详见图1)，开挖总量达186万m3。其中土方开挖143万m3，石方开挖43万m3。

图1 水下开挖范围

2 水下开挖的问题

根据当地海事局汛期水上施工流量要求控制在8000m3/s以内，根据设计提供的水文气象资料可知，对应流速为3.5m/s，水位约为306.00m，开挖疏浚高程298.00m，水深达8m，作业船只定位困难，钻爆施工安全风险大。

目前水下开挖施工存在以下几种问题:

(1)水下开挖存在不可见性，存在漏挖、欠挖的可能，造成返工；

(2)作业船只易受水流量、水位等因素的影响，定位困难、钻孔效率低；

(3)受水的浮力、流速影响，炸药易浮出炮孔，提拉导爆管时易掉落，存在一定的安全风险；

(4)水流速度过快时，导爆管受力增大，存在断裂的可能，且断裂后无法处理，造成炸药无法起爆。

正是由于这些问题的存在，造成了汛期进行水下开挖施工难度大，施工效率低，耗费大量人力、物力，且存在一定的安全风险。

3 水下土方开挖

3.1 开挖布置

水下开挖施工共计布置3艘链斗式采砂船、1艘挖机船，链斗式采砂船为无动力船舶，靠缆绳驱动，在一期一枯围堰上下游各布置一个临时停靠点和开挖料中转点。临时停靠点设置栓船桩，栓船桩为现浇混凝土结构，断面尺寸为1.5m×1.5m，深度3m，预埋2.2m，外漏0.8m。开挖料中转点用于开挖料转运，使用液压反铲装车，20t自卸汽车运输，运输至指定渣场。

3.2 探测水下地形

由专业测量人员，使用水下红外线观测仪器、声呐探测仪、GPS全球定位系统等设备，对施工范围内的区域进行水下探测，形成水下地形图。根据地形图，对施工区域进行分区分块，形成施工图纸，便于施工过程中对开挖范围及开挖质量的控制。

3.3 测量放样

由专业测量人员，根据施工图纸，使用合适的测量设备，将开挖区域用浮筒进行标记；岸边显眼位置设置水位尺，便于观测水位情况[1]。

3.4 开挖与出渣

3.4.1 设备就位

使用GPS全球定位系统，将链斗式采砂船定位至开挖位置；采用5个缆绳，每个缆绳采用2个船锚，使用工作船进行下锚，在采砂船上游抛设3条主锚缆、在采砂船两侧分别抛设2条横锚缆，主锚缆用以控制船体前、后移位，横锚缆控制船体左、右移位[2]。将出渣的驳船通过缆绳与采砂船相连，分别在船首、船中、船尾进行固定。船锚布置详见图2，采砂船与驳船布置详见图3。

图2 船锚布置

图3 砂船与驳船布置

3.4.2 开挖

按照施工区的分块顺序，进行分区开挖，开挖采用纵向施工，每一单元条中又分用横向排斗，依次序前移，各条带之间有一定重叠量，一般为厚度的3～4倍，每两个挖斗位之间的重叠宽度约为斗宽的1/3～1/4；每一条带完成开挖后，采用声呐探测仪及时进行测量，便于绘制最新的开挖截面图，根据截面图显示的实际情况及时对采砂船位置进行适当调整，确保无漏挖、欠挖，避免后期再次挪船定位，影响施工效率；如果有漏挖情况发生，也可根据截面图来开展补挖工作。

3.4.3 出渣

开挖料通过驳船运往开挖料中转点，使用液压反铲装车，20t自卸汽车运至指定的渣场。

4 水下石方开挖

4.1 爆破方案选定

为尽量减少钻孔爆破作业时对航道通航的影响，采用半河道封闭式作业；根据现场施工条件，采用水下钻孔爆破，使用密度较大的防水性能好的乳化炸药[3]；为了保证孔内炸药完全起爆，孔内采用2发雷管制成的起爆药包，以复式网络连接起爆；为避免起爆时飞石影响通航船只安全，需在航道上、下游1100m范围用警戒船警戒，起爆时禁止通航。

4.2 钻爆船改装

根据施工现场河道实际情况，大型钻爆船无法进入施工现场，且附近内河河道无现成可用钻爆船，结合龙溪口大流量、高水位的特殊工况，选定钻机数量及型号，通过设计改装现有240t运输船作为钻爆船，采用等边角钢L160×160×12作为底部支撑，使用2cm厚钢板作为面层，在面层上铺设30kg/m钢轨，作为钻机移动轨道，轨道上安装4台HDZ－5河道治理钻机，从而实现正常水下钻孔、爆破功能。

4.3 炮孔设计

4.3.1 确定炮孔深度

使用水下红外线观测仪器、声呐探测仪探测出水下石方地形；由水下探测结果得知，岩石整体高程高于设计高程1m左右，结合«爆破设计与施工»中规定，鉴于水下爆破欠挖时补充爆破难度大、效率低、耗时长，国内水下钻孔超深值一般采用1.0m～1.5m[4]，根据旱地爆破效果，参考类似工程经验，选取超深1.5m，计算出钻孔深度H为2.5m。

4.3.2 炮孔布置形式及孔网参数

根据现场钻爆船的钻机平台便于移动的特点，炮孔采用矩形布置，考虑钻孔定位易于控制，简便操作，利于装药，钻孔采用垂直钻孔作业；为确保孔底开挖面不残留岩埂，不产生过多的大块石，利于后续出渣，结合类似工程经验公式计算确定孔距、排距。

孔距计算公式为:

排距计算公式为:

式中:a为孔距，m；b为排距，m；W为底盘抵抗线，m。

经计算与结合现场实际情况确定孔距a为1.8m，排距b为1.5m。

4.3.3 装药量

本工程岩石为泥岩，根据«水运工程爆破技术规范»，单位耗药量q为1.72kg/m3，水下爆破由于爆破介质承受着水的压力，爆破介质破碎须克服水体的阻力，根据«爆破设计与施工»中的相关规定，水下钻孔爆破单耗药量根据水深确定。

单耗药量计算公式为:

式中:q为单耗药量，kg/m3；h为水深，m。

综合考虑后期炮渣便于开挖及运输等因素，最终确定单位耗药量q取2kg/m3。

每孔装药量计算公式为:

式中:Q为每孔装药量，kg；q为单耗药量，kg/m3；a为孔距，m；b为排距，m；H为炮孔深度，m。

计算得出水下爆破的每孔装药量Q为13.5kg。

4.3.4 孔位编号

根据水下石方探测结果，形成水下石方地形图，使用CAD等软件，按照设计孔排距，对爆破孔位进行编号，形成施工图纸，便于钻爆船精确定位。本工程钻爆船轨道长度24m，孔距1.8m，可布14个爆破孔位，结合钻爆船便于左、右移动的施工特点，以23.4m为一个施工断面。本工程使用的导爆管长度为15m。施工期最大水深8m，排距1.5m，考虑导爆管联网、水流冲击等因素，以23.4m×6m为一个起爆单元。施工中，测量人员使用GPS全球定位系统记录已爆破区域，及时更新施工图纸。

4.4 钻爆与出渣

4.4.1 钻爆船定位

利用GPS全球定位系统进行测量定位，指挥钻爆船锚泊定位，做到钻孔定位准确，防止漏钻和叠钻；根据当天当时的水位、设计孔深及超深值计算该点的钻孔深度。

4.4.2 钻孔

根据水深确定套管长度，在船上装配好套管长度，套管露出水面附近留卸渣孔，方便渣料排出，顶部使用钢丝绳拴好套管，吊起沉放入水；为防止套管受水流影响而倾斜，在钻机平台上加装套管稳定卡环，卡环分上部、下部卡环，上部位于钻机平台处，采用焊接加固，下部卡环由4根角钢焊接固定在平台下方1.6m处，刚好处于水面之上；下套管时，使套管穿过上、下卡环，达到固定套管的目的；在钻机平台增设卷扬机，爬杆顶部架设桅杆，用于套管下放与提升，减少套管的安装拆卸，简化施工过程。

在钻爆船增设两条钢轨，并做好尺寸标记，间距与孔距保持一致，便于钻机平台移动；在钻机平台增设卷扬机，爬杆顶部架设桅杆，用于钻杆下放与提升；同时，钻杆长度根据钻孔深度选取，便于接卸钻杆。以钻机平台为基准面，在钻架上做好标记尺寸，一般每隔10cm做一个标记，测出钻机平台高程后，能根据钻杆下放长度，快速得出需钻入的深度。当岩石表面局部有少量砂卵石覆盖或强风化岩，用高压风将其吹走，然后钻进；当岩石表面局部有较厚砂卵石覆盖或强风化岩，冲击式钻机无法直接钻进时，可以先使用偏心钻头钻进至岩石表面，再使用冲击式钻机钻进，直到钻达设计要求深度后，来回提钻数次，确保孔壁的光洁度。

4.4.3 制作药包

本工程使用密度较大、防水性能好的2号岩石乳化炸药，炸药密度1.00g/cm3～1.30g/cm3，大于水的密度1.00g/cm3，无需增设配重，药卷直径D为90，采用连续装药结构。传统的炸药卷一般采用PVC管加工制作而成，制作时，需对PVC管进行切割，装入炸药后，重新进行加固，加工过程繁琐，浪费人力，效率不高，且炸药卷受水流流速影响，易浮出炮孔，装填炸药卷后，将炮孔封堵，若出现拒爆，炸药卷很难取出，一般由潜水员进行取出，存在安全隐患。本工程采用自主研制的一种具有抗浮作用的水下装药卷，成功解决上述问题，具有结构简单，易于操作，具有抗浮功能；可将炸药卷固定在炮孔内，避免受水流影响浮出炮孔，若出现拒爆，装填完成后，亦可通过提拉线将炸药卷取出，同时炸药柱成锥形，便于药包安装。

为减小盲炮的可能，导爆管一般采用高精度塑料MS延时导爆管雷管，抗水性强；在药柱上牢固绑扎一根提绳用于提拉药柱，并将引出的导爆管每隔70cm一道松弛地绑扎在提绳上，当水流较急时，导爆管可能无法承受水流冲击断裂，可在导爆管套上硅胶管，使硅胶管承受冲击，消除水流速度对作业的影响。

4.4.4 装药

钻孔完成后立即装药，以防止石渣淤孔，装药时用送药杆压住药包顶部，拉稳药包提绳，配合送药杆顺进，通过套管缓慢地送入孔内；送药杆采用木材加工成形，端部设有螺纹连接件，使多节送药杆连接高效、便捷、可靠，每节送药杆的长度一般为5m，端部设有一条绳索，便于提拉操作。

使用粗砂或粒径小于10mm的碎石堵孔，水深大于6m的可不需堵塞，水深大于3m小于6m的，堵塞长度控制在0.5m～1.0m，水深小于3m的，孔口堵塞长度控制在1.5m～2.0m。待装药、堵塞完成后，需要将导爆管从水下提取至操作平台，由于导爆管是绳状结构，传统的提取方式多采用带钩的木棍或带线的铁环进行提取，提取时需两人配合，浪费人力，效率不高，且水流较急时，导爆管易脱落，脱落后导致炸药无法起爆，存在一定安全隐患，危险系数较大。因此，自主研制了一种导爆管防脱提拉装置来解决上述问题[5]，详见图4。导爆管防脱提拉装置由两个半圆形钢环、活动卡扣、操作杆等组成，提拉环套住套管后，放入水中，夹紧导爆管，将其提升至操作平台，随后可拔出套管，使用卷扬机进行套管的起吊，提升套管时，要注意保护提拉线和导线，避免损坏，另外在导线顶部设置浮标，便于后续联网。

图4 导爆管防脱提拉装置示意

4.4.5 起爆

使用工作船利用预设的浮标进行联网，采用复式起爆网络，其具有抗干扰性强、安全性好、起爆可靠的优点，导爆管起爆网路应在主爆线上加系浮标，使其悬吊，应避免导爆管网路沉入水底，造成网路交叉，破坏起爆网路。

起爆前，人员设备撤离爆破区，在航道上、下游1100m范围用一条警戒船警戒，水上派交通艇在安全区域进行巡逻，警戒范围可根据实际情况扩大。按照爆破相关规范，发出预备信号，确认人员和设备全部撤离危险区后，具备安全起爆条件时，发出起爆信号后，立即起动起爆器引爆，爆破完成15min后，由爆破员、安全员进入爆区检查有无盲炮，经检查确认安全后，方准发出解除警戒信号。

4.4.6 出渣

利用挖机船、采砂船等设备进行炮渣开挖，采用GPS精准定位，确定已完成爆破的位置，然后进行开挖；使用驳船运至指定开挖料中转点，采用反铲进行卸料，配合20t自卸车运至指定渣场。

5 总结

(1)通过采用增加船锚数量的方式，能够有效保证采砂船的稳定，实现了汛期进行水下开挖。

(2)采用“设置卡环、增设卷扬机、架设桅杆”的钻孔方式，消除了水流速度、水位，对钻孔时套管受水流影响而倾斜的影响，提高了钻孔效率。

(3)采用具有抗浮作用的水下装药卷，将炸药卷固定在炮孔内，避免了炸药卷浮出炮孔，保证了爆破安全。

(4)采取导爆管防脱提拉装置，避免了导爆管提取过程中发生脱落现象，保证了导爆管顺利组网，消除了安全隐患。