降低水下爆破作業沖擊波噪聲施工技術研究

張冬洋，曾柏瑞

（長江武漢航道工程局，湖北 武漢 430014）

1 引言

隨著水利工程、海岸海洋工程的不斷發展，水下爆破技術得到了廣泛的應用并逐步成熟。水下爆破是在極短時間內，在水下的極小體積內或面積上發生極大能量轉換的過程。在水下爆破的瞬間，周圍水體密度、溫度和壓力跳躍式攀升。由于水和空氣在密度和壓縮性能上的巨大差異，水下爆破產生的沖擊波強度遠大于陸上爆破。水下爆破具有隨距離衰減慢，易與水上和岸邊結構物產生共振，沖刷破壞力較強的特點。傳統的水下爆破方式對周邊的環境和水生生物有較大的影響。在實際施工中，特別是生態保護水域的爆破施工，多采用限制單次單段起爆藥量的方式控制爆破噪音。

本文通過對水下多段連續起爆施工方式下不同藥量的噪音監測，研究總結了不同炸藥量爆破水下爆破產生的噪音持續時間及共振情況，制定合理的起爆藥量，形成科學合理的施工工藝，確保水下爆破產生的噪音在漁業限定的門閥值內，實現了在珍稀動物保護水域采用大藥量爆破施工的可能性，用數據證明施工的安全性。

2 工藝原理

采用水下爆破聲學監測手段，實測施工用炸藥的爆破噪音大小和傳播情況；通過數據化的分析找出該水域爆破施工，影響噪音大小的關鍵因素，針對性制定降噪措施和選定相匹配的材料；在實際施工時，選定合理的炸藥量和制定安全可靠的爆破施工方案，最終實現增產降噪的效果。

水下爆破產生的水沖擊波與液體靜壓力疊加，使位于水下某固定位置上的壓力變化過程在微秒量級的瞬間就能增大至峰值壓力。但持續時間很短，在初始峰值壓力到來后，壓力即開始隨時間呈指數衰減規律下降，在幾毫秒的時間內，壓力值就迅速下降。

經現場水下爆破聲學監測數據分析，從監測獲得的爆破時域圖來看，在300-400 毫秒的時間內，壓力值就迅速下降。故在水下鉆孔爆破作業中，每段之間采用1.0s延時，單孔采用微差爆破的方式，按照“小、大、中”順序填藥，做好捅藥、堵孔等措施的情況下進行爆破，各段直達波之間的時間間隔參差不齊，雖未達到預訂的微差間隔，但是爆破噪音已不存在明顯的疊加增大。在采取單次多段增大藥量的方式，爆破產生的沖擊波噪聲未有顯著增大。在合理提高藥量的情況下，爆破作業滿足環評要求。

圖1 水下爆破聲學監測聲壓時域圖

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

施工準備→水下鉆孔（多孔分段）→裝藥（捅藥、堵孔）→管網連接→警戒清場（白海豚保護）→爆破（水下爆破聲學監測）。

3.2 操作要點

3.2.1 水下鉆孔（多孔分段）

根據設計資料，該地區海潮涌浪較大，因此擬采用高鉆架“一管一鉆法”，利用鉆架克服潮差對鉆孔的影響，鉆孔前先下套管，再下鉆具鉆孔（沿套管下放入底）。鉆孔過程中邊提升鉆桿邊送風吹水，以便鉆孔中的碎碴排出孔外。鉆孔至設計深度后，經反復多次提升和下落鉆桿，以防碎石或淤砂堵孔。成孔后立即裝藥，鉆孔與裝藥循環作業。鉆孔采用全液壓潛孔鉆，鉆頭在套管內旋轉沖擊鉆孔。施工前，應在施工區風浪小、不易被船只碰撞，不影響施工的固定位置設立水尺，鉆孔時應根據潮位變化情況及時調整鉆孔參數。施工中的具體要求有如下幾點：

圖2 漂浮式炸礁船布孔示意圖

3.2.2 裝藥（捅藥、堵孔）

為防止碎石堵孔及泥沙回淤，鉆孔完成后應立即裝藥，炸藥裝入pvc 管內，再將其裝入鉆好的炮孔內，起爆藥包用乳化炸藥，每個起爆藥包中用同段號的非電塑料導爆管雷管兩發。炮孔裝藥長度大于4m 時，應增加至兩個起爆藥包（裝藥結構示意圖見圖3）。

圖3 裝藥結構示意圖

進行鉆孔爆破時，水深大于6m 的，為了更好地保護海洋生物及生態環境，達到較好的爆破效果及降低水中沖擊波的影響，采用粗砂或者細石堵孔，堵塞長度根據設計確定，但最小不小于50cm。

3.2.3 管網連接

采用防水的非電毫秒微差起爆網路，每個起爆體內裝2～3 發非電導爆管雷管，整個起爆網路采用簇聯方式連接，起爆主線也是采用非電導爆管雷管。一次起爆炮孔數根據單孔裝藥量和一次允許起爆最大藥量確定。

一次起爆炮孔數根據單孔裝藥量和一次允許起爆最大藥量確定。起爆網絡聯接、檢測完成后，移船至安全范圍。與交管中心調度室取得聯系，確認船只未在起爆時間內接近警戒區；并按設計安全距離和安全要求警戒，確保其余船舶、水中人員和中華白海豚等都在警戒區以外后，發出起爆信號后，方可起爆。

水下傳爆電爆網絡的非電雷管應采用足夠強度、防水性和柔韌好的雙壁雷管，爆破主線路呈松弛狀態。

根據前期單段單響爆破噪音數據，將單段起爆藥量控制在90kg 以內，導爆管采用1 秒延期導爆管雷管，每個孔一個段別，分別為2 段、3 段、4 段、5 段、6 段、7 段（爆破網絡接線示意圖參見圖4）。

圖4 爆破網絡接線示意圖

3.2.4 白海豚現場保護措施

在爆破前，需做好白海豚保護措施：

（1）在施工區域上、下游設置定點觀測點，委托經過培訓的觀測人員每天對施工區域中華白海豚活動的情況進行觀測、做好記錄，并按月將觀測記錄表和示意圖及時報廈門中華白海豚文昌魚自然保護區管理處備案。

（2）禁止夜間爆破。

（3）鑒于中華白海豚屬游泳性動物在受到外來干擾時，會主動避開。對于連續爆破來說，除首炮爆破將對爆破近區的白海豚造成較大的影響外，白海豚將迅速逃離爆破區，其余各炮對自海豚的影響相對較小。通過采取必要的環保措施，如加強對施工海域的觀察了解、聲墻驅趕等各種辦法，可以大大減輕對白海豚可能造成的影響。

（4）在每階段爆破首炮布藥完畢后，采用聲墻驅趕法，對中華白海豚進行驅趕。聲墻驅趕法是利用中華白海豚的回聲定位功能，通過人為制造的聲墻來驅趕中華自海豚滯留或阻止其進入爆破危險區。具體的做法是：在驅趕船船舷兩側，每隔 0.5～1m 設立好一根2m 長、直徑30mm～5Omm 的竹竿，并插入水中20cm～40cm。根據船的長度而確定竹竿的根數，一般7 根左右，立竿上、下端設置橫竿，將立竿連接成竹排。完成后，4 艘驅趕船由爆破點向外呈扇形排開，采用“s”型線路緩慢行駛，船上派專人按從第一根立竿敲到最后一根，再由最后一根敲到第一根的程序往復敲打竹竿，并不斷變換船速，制造出不規則的噪聲，形成持續不斷的聲墻。船向爆點以外開出約2000m 方可停下，并繼續橫向敲打竹竿，直到爆破結束。

（5）施工船在退出安全區域準備起爆的過程中，將鳴笛警示驅趕。

（6）起爆前派專人在驅趕船和施工船上瞭望，如發現白海豚出現在施工海域，應立即停止起爆，用對講機和施工現場負責人聯系。施工現場負責人應立即和廈門中華白海豚文昌魚自然保護區管理處聯系，共同制定驅趕措施，對中華白海豚進行驅趕，直到趕離爆破中心1800m 以外，確定白海豚離開后才能起爆。

3.2.5 爆破（水下爆破聲學監測）

爆破施工采用單次多段連爆的爆破施工方式，在藥量增加到300kg、400kg 情況下，每段藥量限制在138kg內，單孔藥量按照“小、大、中”順序填藥，選用鉆爆器材如下：

（1）炸藥選擇：防水的乳化炸藥。

（2）雷管選擇：非電導爆管毫秒雷管，每孔間均采用1s 延時導爆管。

（3）起爆器：電火花起爆器。

采用潛孔沖擊鉆，要求一次鉆至設計孔底標高（含超鉆深度），梅花形布孔。

采用特制的圓形塑料筒裝藥柱，藥柱直徑D=120mm。

爆破網路：采用非電導爆管雷管。本次監測為該工程采用不同藥量實施的水下鉆爆施工，水下鉆爆采用1 秒的段延時間隔時間，實際效果可以達到為400～1000ms，實行孔間或排間毫秒延期預裂，逐孔進行起爆；在鉆爆前增加了2 個小炮（水中采用的非電導爆雷管），以達提前警示驅趕中華白海豚的目的。

在爆破實施過程中，采用水下爆破聲學監測的手段，實測施工中的爆破噪音大小和傳播情況，聲學監測原理為：水下爆破產生的沖擊波被高耐壓水聽器接收，接收到的信號經便攜式多功能分析儀和PULSE 聲學振動分析軟件記錄到電腦中，用PULSE 聲學振動分析軟件MATLAB 數據分析軟件對信號進行時域、頻域分析，得到最終的監測分析結果，水下爆破聲學監測鉆爆點和監測點示意圖參見圖5。

圖5 水下爆破聲學監測鉆爆點和監測點示意圖

通過數據化的分析找出該水域爆破施工，影響噪音大小的關鍵因素，針對性制定降噪措施和選定相匹配的材料；在實際施工時，選定合理的炸藥量和制定安全可靠的爆破施工方案，最終實現增產降噪的效果。

4 應用實例

4.1 項目概況

廈門港海滄航道擴建四期工程實施地點位于九龍江河口灣北岸、海滄港區以南和鼓浪嶼以西，由象鼻咀向西至九龍江北港入海口附近水域。海滄航道E′～13#泊位航段按滿足營運吃水15.5m 的20 萬噸級集裝箱船和2 萬噸級集裝箱船乘潮雙線通航要求建設，同時滿足15 萬噸級集裝箱船和5 萬噸級集裝箱船雙線通航要求，通航寬度395m。E′-7#泊位航段通航寬度395m，長6.36km，設計底高程-15.5m；8#-13#泊位航段通航寬度395m，長1.45km，設計底高程-15.0m(其中8#-10#泊位炸礁區-15.3m)；13#-17#泊位航段按滿足營運吃水15.5m 的20 萬噸級集裝箱船乘潮單線通航要求建設，通航寬度275m，長1.75km，設計底高程-15.0m。

整個工程分為疏浚工程、炸礁工程和航標工程，其中炸礁工程量約9.3 萬方，且炸礁區位于白海豚主要活動區域，每次爆破藥量都要遵守主管部門的要求，單段起爆藥量不超過138kg，施工區位于通航航道內，每次起爆作業前必須進行白海豚驅趕和封航，為保障不影響碼頭正常運營的情況下，每日封航作業次數有限，工期緊湊，對炸礁施工進度存在很大的制約。

4.2 應用情況

由于炸礁項目所在位于海滄航道中游，毗鄰的7#、8#、9#泊位區，港務冗繁，施工中通航避讓較多，爆破作業需封航后作業，協調難度大，且安全風險系數極高，受制于各種客觀因素影響，每日爆破作業次數有限，極大影響整體工程施工進度。

針對上述情況，廈門港海滄航道擴建四期工程在施工期應用了降低水下爆破作業沖擊波噪聲的施工工藝，完成了炸礁工程量約9.3 萬方。通過新工藝的應用，極大地提高施工效率，減少項目建設周期，節約了成本，減少對航道的占用時間，較計劃工期提前三個月完成炸礁區首次全范圍爆破作業，無任何安全事故。推進了水下爆破施工技術的整體提升，該實例的施工工藝對類似工程有較大應用價值，值得在今后水下爆破作業工程中推廣應用。

通過新工藝的應用，極大地提高施工效率，減少對航道的占用時間，對海洋養殖區造成的影響降到了最低，加快了整個工程的實施進度，有效降低了整個工程爆破安全實施風險。

5 效益分析

5.1 社會效益

由于炸礁項目所在位于海滄航道中游，毗鄰的7#、8#、9#泊位區，港務冗繁，施工中通航避讓較多，爆破作業需封航后作業，協調難度大，且安全風險系數極高，受制于各種客觀因素影響，每日爆破作業次數有限，極大影響整體工程施工進度。

5.2 經濟效益

廈門港海滄航道擴建四期工程施工中，炸礁工程量約9.3 萬方，如果按照每次爆破藥量都要遵守主管部門的要求，單段起爆藥量不超過138kg（環評報告書要求）的施工工藝，在保障不影響碼頭正常運營的情況下，每日起爆次數最多不超過四次，完成炸礁工程量約為387方，需要93000/368 ≈240 天完成炸礁施工任務，完成上述任務船舶、人工費、通航保障費及白海豚驅趕費約需2873 萬元。

廈門港海滄航道擴建四期工程通過降低水下爆破作業沖擊波噪聲的新型施工工藝，極大地提高施工效率，較計劃工期提前三個月完成炸礁施工任務，完成炸礁工程量約9.3 萬方施工成本約為2353 萬元，即可節約成本2873 萬元-2353 萬元=520 萬元，且未發生任何安全事故。

采用該工藝施工，創造的經濟效益未統計包括降低水下爆破施工安全風險和因工期提前帶的其他經濟效益及社會效益等。

5.3 環保效益

水下爆破特別是有珍稀動物的水域，爆破噪音是主要的危險源，本工藝成果的應用，可以有效地提高爆破用藥量同時降噪控噪，科學有效地提高施工效益，保障環保安全。

6 總結

本施工關鍵技術已在實際工程中得到很好的應用，應用期間技術穩定性得到充分驗證。在廈門港海滄航道擴建四期工程進行實例應用中，通過該技術的應用，在提高藥量作業的情況下，滿足環評制定的噪音（漁業保護）門限值要求，有效縮短了施工工期。

通過對水下爆破（大藥量）監測，掌握不同炸藥量在水下產生噪音的大小和傳播情況，合理分配單段起爆藥量和每響間時間間隔，不超過漁業保護噪音門限值即視為可行，同樣的方法適用于任何水域的爆破作業。尤其在項目實施策劃階段，可以將單響連續爆破作業施工作為主要施工工藝，有效的降低施工安全和環保風險，減少項目建設周期，節約了成本，減少對航道的占用時間，該實例的施工方法對類似工程有較大應用價值。