水下钻孔爆破技术在水运工程建设中的应用

◎丁群 浙江省海港投资运营集团有限公司

1.水下岩石爆破作用机制

水下岩体与地面爆破的主要区别在于，水下岩体的含水率一般处于饱和状态。岩层表面和水体界面承载着水层的静压荷载，在爆破时，岩体将被水阻力所影响。第一，相对空气来讲因岩层波阻抗比要比其高出一个数量级，所以，在水界面处因岩石爆炸的冲击波而形成的反射波能量较小。同时，在水下爆破时，反射拉应力对岩石的拉力破坏作用不强烈。第二，在水下爆破时，岩石爆破位移变形需要克服水压，所以，水下凿岩爆破的单位药量必须大于地面爆破的单位药量。第三，在水下岩石爆破中，冲击波、应力波和地震波的衰减速度相较于陆地爆破慢许多倍。所以，水下岩石爆破形成的振动影响更加强烈，其危害的范围更加广泛。

2.项目背景

宁波-舟山港衢山港区蛇移门水道南北贯通，长约3.8k m，宽约2km，航道水深通常在22m以外，除了蚊虫山岛、外叶山礁、小盘山西礁外。爆破区域位于蛇移门航道，东临最近的鼠浪湖岛约180m，西边与蚊虫山岛间隔约900m、与万良码头间隔1900m，南北走向均为蛇移门航道。该项目是针对41万吨卸船码头前端百米区域内的暗礁，采取爆破清除措施，总爆破范围大概是3.2万m，清理炸礁总量大概是23万m。

3.水下钻孔爆破施工方法

3.1 水下爆破材料的选择

该炸药使用硝化橡胶（也就是硝化甘油），具有防水性能。由于爆破的目标是松散岩石，并尽量减小钻孔直径，所以采取了巨能穴型橡胶炸药，使爆炸产生的大量能量主要集中在岩石上，从而使岩石松散，而不会对孔壁造成任何影响。炸药采用雷管起爆，其雷管类型选用MS23毫秒级雷管，这种雷管仅由引爆器发出爆炸，具有良好的防水、安全性能。

3.2 爆破方法

为了最大限度地发挥松散爆破的效果，必须将炸药送入孔底，尽量与孔底的岩石相接触，炸药的顶部需要承受足够的压力，以平衡炸药的冲击力，所使用的工具是用钢筋做成的圆环，直径1200mm（圆环里用棉线编织成一个倒锥形的网眼，底部比较密集，用来装炸药），吊车、支架、钢丝绳和塑料袋等。在爆炸前，将炸药与雷管相连，用一个塑料袋密封，用少量泥土填满，使之位于中心，让巨能穴垂直于下，然后将塑料袋放在圆锥形网眼底部，用一个袋子（大约300公斤）将塑料袋均匀地盖住，然后用吊篮将它吊到孔底，确认安全后，用起爆器将它起爆，爆炸完成后，用卷扬机将网抬起，旋转钻孔，再次进行钻进，同时必须要求有经验丰富的司钻操作，防止爆炸后的岩层没有明显松动，导致钻具和工作人员受到损伤。

3.3 爆破施工参数

从该项目实际状况出发，参考《爆破工程安全规程》（GB6722-2003）和《水运工程爆破技术规范》（JTS204-2008）的有关规范与经验，该项目初始认定爆破参数如下：

爆破孔直径D=165mm；药筒直径ф=145mm；药筒长度50cm；每段药筒重量为8kg；

爆破孔间距a=3.0m；

炮孔排距b=2.5m，梅花形炮孔布置；

超深钻孔h=2.5m。

3.4 爆破分层

按该项目实际情况：该项目水深大，底部岩层高低起伏大，岩面高差落差较大，岩面至高点为6.47m，将要爆破的岩石厚度最大应满足20.23m；所以，该范围适宜划分为两层进行施作，划分层的高度临时确定为16.5m，也就是：将超出16.5m高度的岩层作为一层进行爆破（最大的岩石厚度为10.03m），并将该区域内爆破后的碎礁石进行清除，再继续打孔爆破低于16.5m的岩层。

A区将大概16.5m作为分层的标高，首层（A1区）最大岩石厚度为：26.8-16.50=10.30m，本范围内的爆破面积约为3500m。

B区拟一次爆破至底，最大岩层厚度：26.8-13.37=13.43m。本区段作为安全施工的检查区段。

3.5 单孔药量计算

按照《水运工程爆破技术规范》（JTS204-2008）单孔装药量公式（4.3.3）进行计算。

式中：Q─单孔装药量，其单位为kg；

q─水下钻孔爆破单位炸药消耗量，其单位为kg/m，参照《水运工程爆破技术规范》（JTS204-2008）表4.3.3－2选取，根据该项目实际状况，选用的含药量为1.70kg/m。

a、b、H─炮孔间距、炮孔排距、设计爆层厚度，单位为m，即开挖岩层厚度和超深计算见《水运工程爆破技术规范》（JTS204-2008）表4.1.8爆破工程超深、超宽值，超深取0.5m，每侧超宽取1.0m。

该项目最大岩层厚度为B 区无分层施工区：其厚度为26.8-13.37=13.43m，通过取H＝13.43m，以计算出单孔最大装药量。

目前根据孔距3m，排距2.5m，钻孔超深2m，计算超深0.5m，以炸药平均单耗量约1.70kg/m进行估算。由于岩层越薄其硬度越高，所以炸药单耗就越高，则Q=kqabH=1.23×1.70×3.0×2.5H=13.22H=210kg。

K=1.23为一般硝化炸药和乳化炸药的换算系数。

本范围实际的单孔用药量：Q=((13.43+2)＊0.85/0.5)=26段炸药，每段为8Kg,总装药量为208Kg；考虑到13.43为本区域的至高点，其他相邻孔的岩面将低于该点，所以，可以认为单孔装药基本能符合岩层破碎的标准。

实际施工中，计划最多三排一次起爆，起爆药量最大为6＊210＊3=3780Kg，为了降低冲击波与爆破振动的影响，在排与排间采用毫秒级措施，起爆炸药的最大药量为：6＊210=1260Kg。

本项目的水下炸礁作业选用的乳化炸药，其防水性能好。乳化炸药是一种具有良好耐水性的安全炸药，浸泡于水中3天后，其爆炸强度和爆炸速度的衰减低于6%。药筒采用塑料袋包裹，直径为145mm，药筒长为50cm，标称重量为8kg。

3.6 钻孔

本项目采取水下潜孔爆破的施作措施。通过CQG─150型深水潜孔钻机进行钻孔，孔径为165mm，孔距3.0m，排距2.5m。

3.6.1 钻深计算及孔深计算

钻孔前，应对钻孔深度进行计算，方便钻机采用手动进行施作，钻孔结束后，应对孔深度进行计算，再依据孔深度计算出需要装的药量，若开钻时，其潮位为A,岩面标高为B,设计底标高为C,超深值为D,则:钻深H=A-C+D孔深h=B-C+D

3.6.2 钻孔

一次性钻至设计标高，通常情况下，炮孔顺着水流方向，呈梅花形状进行设置。

3.6.3 钻孔定位

在水下钻孔时，通过安装在海岸管制站与炸礁船上的DGPS卫星系统进行定位，根据设计确定的平面控制参数，在计算机显示屏上预先确定钻孔平面位置，在施工设计中指挥钻机船对钻孔进行锚定和定位，使孔位准确，避免钻孔泄漏和堆积。按钻孔时潮位对此处钻孔深度进行计算。要求一次性钻孔爆破到设计深度，防止进行二次爆破。

3.7 装药和堵塞

3.7.1 药包加工

药袋加工应在铺有木材的房间内进行，每个药袋长度掌控在2m之内。加工步骤如下：炸药柱利用竹片夹紧并绑扎，按炸药布置方案在每段布设2枚雷导管，最后用胶带将雷管和炮绳捆绑在一起。装药过程中，药包应缓慢投放到套管中，同时拉紧炮绳，通过竹竿或者木棍将药包缓慢送至孔中。装药完成后，检验药包的顶标高应低于设计标高（误差范围在0～20cm），用碴或砂子回填剩余孔，防止药包从孔内浮出。

3.7.2 装药方法

（1）测深线（一般按钻杆钻进比例）检查钻孔深度，如果达不到要求，应要求钻工重新钻孔；根据要求的数量进行装填炸药与雷管；利用测深线（通常按照导爆管的长度）检验炸药有没有到达孔底，如果没有到达，应利用炮棍压到孔底；利用砂子填堵炮孔（为提升爆破效果）；通知钻机操作员吊起套管并连接炮管。

（2）在实际操作中,药柱长度≤2.5m时，安装一个起爆体，布设在炸药长度下方约1/3的位置；药柱长度＞2.5m时，安装两个起爆体，分别安装在药柱底部的1/4与3/4的位置。首排装药结束后，移动爆礁船、定位，展开第二排孔的钻孔作业。这样逐排进行钻孔并装药。

(3)每排炮眼装药完毕后，炮手应检查爆管数量是否一致，方可连接雷管。检测线路导通后，将爆礁船移至安全区，准备爆破之前，派悬挂红旗的安全船提前15分钟在爆破区周围进行警戒，防止任何船只靠近爆破区，发出准备爆破的信号，各路线报警人员应答报警信号后，爆破现场指挥员发出立即爆破信号，炮手立即进行引爆。

3.8 堵塞

钻孔爆破礁石时，水深应超出6m，由于水的压力，不需要进行堵孔；对于6m＞水深＞3m的，应堵孔0.5-0.8m；水深＜3m的，堵孔1.2-1.5m。爆破点水深不够6m时，应实施避免飞石的安全措施。

3.9 连接起爆网路

3.9.1 起爆网路

按照本项目施工条件，为防止爆破地震对附近建筑体的破坏，降低冲击波，起爆网路的设计采用了以下措施：

起爆网路通过“并联”方式进行连接，爆破网路各排6孔同时发，排（区）和排（区）间，选取非电毫秒雷管进行延迟起爆。

考虑到爆破导致的地震波和水中冲击波降低对周围环境的影响，该项目采用孔间毫秒进行爆破，连接方式见图1。

图1 爆破连接方式

3.9.2 网路连接

孔或列之间的网状连接:指孔或列之间的起爆管长度不能和下一个孔或列相结合的情况，采取并联连接方式，通常将其余起爆管末端结合在一起，起爆管均匀布置在两个起爆管附近并进行包裹(一般为一段，即瞬间雷管，因为在炸药包加工过程中，按每个孔的毫秒要求，安装不同段的雷管)，6层以上用防水胶带包紧牢固。

当装药量靠近安全起爆药量时，连接起爆网络并检查起爆电缆的导通电阻。起爆网路应并联或串联，全部起爆管整理整齐，根据要求进行连接。连接结束后，检查是否有漏接与错接现象，理顺整条线，准备下道工序。

3.9.3 爆破顺序

为提高炸药的有效利用率，首先对A区第一层(A1区)进行钻孔爆破，然后移至B区进行爆礁；然后从B区开始，对原A区采取爆礁作业。从边缘到中心，为了有效降低炸礁与清礁之间的施工干扰，及提升施工效率，采取先进行爆礁，而后再清理残礁的措施。

4.爆破效果分析

4.1 爆堆形态

爆破后，应对爆后进行一定的检查，检查全部的炮孔是否全被引爆，是否有盲炮或者残炮等情况，同时，礁石破碎块程度均匀，没有任何浅点，相对方便铲装，证明爆破获得了优良的效果。

4.2 爆破振动监测

为保证爆破区域岸边建筑群体的安全，使其不被爆破振动所影响，对岸边建筑群设置对应的测试点，设置专用设备TC-4850，将岸边建筑采取爆破振动监测措施，合振速最大值如表1所示。

表1 各个测点合振速最大值

按照中华人民共和国国家标准《爆破安全规程》（GB6722－2014）规范，对于一般民用建筑，最小允许振动速度为1.5～2.0cm/s。每个测试点的振速均低于1.5cm/s，所以，爆破导致的振动，对周围的一般民用建筑体不会产生不良影响。

5.结语

由此可见，本文根据实际工程案例，将水下钻孔爆破工艺节点进行了全面的研究。文中该项目水下炸礁爆破块相对破碎，而且匀称，便于后期的清渣作业。若水下炸礁对周围普通民用建筑体没有产生不良影响，说明其爆破是成功的。该项目的爆破孔网参数，可为今后同类水下炸礁爆破项目提供有利参考。