獨立墩近距離超大水深基槽炸礁施工技術研究

曹現云，胡辰陽，鄭成鋒

（山東港灣建設集團有限公司，山東 日照 276800）

1 工程概述

1.1 工程概況

本項目位于山東港口煙臺港西港區30 萬噸級原油碼頭二期工程。新建1 個30 萬噸級原油碼頭，設計吞吐量為每年2800 萬噸，設計通過能力為每年3310 萬噸。碼頭下方基礎墩采用炸礁工藝的基槽共有11 個。由岸邊引橋開始到碼頭前沿線按照墩的功能性劃分：2 個引橋墩、1 個消控平臺、1 個工作平臺、2 個靠船墩、5 個系纜墩。與一期工程601 泊位相連且與其北側1#系纜墩共用，全長401.00m。

1.2 工程特點分析

（1）與原有泊位距離近。新建碼頭與原來碼頭間隔距離較近。施工過程中不能影響相鄰601 泊位生產，這一特點決定了不能采用傳統的基槽挖泥施工技術進行基槽的施工。為了能夠確保在碼頭施工過程中601 泊位生產繼續，在原油碼頭基槽施工過程決定采用爆破工藝。施工工藝圍繞著生產計劃進行，起爆作業只能在生產船舶的離靠間歇期中進行，為了提高施工效率，利用生產船舶靠泊期間進行成孔作業。

（2）施工水域水深流大，有效作業天數少。本工程施工海域水深約-30m，附近水流流速較大，能夠作業天數比較少。601 泊位平均船期為2.5 天每次，最長可達8 天以上，爆破施工每次都在601 泊位船舶停靠時即開始成孔作業，充分利用靠泊時間進行成孔作業。船舶離港后立即進行爆破。

2 基槽炸礁施工方案

2.1 工藝流程

根據工程情況，基槽采用炸礁船水下鉆孔爆破方法進行施工。本工程所處位置為在建碼頭水域，施工船舶提前到達施工區周邊等待，施工前應提前與現場調度部門溝通、協調，計劃先進行引橋基槽炸礁施工，完成后再進行碼頭基槽炸礁施工。

2.2 炸礁施工操作要點

2．2．1 準備階段

由拖輪拖帶施工船舶進入指定的施工水域后，由起錨艇按照錨位依次將施工船舶的四口八字錨依次拋入相關水域內。工程技術人員事先將GPS 的船形參數、炮孔設計圖紙（CAD 圖形交換文件）導入到施工船舶中央控制室的電腦中。然后在測繪應用軟件中打開所對應的工程文件，根據電腦屏幕所指示的定位炮孔與船形參數的相對關系在中央控制內調整施工船舶的四根錨纜，直到船舶的定位誤差小于200mm 時鎖定錨機，固定船位。

船位固定以后，鉆孔所在船位的相對位置就隨之確定下來，現場鉆機手操控鉆機走臺上的衍車按鈕，前后移動走臺進行鉆孔定位。炮孔成孔作業采用高風壓沖擊回轉無巖心鉆進方式鉆進，鉆機型號為“內燃高風壓船用鉆機（QJN165M)”，空壓機型號為“移動式螺桿空氣壓縮機組（SHP65oAWCU）”。

當鉆孔達到預定深度并經過充分地洗井后提升鉆具，提升后進行孔深驗證，用皮尺丈量孔深，當孔內沉渣小于200mm 時滿足質量要求進入裝藥工序。

2．2．2 炸藥加工與裝藥

藥包加工首先將兩發同段的導爆管雷管用膠布將連結端纏繞固定，用竹簽劃破藥卷將其插入其中并用棉線繩挷扎固定做起爆藥包，按照裝藥量的多少依次將藥卷和起爆藥包（條形藥包底部1/3 處）裝入做成條形藥包并挷扎牢固。

裝藥時需兩人托起條形藥包輕輕從孔口放入，然后扯起繩索慢慢地放下并輕輕地提拉以防卡塞，再次用皮尺丈量藥包沉降位置，藥包到達井底抽出提引繩索。根據不同的施工區域、不同的防護對象及防護標準，可分別采用分組并聯、組間串聯或單孔微差起爆等不同的網絡連結方式。起爆具見圖2所示。

當施工鉆孔數量達到一定規模時，起爆網絡已經連結完畢，需要移船警戒，施工船舶需要移船離開爆破施工區進行安全避讓；同時作業區的四周需要進行安全警戒，以防水上水下的作業船舶及人員誤入爆區產生危險，所以要根據周圍的作業環境不同設置警戒點進行安全警示，以保障人員及設備的安全。

當施工船舶及作業人員撤離危險區以后，起爆網絡已經連結并檢查，具備起爆作業條件時由現場總指揮發布起爆指令實施起爆作業。

2．2．3 起爆完成后檢查

起爆作業完成后施工船舶要移回爆區對本次爆破的起爆網絡連線進行檢查：檢查導爆管爆轟指示劑是否已經顯色，如果顏色沒有改變說明導爆管雷管有拒爆現象，需重新連線進行二次起爆。

爆區檢查結束后確認爆區內所有的導爆管雷管均以引爆，本次起爆作業已經完成，所有的施工船舶及附近的水上水下作業人員均可以重新進入各自區域進行施工作業時發布警戒解除信號告知。

圖1 起爆具圖

3 炸礁爆破原理及參數選取

根據項目特點，如果爆破施工每次都在601 泊位船舶停靠時即開始成孔作業，每次起爆作業的總藥量將隨之增加，炸藥在水下存放時間也將隨之延長。這樣會導致乳化炸藥在水下存放的時間延長，這將會導致炸藥感度下降而有可能產生拒爆；因連續施工時間延長將會使藥量增加而產生殉爆。因此提高乳化炸藥在水下存放的時間和控制殉爆是本施工工藝的關鍵所在。

3.1 炸藥性能

炸藥是能在極短時間內劇烈燃燒的物質，是在一定的外界能量作用下由自身的化學能而發生爆炸的物質。在一般情況下，炸藥的化學及物理性質穩定，但只要有較強的能量激發，炸藥就會對外界進行穩定的爆轟式作功。同時能釋放出大量的熱能并產生高溫高壓氣體，對周圍物質進行破壞、拋擲、壓縮等作用。炸藥的爆炸性能主要有感度、威力、猛度、殉爆、安定性等。

乳化炸藥是一種油包水型的乳膠狀含水工業炸藥，具有防水性，但是隨著浸水時間的延長其感度也將隨之降低，在浸水時間不變的情況下，水壓增加將會使感度下降加劇。在基本上不改變爆破工藝及大幅度提高爆破成本的情況下我們引進起爆具，利用起爆具對爆轟波的放大作用來引爆感度衰退的乳化炸藥，從而提高其準爆性。

3.2 孔間殉爆

水下鉆孔爆破殉爆的主要原因是先期起爆的炮孔沖擊波借助于周圍的介質（土、巖、水）的相互作用并向四周傳播，在傳播過程中隨著距離的增大并迅速地衰減，但到達相鄰炮孔其沖擊波超壓值ΔP 仍大于或等于被發爆炸物的臨界值時，而引起相鄰炮孔中藥包繞開傳爆網絡而爆炸。殉爆可以發生孔間或排間，傳導介質主要是巖土（孔間、排間）及水（藥包與孔壁間）。

沖擊波超壓值（ΔP）通常表示為：ΔP=KQ/R；

式中：ΔP 沖擊波超壓值10Pa，K與介質條件有關的常數（土、巖、水……）、藥量（kg）、R 距離（m）。

3.3 爆破振動安全允許標準

炸藥在爆炸時大部分能量將用于破碎巖石、移動或拋擲，只有少部分能量對周圍的介質引起振動并以波的形式向外傳播，于是就形成了爆破地震波和水中沖擊波，爆破地震波安全允許指標執行《爆破安全規程》（GB6722-2014）國家標準。

在同一施工場地中，爆破參數是經過爆破試驗并通過優化而獲得的，因此，孔網參數（孔距、排距、孔徑、藥徑、炸藥單耗、線裝藥量、超深、孔深、單孔裝藥量）是固定的。也就是說單孔裝藥量和孔排距是固定的，項目部所說的殉爆控制是指將殉爆控制在一定范圍內，在這一范圍內即使產生殉爆其危害程度也是在安全允許的。從這一理論出發，在爆破參數不變的情況下，通過調整施工面積的大小來改變裝藥量（Q），改變爆破沖擊波作用距離（分區間隔R）來控制孔間或排間殉爆。

3.4 安全驗算時參數的選取

一期原油碼頭601 泊位1#系纜墩距爆區最近、輸油管線抗震強度最低，均為此重點防護對象。

通過本區的爆破試驗獲知：場地爆破的振動頻率為10Hz＜f ≤50Hz，擬合計算后k 取200、α 取160。

601 泊位1#系纜墩主體結構為“重力式沉箱”，按“新澆大體積混凝土（C20）”齡期在7d～28d 考慮，通常取V=8.0cm/s，安全起見按V=5.0cm/s 設防；輸油管線為架空鋼結構，按一般民用建筑物進行防護，取V=2.0cm/s。

3.5 安全驗算

式中R—爆破振動安全允許距離，m；

Q—炸藥量，齊發爆破時為總藥量，延時爆破為最大同段藥量（殉爆時為總藥量），kg；

V—保護對象所在地安全允許質點振動速度，cm/s；

K、a—與爆破點到保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數。

下表為601 泊位1#系纜墩邊緣、輸油管線中心距離二期碼頭爆破施工區的爆心距（安全距離）與允許同段藥量（齊發藥量、殉爆藥量）關系一覽表（表1)。

表1 安全距離與允許藥量關系表

3.6 殉爆控制試驗

在遠離601 泊位及原油管線的1#系纜墩，通過改變分區大小、分區間隔對本區殉爆距離和藥量進行試驗，通過試驗發現：對于本區所用的乳化炸藥在本區的爆破介質條件下，殉爆藥量與距離存在以下關系(表2)。

表2 殉爆控制間距與藥量的關系

在不同的分區間隔下，采用臨界藥量時區間殉爆偶有發生，采用安全藥量時未曾發生。

由此，我們將根據爆破基礎墩所在的位置與防護對象的最近距離、防護標準來確定安全藥量（QA），再根據安全藥量所對應的分區間隔確定出隔孔、隔線施工的孔數和排數，最后再根據孔網參數確定出分區施工的鉆孔總數并反算出每次分區施工的船位數。

4 基槽炸礁工程實例

原油碼頭二期工程4#系纜墩中心距601 泊位1#系纜墩約100m，二期工程4#系纜墩爆破參數為：孔距a=3.0m、排距b=2.6m 孔徑D=145mm、藥徑d=120mm、炸藥單耗q0=1.30Kg/m、線裝藥量ql=a×b×q0 ＝10.2kg/m、超深ΔL=2.0m、平均孔深H=4.2m、單孔裝藥量Q ＝ql×H ＝a×b×q0×H ≈43kg，梅花形布孔，每排10 或11 個。由“安全距離與允許藥量關系表”獲知：在爆心距為100m 時，允許殉爆藥量為991kg，相當于4#系纜墩2 條線的用藥量；分區間隔大約在8.5m 左右，在4#系纜墩中爆破施工分區間隔應為3 條或3 條線以上。經過統籌布局我們在4#系纜墩施工時選擇了2 條線做一個分區，分區間隔為4 條線，并采用排間微差起爆（圖2）。每兩個分區一次施工分兩起爆作業，第一次施工為第一、第四分區。

圖2 炮孔分區施工示意圖

5 結語

（1）施工工效分析。根據工程的實際情況，在作業時間有限及藥量控制上限的前提下，對施工方法進行優化，使在有限的時間內極大地提高了施工效率。改進后的施工工藝，較普通的施工工藝至少提高了一倍施工效率。

（2）經濟效益分析。通過優化后的爆破施工工藝，基槽爆破這一工序約縮短一半的工期，提高了船機利用率，可以節省船舶費用。同時保證了一期原油泊位的正常生產，未造成經濟損失。

（3）社會效益分析。優化后的基槽炸礁施工技術在煙臺港西港區原油碼頭二期工程（一階段30 萬噸級碼頭）水下基礎墩基槽炸礁成功的應用極大地提高了生產效率，縮短了工期，創造了可觀的效益。給解決該類似問題提供了很好的參考價值。