航道整治工程水下鉆孔爆破施工問題探討

◎ 魏必文 羅凱 江西省路港工程有限公司

隨著鉆孔機械設備的不斷改進及安全環保意識的增強，水下鉆孔爆破逐漸取代水下爆炸而成為航道疏浚、港口開發、河道整治等領域主要的施工方法。水下鉆孔爆破因炸藥埋設于巖石或水工結構內，具有很大的隱蔽性；裝藥量、爆破能量、沖擊波傳播等均對爆破開挖施工質量和安全有直接影響。必須在全面掌握航道水文地質條件、航道斷面、水深、流速等的基礎上，提出切實可行的水下鉆爆施工方案，加強爆破參數取值及過程控制。

1.工程概況

隨著地區經濟的快速發展，某航道通航能力已無法適應地區經濟建設要求，必須對河道內基巖和淤泥質層展開開挖整治，提升通航標準。根據勘測結果，需要對上下游兩段河道實施開挖，開挖設計底寬20m，標高+3.1m；待開挖土石方量3.1×104m3?；鶐r為中等風化、節理裂隙發育的黏土質砂巖，硬度系數在4.0～6.0之間，上覆一層0.4m厚的淤泥砂石層。待開挖處河道斷面呈拋物線形，兩側均呈19.5°坡度；河道水深在4.0～7.0m之間，水流流速小，河道束窄。結合河道實際及水文地質條件，決定采用鉆爆法開挖，并由挖機清渣。

該航道整治段上游620m處河堤南岸有1座高壓塔，高壓線與河道中心線水平距離約為30m；另外2條平行架設的高壓線以45°角跨越航道。整治段下游205m處有拱橋，拱橋北側為民宅區。該航道河床表面地勢起伏，基巖裂隙多，無法順利展開鉆頭定位和開孔，鉆頭鉆入裂隙的可能性很大；待開挖河床處存在0.4m厚的淤泥砂石層覆蓋層，淤泥砂石回流后會堵塞炮孔。根據《水運工程爆破技術規范》（JTS 204-2018），在水深為10m時，爆破速度和猛度分別衰減11%和10%；且隨著水深的持續增大，爆破速度與猛度大幅遞減。此外，為保證水下鉆爆質量，火工材料必須吸水性小，密度大，抗水性好。

2.爆破方案設計

2.1 爆破器材選用

該航道整治工程采用防水、爆破性能均較好的2#巖石乳化炸藥，單個藥卷長400mm，直徑90mm，重2.6 7 k g，塑料袋包裝；密度為1.1～1.4 g/c m3，爆破速度不小于3200m/s，爆破力不小于260mL，爆破猛度在12mm以上?？紤]到整治段周圍有高壓線和民宅，為避免產生雜散電流，以8#防水金屬殼工業電雷管為擊發元件，并以非電導爆管雷管為傳爆元件，以非電毫秒延期雷管為起爆元件[1]。

水下爆破時因邊鉆孔邊裝藥，雷管在水下放置的時間最長達到35h，故起爆、傳爆雷管必須經過特殊加工，在孔口橡膠塞和管殼之間、導爆管和橡膠塞之間，涂抹固體膠加固；裝藥時還應在雷管管口涂抹黃油。

為保證順利起爆，每個炮孔均設置2個非電雷管，并采用孔內高段別雷管、孔外低段別雷管的復式非電起爆網路，保證首排炮孔爆破后，雷管已傳爆至最后排爆破孔內。

2.2 炸藥單耗及單孔裝藥量

通常情況下，水下鉆爆炸藥單耗以陸地爆破單耗為依據，根據水深、覆蓋層厚度、巖石類型、臨水條件等進行修正[2]。該航道整治工程也按照這一思路，參照技術規范并采用瑞典水下爆破經驗公式展開炸藥單耗計算[3]，公式如下：

式（1）中：q為水下鉆爆炸藥單耗（kg/m3）；q1為炸藥基本單耗（kg/m3），為陸地臺階爆破炸藥單耗量的2倍；如果是垂直孔爆破，還應再增加10%；q2為爆破區域內水壓耗藥量（kg/m3），按照水深的0.01倍確定；q3為覆蓋層耗藥量（kg/m3），按照覆蓋層厚度的0.02倍確定；q4為巖石膨脹耗藥量（kg/m3），按照梯段高度的0.03倍確定。將相關參數值代入式（1）可以求得水下鉆爆炸藥單耗為1.04kg/m3。

根據規范，水下鉆爆過程中，風化巖或軟巖2#硝銨炸藥綜合單耗平均值應為1.72kg/m3。結合該航道整治工程實際，并考慮基巖情況、清渣設備性能，將水下鉆爆炸藥單耗最終確定為1.10kg/m3。

該航道整治工程水下鉆爆單孔裝藥量按照下式確定：

式中：Q為鉆爆單孔裝藥量（kg）；a為炮孔孔距（m）；b為炮孔排距（m）；H為炮孔深度（m）。經計算，單個炮孔裝藥量為10～24kg；其余參數含義同前。

2.3 孔網參數

水下鉆爆孔網參數的確定應采用經驗公式，并以爆破后炮孔上部無大塊巖渣及巖梗為原則[4]。經確定，孔徑應為95m m；孔距應按最小抵抗線的0.8～2.0 倍確定，即取1.5～2.5m，靠近河道中部基巖薄弱的區域取大值，靠近河道兩側基巖深厚的區域取小值。爆破孔排距則按最小抵抗線的0.8～2.0倍確定，即在2.0～2.5m之間取值。孔深位于2.5～5.0m之間，其中包括1.0～1.5m的超深。

2.4 起爆網路

該航道水下鉆爆采用孔內微差混合起爆系統，各爆破孔內均裝設2發導爆管毫秒雷管，從鄰近的6～8個炮孔中引出12～16根導爆管形成1簇，與水面外露的PVC管端頭固定。每簇導爆管引爆均通過2發瞬發電雷管實現。各簇電雷管采用串聯形式，連接線全部固定在水面外的PVC管頂。最后通過絕緣導線引至岸坡處，等待起爆。起爆網路布置情況見圖1。

圖1 起爆網路圖（圖中線條均為復線）

3.爆破施工工藝

3.1 定位

當前，國內航道施工常見的作業平臺有以下幾種：專業鉆孔爆破工作船、浮式平臺、固定支架平臺等。該工程以專業鉆爆工作船為鉆孔平臺，工作船上設置6臺中風壓鉆機，船舶移動通過前后2門主錨和左右4門邊錨實現，前后錨鋼絲纜長200m，主要控制船舶縱移；左右錨鋼絲纜長125m，控制船舶橫移。水下鉆孔時，借助電子圖上設計好的孔位以及船舶平臺流動站GPS測出準確位置，再指揮工作船移動就位。為保證船舶快捷迅速就位，必須準確掌握和控制各錨受力方向。

3.2 鉆孔及裝藥

工作船上中風壓鉆機配置φ100mm鉆頭，鉆進開始后先下套管壓緊，再下鉆桿施鉆。鉆進開始后應將供風閥打開，上下反復沖擊并將套管壓入河道底面，隨后展開正常鉆進。待鉆至設計孔深后，再次壓緊套管，將鉆孔中巖渣吹除后提起鉆桿；沿套管將事先準備好的炸藥柱緩慢送入鉆孔，并通過撐炮竹蒿將炸藥推至孔底。按照設計藥量裝藥后，單個炮孔內還應裝設2發同段別雷管。當單個炮孔裝藥量超過3卷時，應在底部藥卷處和中間靠上藥卷處分別設置雷管。裝藥結束后通過砂料填塞0.5～1.0m長度，并拔除鐵套管，固定好雷管腳線。

3.3 起爆網路連接

根據水體深度及河道寬度進行特制防水非電導爆管雷管長度的確定。在孔間或排間導爆管長度與下一孔、排合并存在難度時，應并聯導爆管，并將其余導爆管尾部合并，均勻排列。在裝藥量與安全起爆藥量接近時再連接起爆網路，并檢查起爆電纜導通電阻。

起爆網路并聯或并串連接時，應采用電雷管安全連接工法。連接完成后全面檢查，排除錯接和漏接，并理順線路。為防止四通進水受潮而拒爆，水面接力全部采用雷管，而不用四通。導爆管在水流沖擊后與巖石頻繁摩擦，發生破損斷裂的可能性非常大；船舶移動時也容易掛斷，故必須選用高質量導爆管雷管，采取有效保護。

3.4 水下清渣

鉆爆后通過反鏟挖泥船展開水下清渣，每艘挖泥船配置2艘130t的駁船。挖泥船總噸位較大，還應在船艏部停放工作臂長7.0m的2m3液壓反鏟挖機，以滿足水下清渣施工要求。為保證液壓反鏟工作時挖泥船船體穩定，還應在挖泥船中間設置2根600×600mm鐵柱，通過液壓齒條實現鐵柱升降。液壓反鏟作業時降低鐵柱，并升起挖泥船；通過卷揚機拉緊船艉錨繩，以便將挖渣船擺動降至最低限。在移位前，升起鐵柱，開啟卷揚機，實現船舶移位。

為提升清渣質量和效率，應根據爆渣厚度調整作業順序，對于水深≤2.0m的區域，一次開挖至設計標高；而對于水深＞2.0m的區域，應分次、分條、分塊開挖至設計標高。

4.安全控制

4.1 爆破地震波

水下鉆爆施工過程中地震波主要由以下原因引起：一是爆破直接作用；二是水中爆破沖擊波沖擊水底邊界而引發的沖擊地震波；三是爆破氣體脹縮上浮時引起的地震效應。水體具有難壓縮性，水下爆破的地震效應比陸地爆破強度更大，衰減速度更緩慢，影響范圍及破壞力也更大。根據規范，水下鉆爆施工時爆破安全距離[5]按下式確定：

式中：R為水下鉆爆爆心與保護目標之間的距離（m）；K為水下地形、地質條件系數，根據該航道整治段地質條件，取150；v為與爆源相距一定距離處地面質點振速（cm/s）；Q為最大段齊發爆破藥量（kg）；α為水下地震波衰減指數，根據該航道整治段地質條件，取1.5。

將相關參數值代入式（3）后得出，該航道整治下游段最大齊發爆破藥量取60kg時，205m處拱橋地面質點振速為1.63cm/s；上游段最大齊發爆破藥量取20kg時，620m處高壓塔地面質點振速為0.87cm/s，均不超出《爆破安全規程》（GB 6722-2014）中允許的爆破振動安全標準。

4.2 水中沖擊波

水體內炸藥爆破后高溫高壓爆轟波將對周圍水介質造成急劇壓縮和沖擊，瞬時形成強烈的沖擊波并向四周擴散。水體在一般壓力下屬于不可壓縮物質，故沖擊波能量衰減緩慢。該航道整治工程水深較淺，爆炸后氣體大量溢入空氣，爆炸沖擊對周圍結構物的影響并不大。可見，按照安全規程，在水深不足30m、最大單響藥量60kg的水域內展開水下鉆爆，將水面警戒范圍確定為900m安全可靠。

4.3 飛石影響

因水層的覆蓋和緩沖，水下鉆爆期間飛石的安全距離小于陸地爆破。根據規范，水下鉆爆過程中，當水深不足2.0m且自由面為1個時，飛石安全距離在180～200m之間；自由面為2個及以上時，飛石安全距離應在200～300m之間。當水深在2.0～4.0m時，飛石安全距離應在10 0 ～20 0 m之間選取，水深越大，取值越小。當水深超出4.0m時，飛石安全距離取50～100m。

綜上，該航道整治工程水下爆破安全距離應按200m確定，并加強裝藥量控制，加強河道中央水深區炮孔填塞處理，避免對爆區上方高壓線造成不利影響。

5.結論

綜上所述，水下鉆爆屬于特殊的水運工程，方案設計及爆破施工必須嚴格遵守相關規范，并展開小規模鉆爆試驗，結合工程區水文地質條件，不斷修正和優化施工方案及參數，保證爆破開挖質量和效率。該航道整治工程水下爆破方量大，水域環境復雜，保護目標多，經過方案論證，最終選用了乳化炸藥分區鉆孔微差松動爆破技術；在鉆爆過程中，根據對水中沖擊波和爆破地震波的監測結果，及時調整鉆爆參數，將水中沖擊波和爆破地震波嚴格控制在允許范圍內。航道整治段水下3.1×104m3的爆破開挖任務僅耗時4個月，工期大大提前。