沉管隧道水下炸礁施工方案優化及安全控制

胡勇前， 陳美靈， 公祥玉， 劉言峰

(1.佛山市新城開發建設有限公司，廣東佛山 528316； 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

沉管隧道水下炸礁施工方案優化及安全控制

胡勇前1， 陳美靈2， 公祥玉1， 劉言峰2

(1.佛山市新城開發建設有限公司，廣東佛山 528316； 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

佛山市汾江路南延線工程沉管隧道是我國國內公路與地鐵合建工程中規模最大的沉管隧道。由于我國現有水下炸礁技術文獻尚未完善，該工程隧址處地理位置特殊，周邊環境、工程地質條件惡劣，再加之工期短、基礎結構復雜等問題，導致水下鉆孔爆破施工具有諸多技術難點。文章從拋錨移位選定、爆破參數計算、起爆網絡設計、炮孔裝藥量計算、炸礁施工安全控制幾個方面，對佛山市汾江路南延線工程沉管隧道炸礁技術進行了方案優化設計，詳化了水下鉆孔炸礁技術，增強了安全控制。

沉管隧道； 炸礁； 方案優化； 安全控制

沉管隧道由于埋深淺、兩岸接線短，越來越受到我國城市水下隧道工程的青睞[1]。佛山市汾江路南延線工程沉管隧道，其沉管段基槽大部分為強、中風化巖層，只有北岸有少量的填土、淤泥層。土質從上部至下部依次為雜填土、淤泥、全風化巖、強風化巖，中風化巖和微風化巖且隧址處河道彎曲，水流復雜且流速大，基槽巖面突起，河面狹窄，施工工期較短。水下工程爆破不僅要達到預期的爆破效果，而且應避免或減少飛石及沖擊波、地震波、爆破涌浪等對周圍環境的不利影響，隨著工程規模的不斷加大，一次性起爆藥量的逐漸增多，爆炸沖擊波的破壞力度也成為值得關心的問題[5-6]。因此選擇合理優化炸礁施工方案利于更好地進行工程質量、安全控制及縮短工期[2-4]。

1 工程概述

1.1 工程選址及施工背景

本工程是佛山市汾江路南延線(瀾石路至裕和路段)工程的其中一個標段，位于佛山市瀾石大橋與東平大橋之間的東平水道，從北向南跨禪城區與順德區，沉管段起訖里程為SK1+200.00(YDK-2+598.068)～SK1+645.00(YDK-2+153.068)，全長445 m，共分四節管段，管段寬39.9 m。施工區周邊有較多的民房建筑物，為進一步減少爆破振動對房屋、村民的干擾，將優化炸礁施工方案，使之對周邊建筑物、居民的影響降至最低。

1.2 地質構造特點

(1)區域構造特征：本場地在區域構造上處于華南準地臺湘桂粵褶皺系粵中拗褶束的中部，即瘦狗嶺斷裂帶以南的構造區——三水斷陷盆地東延部分。

(2)新構造運動：佛山市新構造運動的特征主要表現為斷塊活動，受幾條規模較大的活動性斷層所控制，具體表現為里水隆起區、佛山沉降區、西江沉降區。

(3)斷裂：近場地的區域性斷裂有雷崗西斷裂、扶西(山紫)斷裂、雷崗東斷裂、羅村斷裂等斷裂構造。雷崗西斷裂斜穿過線路，與線路相交于瀾石路一帶，該斷裂為非全新世斷層。

(4)褶皺：本場地處于三水斷陷盆地的東南部，三水斷陷盆地總體表現為一個大型向斜拱曲構造，區內石碣-石灣一帶為該向斜拱曲的東翼，自東往西依次為古辛統莘莊組及始新統土布心組、寶月組和華涌組，本段地層產狀為260°～290°∠5～30°。

1.3 周圍環境

施工區所處河道南岸為規劃綠地，北岸建筑物眾多，施工區域附近無過江天然氣管道、光纖電纜線通過。

2 炸礁船施工方法及特點

2.1 拋錨移位選定

炸礁船總的來說采用了前后兩具及左右的四具邊錨中錨來具體控制船位前后左右移動，錨纜長約100 m，不超過200 m。炸礁船采用的定位技術是RTK-DGPS定位，其精度為±1 cm+1 ppm。其后設立RTK-DGPS基準站控制點，由RTK-DGPS定位系統將具體的鉆孔孔位通過平面圖的形式在電腦上面呈現出來，定位的時候，實際孔位和設計孔位之間的誤差不能超出10 cm。

2.2 爆破參數計算

炸礁船在對各期礁區施工時，采取圖1所示的平面布置方式，采用順水流、梅花狀布孔的施工方法進行施工。

圖1 炸礁船平面布置示意

本工程的設計爆破參數根據工程具體的巖石性質、炸礁船的裝備情況及清礁船舶對巖石破碎塊度和松散度的要求等確定，排距參照JTS 204-2008《水運工程爆破技術規范》取用。

(1)孔距a：根據投入本工程施工船舶數量按照公式宏大一孔距a=2.4 m確定；

(2)排距b：根據本爆破區的巖石性質(強風化巖石、中風化巖、微風化花崗巖)和施工環境等來確定，設計排距b= 1.8 ～ 2.2 m(具體參數要根據爆破監測數據及抓斗清挖效果來調整)。

(3)孔徑d：球齒釬頭外徑105 mm，孔徑d= 115 mm。

(4)超鉆深度Δh：結合工程的實際情況控制超深量，取Δh= 1.5～2.0 m。

(5)炸藥規格：本工程中使用乳化炸藥，藥柱直徑D=90 mm，長度為L=500 mm，重量2.67 kg。

2.3 鉆孔

(1)在礁區附近探明水質和水底礁石分布情況后，應對附近未達設計要求的礁石區域進行鉆孔爆破，以確保炸礁范圍內的質量滿足清礁要求。

(2)分層鉆孔，層厚度在6～7 m(根據抓斗船清挖能力確定分層厚度)。采用潛孔沖擊器沖擊回轉鉆進方法一次性鉆至設計孔底標高(加超鉆深度)，釬頭型號105 mm。鉆孔施工時，鉆具的潛孔沖擊器鉆孔孔徑為115 mm，同時空壓機送出高壓氣體同時作用，將鉆孔時產生的雜物吹出孔外。

(3)孔位偏差不大于20 cm。當有外界因素如水流湍急等情況干擾時，應當進行孔位復測。

(4)起鉆、落鉆之前都要記錄實時潮位。鉆孔施工中，潮位每變化20 cm就需再次記錄水位，以便控制鉆孔施工深度。

2.4 裝藥

2.4.1 引爆裝置選擇

根據本工程特點選用炸藥是塑料筒裝藥柱，將藥卷及導爆雷管裝入筒內，爆破效果很好[7]。在塑料筒適當部位鉆一小孔，從孔中把導爆管雷管插入炸藥作為起爆體，然后再用導爆管沿著塑料筒打個結并用膠布綁纏好，炸藥加工完成。連續裝藥長度達到4 m及以上時，要加裝起爆體，以保證炸藥傳爆的可靠性，達到更好的爆破效果。鉆孔完成后，爆破員將加工后的炸藥沿著套管壁放入炮孔中。裝藥示意如圖2所示。

圖2 裝藥示意

2.4.2 炮孔裝藥量計算

2.4.2.1 公式選擇

Q=q·a·b·h[2]

式中：Q為炮孔裝藥量(kg)；q為炸藥單耗(kg/m3)，結合本工程的地質情況和清礁設備(采用8 m3，挖泥船)，根據JTS 204-2008《水運工程爆破技術規范》和多年來施工的有關經驗，取q=1.0～1.2 kg/m3；a、b、h為孔距、排距、孔深(m)。

2.4.2.2 不同孔深的鉆孔裝藥量

單孔裝藥量如表1所示(藥柱直徑為90 mm)。

表1 單孔裝藥量

實際操作中，根據地質情況調整裝藥量(例如巖層上部如為強風化巖石，可減少裝藥量)，按孔深的2/3～3/4裝填炸藥，一般裝至巖石孔口約1.0 m處。藥柱長度小于4 m時裝一個起爆體，裝在藥柱長度h的下方約1/3處；藥柱長度h≥4 m或者按設計需要減少單孔起爆藥量時，則采用分層裝藥，中間隔砂筒(砂筒長度50～100 cm)，裝兩個或以上起爆體。炮孔裝填炸藥后，用塑料筒裝砂堵塞(或塑料袋裝砂、小碎石填塞)，砂柱直徑不小于90 mm，填塞長度不少于50 cm。裝藥結構示意如圖3所示。

圖3 裝藥結構示意

2.5 起爆網絡

2.5.1 起爆網絡設計特點

(1)整個起爆網絡采用簇聯的方式聯接；

(2)每個起爆體內裝兩發并聯的導爆雷管，電雷管先激發導爆雷管，其后導爆雷管引爆炸藥[10]；

(3)連接網絡時，為了防止導爆管管壁破損，管徑拉細導爆管不允許進行打結和對折操作[10-11]；

(4)起爆電雷管的聚能穴朝向應與導爆管傳爆方向相反，位置為距離導爆管尾端應當大于15 cm。導爆管要均勻分布于電雷管周圍，并用防水膠布纏牢，這樣才能更好引爆全部的導爆管[11]；

(5)每20根導爆管內至少要裝有兩發電雷管，才能確保導爆管雷管能夠完全激發；

(6)一次性起爆的孔數根據炸藥用量和爆炸能力的大小來決定，用交流電起爆時保證電流強度應不小于4.0 A/每發電雷管，用直流電起爆時保證電流強度應不小于2.5 A/每發電雷管。

2.5.2 起爆網絡圖

根據本工程特點，經分析施工條件及成本等因素，綜合考慮本工程將采用非電毫秒塑料導爆管微差起爆網絡，起爆網絡如圖4所示，控制爆破網絡見圖5。

圖4 起爆網絡

圖5 控制爆破網絡

3 基槽開挖施工安排

第一期基槽開挖區域東西寬約91 m，南北寬約156 m，施工面積約12 743 m2，炸礁工程量約120 000 m3。計劃安排一組炸礁船、挖泥船進行施工作業，沿基槽中軸線方向布置施工船。一期基槽開挖施工時需對原有航道進行改移，改移后臨時航道位于規劃航道的南側，為確保臨時航道通航水深達到4.5 m的要求，先安排挖泥船進行臨時航道的疏浚，隨后安排挖泥船進行一期基槽表層開挖。該區域需爆破巖層厚度超過10 m，為降低單次起爆藥量，計劃采取分兩層爆破施工方法挖至設計標高。第一層爆破厚度約6 m，爆破完成后安排挖泥船進行清礁施工，第一層清礁完畢后再進行第二層的炸礁、清礁施工。

一期基槽開挖施工應嚴格按照設計藥量，由岸邊向河道中間施工。離施工區域較近的主要構筑物是北側堤岸，最近距離為25 m，從南向北開始施工。根據爆破安全公式計算離河堤25 m區域最大段別藥量為23 kg。本段區域為安全起見，距離河堤25～50 m區域，分兩層裝藥，采取孔外微差起爆網絡，單孔單響；距離河堤50 m外區域，單孔采用連續裝藥，采取排與排之間微差起爆網絡，單排單響。

4 水下炸礁施工安全控制——對小布村民房采取的保護措施

水下炸礁產生的噪音、沖擊波等都會對周圍環境造成一定安全影響，因此該部分施工需要采取一定保護措施，進行安全控制。本工程中小布村位于施工區上游河道的南岸，距離一期開挖基槽最近距離約300 m，距離3期基槽開挖最近距離約150 m，是重點保護區域。為減少對小布村居民的影響，保護民房建筑物，需進一步優化施工方案，確保小布村民房的安全。除采取微差爆破、不耦合裝藥外，還可以在一期基槽開挖施工過程中，沿河道南岸一側打設減震孔、同時對每天的爆破施工采取分區域爆破的方式，相關保護措施詳述如下：

4.1 微差爆破

按計算藥量嚴格控制最大段別藥量和總藥量，采用孔內毫秒微差爆破施工，減少單段別使用藥量，降低地震波和沖擊波對被保護對象的影響[8]。導爆管采用1～20個段別，根據控制藥量計算單孔爆破所需段別數，導爆管段別自上而下逐級遞增，孔端用砂筒封口。每段別起爆體之間用砂筒隔離防止串爆，避免爆破效果降低。

4.2 采用不耦合裝藥

設計鉆孔直徑115 mm，為了增大不耦合系數，使用直徑為90 mm的藥柱，不耦合系數1.44，根據計算，采用不耦合裝藥減震達到30 %～60 %。

4.3 打設減震孔

減震孔的作用可以將因爆破引起的震動速度削減20 %～50 %，有效降低震感。對于本工程，可在河道南側河堤沿岸打設減震孔，布設5排(每排長為150 m)共計1 875個減震孔。孔網參數根據鉆孔設備和其它條件，取減震炮孔直徑D=115 mm，取孔距a=0.4 m，排距b=0.4 m，鉆取深度取25 m(確保大于爆破鉆孔超深值)。打減震孔利用炸礁船(宏大鉆一)進行水下鉆孔，船上配有4臺空壓機和8臺鉆機，鉆孔效率高。減震孔布置示意如圖6所示。

圖6 減震孔布置示意

4.4 分區域爆破

一期基槽施工每次爆破總藥量不超過500 kg，受限于每日只有兩次爆破時間的限制，如進一步降低藥量，將會嚴重影響工程進度。因此，通過將爆破區域分成兩個區域，分兩次間隔起爆，從而降低每次起爆藥量，達到降低爆破振動的目的。

4.5 防噪措施

嚴格控制爆破作業時間，施工現場的強噪聲機械設置封閉的機械棚，以減少強噪聲的擴散。試爆時對爆破環境噪聲的進行監測，及時對施工現場噪聲超標的有關因素進行調整，達到施工噪聲不擾民的目的[9]。

5 結束語

本文基于佛山市汾江路南延線工程沉管隧道工程實例，對沉管隧道水下炸礁施工方案優化及安全控制進行了深入的研究，解決了水下爆破對周圍環境影響管控及鉆孔作業深度需求深等問題。對水下炸礁方案進行了詳細探討，提出了新的水下炸礁方案，解決了鉆孔技術要求、人員組織及危險控制的難題, 同時又大大節約了工期。本工程爆破施工區橫穿東平水道，過往船只較多，給施工航道避讓協調及爆破前警戒帶來不便的問題也得以破解。綜上所述，佛山市汾江路南延線工程沉管隧道過程中的多項關鍵技術，為以后沉管段水下炸礁施工方案設計優化積累了豐富經驗。

[1] 周華貴, 邢永輝, 王麗.淺談佛山市汾江路南延線工程沉管隧道特點及管件技術[J].現代隧道技術,2012(5):85-90.

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[11] 陳郁華,王冬凡,韓明. 湄洲灣深水航道炸礁爆破技術[J]. 煤礦爆破,2007(1):36-39.

[定稿日期]2017-06-21

胡勇前(1972～)， 男，高級工程師，研究方向為橋梁與隧道工程項目管理與技術優化。

U459.9

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