基于Surfer3D可視化的深水河道基坑精細化爆破施工技術

中圖分類號：U445. 54⁺3 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.037

文章編號：1673-4874（2025）04-0134-04

0 引言

近年來，隨著國家基礎建設事業的快速發展，工程施工面臨的環境愈加復雜，現代化橋梁建設經常面臨著一系列挑戰[1-2]。承臺作為基礎支撐結構的關鍵部分，如何確保其高質量施工尤為重要。特別是在承臺選址位于河床深處，遠離水面與岸邊，且河床以硬質巖石為主的特殊環境，傳統長臂挖掘機因作業范圍受限而無法有效實施挖掘，此時深水鉆孔爆破技術便成為承臺基坑開挖的首選[3]。受水下視野受限及作業安全風險高等因素影響，水下深基坑爆破相較于陸上爆破，面臨諸多挑戰[4]，如爆破區域地形難以精確測量、人工測量誤差大、爆破作業質量控制復雜等[5-6]，這些都對深水爆破施工提出了更嚴格的要求。

針對上述問題，S514南寧江西至壇洛公路No1標段經過技術研究和探討，最終通過采用智能化無人測量裝置，對水下地形進行全過程、全周期量測，結合Surfer3D可視化技術將水下地形數據轉化為三維模型，用以指導、輔助爆破參數精細化設計及動態優化，達到了深水基坑的精細化爆破開挖的目的。

1 工程概況

擬建中楞左江大橋位于市西鄉塘區壇洛鎮上中村附近，于縣道X005中楞渡渡口上游約650m處，路線 1×7+720 處跨越左江，橋梁起止樁號為 1×7+375～ 18+065 。通航標準為內河Ⅱ級航道，最高通航水位為5% 洪水位83.67m，設計洪水頻率為1/100。施工水位根據上中左江特大橋兩階段初步設計圖取橋址處5年一遇洪水位76. 60m （201^??2^?"主墩承臺尺寸為18 3m×18m ，原河床線水深為 8～16m ，炸礁后常水位水深為 16.5～16.8m ，擬采用雙壁鋼圍堰施工。本方案設計基坑爆破范圍為22 m× 22m ，基坑周邊按 1：1 放坡。考慮到放坡寬度， $＼harpoonleft$ 主墩爆破范圍設計為27.48 m×27.48m;2^?"主墩爆破范圍設計為33. 82m×33.82m. 。鑒于圍堰封底混凝土厚度為2.8m ，因此爆破底標高控制在距離承臺底標高2.8m位置，即59.2m處。

圖11#～2#主墩承臺基坑斷面圖

圖2爆破區域平面圖

2 工程地質概況

根據地質勘查及鉆探揭示， 1^?，2^? 主墩場地地層主要為第四系沖洪積土層，二疊系下統茅口組灰巖，地層分述如下：

（1）沖洪積土。 ① 粉質黏土，灰褐色，流塑，含有機質，有腥臭味，夾 10%～30% 細砂。該層在主要分布于1^? 主墩和 2^? 主墩范圍內，厚 0.5～2m ： ② 粉質黏土，灰褐色，可塑，主要成分為黏粒，含少量細砂及角礫。該層主要分布于 2^? 主墩范圍內，厚1. 50～5.50m，

（2）二疊系下統茅口組灰巖。 ① 中風化角礫狀灰巖（鈣質膠結），灰白色，角礫狀結構，中厚層狀構造，角礫成分單一，主要為灰巖，大小不等，厚度一般為 1～5cm ，節理面偶見鐵錳質侵染，膠結較好，取芯多呈塊狀，少量柱狀。 ② 中風化白云質灰巖，灰白色，具有隱晶質結構，中厚層狀構造明顯，裂隙稍發育，局部有溶蝕現象，裂隙多為方解石脈閉合充填，整體巖質堅硬，巖體完整性較好，巖芯以短柱狀和柱狀為主。

3 工藝原理

Surfer3D軟件主要基于空間插值算法與格網化技術，通過離散點數據構建規則化三維模型，實現水下地形可視化。其核心原理包括：

（1）等值線生成。利用反距離加權法、克里格法等數學模型，對離散點數據進行插值，生成連續光滑的等值線或曲面。

（2）格網化處理。將不規則分布的數據點轉換為規則網格數據，如最小曲率法優化曲面平滑性，改進謝別德法降低數據噪聲干擾等。

（3）三維建模。基于網格數據構建3DSurfaceMap和3DWireframeMap，結合坐標系統轉換（如西安80、CGCS2000）實現水下地形可視化。

4施工工藝及操作要點

4.1施工前準備

施工前準備工作主要包括：確定測量時段；確定布線方式；確定測量密度。

（1）確定測量時段。針對施工環節關鍵節點，如開挖前基準地形、覆蓋層開挖后地形、爆破效果評估地形測量及爆后驗收等常規時段，確保能夠全面、及時地收集各關鍵節點的數據，為施工過程爆破參數調整提供可靠數據支持。

（2）確定布線方式。項目采用網格化均勻布線方式為主導，重點部位采用減少測量點距離、增加測量次數、提高測深儀器頻率和信號發射強度的方法。

（3）確定測量密度。針對水下落差起伏大、巖石分布不均、存在地質斷層等情況，選用高等級擋位，根據實際情況手動增加測量密度，以獲取詳細的測量數據。

4.2開挖前水下地形測繪

（1）開挖前水下地形測量。開挖前水下地形測量依據規劃好的布線方式和相關參數，通過高精度的測深儀、聲吶等設備獲取水深、水底地形起伏等信息。

（2）三維建模。利用采集的水下地形實測數據，根據數據的分布特點和精度要求，通過采用Surfer3D可視化建模功能，將地形曲面轉化為高精度的三維地形模型，實現水下地形可視化。三維地形模型如圖3所示。

圖3開挖前爆破區域水下地形云圖

4.3覆蓋層開挖及地形測繪

（1）確定開挖范圍和深度。根據設計要求，明確覆蓋層的開挖范圍；設計給定的開挖底標高，應結合現場測量數據、爆破目標和巖石特性計算得出的理論超深值，在開挖過程中，根據現場實際做細微調整。

（2）開挖設備選型。充分考慮現場施工條件，結合現有設備性能和經濟性要求進行選擇（表1）。

表1開挖設備配置表

（3）開挖及過程監控。安排專人密切關注開挖進度，對比開挖進度與計劃是否相符，進行動態調整。嚴格監控開挖質量，定期對開挖深度、坡度等進行測量檢查，確保開挖深度符合設計要求，避免超、欠挖現象。

（4）三維建模。依據預先規劃的測量時段、布線方式和測量密度開展測量工作。重點關注開挖邊界、深度及地質條件變化明顯等特殊區域，增加測點密度，以獲取詳細地形數據，最后基于Surfer3D軟件實現地形三維可視化建模，如圖4所示。

圖4開挖后爆破區域水下地形云圖

4.4爆破參數設計、試爆及優化

（1）爆破參數設計。根據爆破區域的大小、形狀和巖石分布情況確定合理網孔間距和排距，確保炸藥爆炸能量在巖石中均勻分布，實現更好的破碎效果。具體網孔參數可按如下數據確定：

孔距：鉆機船固定架間距為2.5m，故孔距取 2.5m₀

排距：堅硬巖石選用 1.5m ，軟弱結構或不易于成孔層選 2.0m 9

分層厚度：根據周邊構建筑物對振動速度的要求、巖石水下裝運效率、巖石厚度等綜合考慮，水下深孔爆破分層厚度6m以內爆破效果最佳；鉆孔超深取 1.5～2m 巖石硬度大，則取大值。

裝藥系數：根據巖石硬度、裂隙發育等因素確定。硬度較大巖石，需適當提高裝藥系數，以保證炸藥能量足以破碎巖石；對于裂隙較多的巖石，需謹慎調整裝藥系數，避免過度爆破。

裝藥間隔長度： 0.3～0.6m ；孔間間隔：103ms；孔內間隔：47 ms。

爆破振動安全允許距離計算公式如下：

式中： R —一爆破振動安全允許距離/m；

K 一爆破點至保護對象間地形、地質相關系數，按表“有關的系數 K 和衰減指數 α 值\"選??；

V? 一保護對象所在地質點振動安全允許速度/ （cm?s^-1） ；

Q 一最大單段藥量/kg；

α 1 衰減指數。

單孔裝藥量可根據《水運工程爆破技術規范》（JTS204一2023）進行計算：

Q=q₀×a×b×H

式中： q₀ 一 -水下爆破單位炸藥消耗量/ （kg?m^-3） 。根據巖石特性及類似工程經驗，結合巖層厚薄， q₀ 取 1.0～1.2kg/m³ ：

a、b- 一鉆孔的孔距、排距/m；

H₀ 一設計爆巖層厚度/m，即開挖巖層厚度與計算超深值之和。

水下裝藥量還應考慮：裝藥量應達到鉆孔深度的75% ；在巖層較薄處，適當增加裝藥量以減少超深；若孔深 ≥5 m時，采用間隔裝藥，間隔長度取0. 5m_c 以1主墩承臺為例，各炮孔裝藥量計算如表2所示。

表2單孔裝藥量計算表

（2）試爆。根據以上設計參數進行試爆，若爆破振動控制得當，開挖塊度適合挖泥船裝運，可用于指導后續爆破施工；否則應進行爆破參數優化。

（3）爆破參數優化。根據試爆結果和開挖情況進行參數調整，包括據水深調整防水炸藥類型、排距、裝藥系數、孔內及孔間間隔時間；結合爆破振動監測值與理論值對比，優化最大單段藥量，實現安全、高效、經濟的爆破總體目標。

4.5水下爆破施工

水下爆破施工工藝為：鉆孔 $$ 裝藥 $$ 連線 $$ 警戒 $$ 起爆 $$ 清渣 $$ 地形測繪及三維建模。

（1）鉆孔。選用合適的鉆機船，搭載雙GPS測量定位系統，按照設計參數進行鉆孔，確?？孜粶蚀_，鉆孔深度符合要求。在鉆孔過程中，注意保持孔壁穩定，特別是在地質條件較差、巖石裂隙較多的區域需保證鉆孔質量。

（2）裝藥。根據設計裝藥結構，采用竹條綁扎固定、沙袋間隔等方式將炸藥裝入炮孔，應注意裝藥密度和裝藥長度，采用間隔裝藥要保證間隔均勻。

（3）連線。孔內使用數碼雷管將其與裝藥結構及起爆線路正確連接，確保雷管能夠在預定時間起爆；根據炮孔分布和起爆順序，將各炮孔起爆線路按順序連接至母線，在連線過程中，逐一檢查連接點，確保連接牢固，避免出現漏接、錯接情況發生。

（4）警戒。在爆破區域周圍設置警戒范圍，分為水上警戒和岸上警戒兩部分。確保水下船只、岸上人員及建筑物在爆破飛石、沖擊波范圍之外；警戒區應設置明顯警戒標志，通過廣播、對講機等方式，警示附近人員、船舶在規定時間內遠離爆破區域。

（5）起爆。在確認爆破網路連接無誤，各警戒點警戒到位后，由專業爆破工程師對整個起爆網路的進行導通性測試，確認無誤后正式起爆。

（6）清渣。由于基坑開挖范圍較小，無須分段開挖施工。本項目采用抓斗挖泥船分條、分層縱挖式挖泥的施工工藝，邊坡按 1：1 設計清挖，并進行分層階梯開挖。開挖每層時，遵循“下超上欠，超欠平衡”的原則，依據設計斷面規范，實施不同寬度的開挖作業。初步開挖后，邊坡呈現鋸齒狀形態，而未被挖掘的部分在施工過程中受到擾動，最終在重力效應下自然坍塌，形成所需的邊坡。

（7）三維建模。爆破清渣后，對承臺基坑地形進行測量，根據預先規劃的測量路線和測點密度操作。對采集的原始數據實行嚴格的質量檢查與校核，剔除因測量誤差或設備干擾導致的異常數據，確保數據準確性，并基于Surfer3D軟件實現地形三維可視化建模，如圖5所示。

圖5爆破清渣后基坑區域水下地形云圖

4.6爆破振動監測

在施工區域周邊構建筑物關鍵位置布設測振點，采用高精度振動監測儀實時監測爆破振動峰值加速度。測振點安裝要牢固可靠，確保在爆破振動過程中不會發生松動或脫落。對采集到的數據進行初步篩選和預處理，去除異常數據，為后續的數據分析、爆破參數優化提供高質量數據支撐。

該區域建筑物允許振動閾值為 2.5cm/s² ，經監測，爆破振動峰值加速度均在安全范圍。同時利用頻譜分析儀，分析振動頻率，未發現與周邊建筑固有頻率相近情況，排除共振風險。

4.7爆破效果評估

爆破后觀察開挖情況，巖石破碎均勻、塊度適中，完全符合運輸和施工的各項要求；同時，地形坡度合理，平整度達標，爆破效果良好。針對局部巖石破碎不理想的情況，重新調整了該區域炸藥裝藥結構，合理分布裝藥密度，同時依據振動頻率分析，微調微差起爆時間，爆破效果顯著改善。經建設、監理、施工單位共同驗收，爆破效果符合設計與安全規范要求。

4.8清理整平后掃床驗收

爆破完成后，將基坑石渣清除和水下平整后進行掃床驗收。使用專業掃床設備全面檢查爆破區域，查看有無突出礁石、廢渣，重點檢測水下地形平整度、邊坡等是否符合設計要求。水下爆破開挖基槽應每5m檢測1個斷面，且 ?3 個斷面；每個斷面 1～2m 應測1個點，檢查方法可采用測深儀或測深水礦檢查；當空間受限時，可采用水下加密測量方法進行檢查，并在交工驗收資料中注明。

經全面檢測，確認水下基坑內無淺點，地形平整度優異，邊坡也完全符合設計要求。項目順利通過驗收，各項指標均達標，為承臺的施工奠定了堅實基礎，保障了橋梁工程的順利推進。

5結語

本文通過采用無人測量裝置，結合Surfer3D可視化建模技術，實現了主墩承臺基坑爆破參數設計的動態優化，克服了深水爆破無法直觀觀測地形，測量精度低，質量控制難度大，無法采用挖掘機械開挖等技術難題。在保證爆破目標的前提下，優化了炸藥用量，提高了施工效率，實現了深水基坑精細化爆破施工目標，保障了爆破區域周邊構建筑物安全，對類似深水爆破作業具有較大參考與指導意義。

參考文獻

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