降低水下爆破作业冲击波噪声施工技术研究

张冬洋，曾柏瑞

（长江武汉航道工程局，湖北 武汉 430014）

1 引言

随着水利工程、海岸海洋工程的不断发展，水下爆破技术得到了广泛的应用并逐步成熟。水下爆破是在极短时间内，在水下的极小体积内或面积上发生极大能量转换的过程。在水下爆破的瞬间，周围水体密度、温度和压力跳跃式攀升。由于水和空气在密度和压缩性能上的巨大差异，水下爆破产生的冲击波强度远大于陆上爆破。水下爆破具有随距离衰减慢，易与水上和岸边结构物产生共振，冲刷破坏力较强的特点。传统的水下爆破方式对周边的环境和水生生物有较大的影响。在实际施工中，特别是生态保护水域的爆破施工，多采用限制单次单段起爆药量的方式控制爆破噪音。

本文通过对水下多段连续起爆施工方式下不同药量的噪音监测，研究总结了不同炸药量爆破水下爆破产生的噪音持续时间及共振情况，制定合理的起爆药量，形成科学合理的施工工艺，确保水下爆破产生的噪音在渔业限定的门阀值内，实现了在珍稀动物保护水域采用大药量爆破施工的可能性，用数据证明施工的安全性。

2 工艺原理

采用水下爆破声学监测手段，实测施工用炸药的爆破噪音大小和传播情况；通过数据化的分析找出该水域爆破施工，影响噪音大小的关键因素，针对性制定降噪措施和选定相匹配的材料；在实际施工时，选定合理的炸药量和制定安全可靠的爆破施工方案，最终实现增产降噪的效果。

水下爆破产生的水冲击波与液体静压力叠加，使位于水下某固定位置上的压力变化过程在微秒量级的瞬间就能增大至峰值压力。但持续时间很短，在初始峰值压力到来后，压力即开始随时间呈指数衰减规律下降，在几毫秒的时间内，压力值就迅速下降。

经现场水下爆破声学监测数据分析，从监测获得的爆破时域图来看，在300-400 毫秒的时间内，压力值就迅速下降。故在水下钻孔爆破作业中，每段之间采用1.0s延时，单孔采用微差爆破的方式，按照“小、大、中”顺序填药，做好捅药、堵孔等措施的情况下进行爆破，各段直达波之间的时间间隔参差不齐，虽未达到预订的微差间隔，但是爆破噪音已不存在明显的叠加增大。在采取单次多段增大药量的方式，爆破产生的冲击波噪声未有显著增大。在合理提高药量的情况下，爆破作业满足环评要求。

图1 水下爆破声学监测声压时域图

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

施工准备→水下钻孔（多孔分段）→装药（捅药、堵孔）→管网连接→警戒清场（白海豚保护）→爆破（水下爆破声学监测）。

3.2 操作要点

3.2.1 水下钻孔（多孔分段）

根据设计资料，该地区海潮涌浪较大，因此拟采用高钻架“一管一钻法”，利用钻架克服潮差对钻孔的影响，钻孔前先下套管，再下钻具钻孔（沿套管下放入底）。钻孔过程中边提升钻杆边送风吹水，以便钻孔中的碎碴排出孔外。钻孔至设计深度后，经反复多次提升和下落钻杆，以防碎石或淤砂堵孔。成孔后立即装药，钻孔与装药循环作业。钻孔采用全液压潜孔钻，钻头在套管内旋转冲击钻孔。施工前，应在施工区风浪小、不易被船只碰撞，不影响施工的固定位置设立水尺，钻孔时应根据潮位变化情况及时调整钻孔参数。施工中的具体要求有如下几点：

图2 漂浮式炸礁船布孔示意图

3.2.2 装药（捅药、堵孔）

为防止碎石堵孔及泥沙回淤，钻孔完成后应立即装药，炸药装入pvc 管内，再将其装入钻好的炮孔内，起爆药包用乳化炸药，每个起爆药包中用同段号的非电塑料导爆管雷管两发。炮孔装药长度大于4m 时，应增加至两个起爆药包（装药结构示意图见图3）。

图3 装药结构示意图

进行钻孔爆破时，水深大于6m 的，为了更好地保护海洋生物及生态环境，达到较好的爆破效果及降低水中冲击波的影响，采用粗砂或者细石堵孔，堵塞长度根据设计确定，但最小不小于50cm。

3.2.3 管网连接

采用防水的非电毫秒微差起爆网路，每个起爆体内装2～3 发非电导爆管雷管，整个起爆网路采用簇联方式连接，起爆主线也是采用非电导爆管雷管。一次起爆炮孔数根据单孔装药量和一次允许起爆最大药量确定。

一次起爆炮孔数根据单孔装药量和一次允许起爆最大药量确定。起爆网络联接、检测完成后，移船至安全范围。与交管中心调度室取得联系，确认船只未在起爆时间内接近警戒区；并按设计安全距离和安全要求警戒，确保其余船舶、水中人员和中华白海豚等都在警戒区以外后，发出起爆信号后，方可起爆。

水下传爆电爆网络的非电雷管应采用足够强度、防水性和柔韧好的双壁雷管，爆破主线路呈松弛状态。

根据前期单段单响爆破噪音数据，将单段起爆药量控制在90kg 以内，导爆管采用1 秒延期导爆管雷管，每个孔一个段别，分别为2 段、3 段、4 段、5 段、6 段、7 段（爆破网络接线示意图参见图4）。

图4 爆破网络接线示意图

3.2.4 白海豚现场保护措施

在爆破前，需做好白海豚保护措施：

（1）在施工区域上、下游设置定点观测点，委托经过培训的观测人员每天对施工区域中华白海豚活动的情况进行观测、做好记录，并按月将观测记录表和示意图及时报厦门中华白海豚文昌鱼自然保护区管理处备案。

（2）禁止夜间爆破。

（3）鉴于中华白海豚属游泳性动物在受到外来干扰时，会主动避开。对于连续爆破来说，除首炮爆破将对爆破近区的白海豚造成较大的影响外，白海豚将迅速逃离爆破区，其余各炮对自海豚的影响相对较小。通过采取必要的环保措施，如加强对施工海域的观察了解、声墙驱赶等各种办法，可以大大减轻对白海豚可能造成的影响。

（4）在每阶段爆破首炮布药完毕后，采用声墙驱赶法，对中华白海豚进行驱赶。声墙驱赶法是利用中华白海豚的回声定位功能，通过人为制造的声墙来驱赶中华自海豚滞留或阻止其进入爆破危险区。具体的做法是：在驱赶船船舷两侧，每隔 0.5～1m 设立好一根2m 长、直径30mm～5Omm 的竹竿，并插入水中20cm～40cm。根据船的长度而确定竹竿的根数，一般7 根左右，立竿上、下端设置横竿，将立竿连接成竹排。完成后，4 艘驱赶船由爆破点向外呈扇形排开，采用“s”型线路缓慢行驶，船上派专人按从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复敲打竹竿，并不断变换船速，制造出不规则的噪声，形成持续不断的声墙。船向爆点以外开出约2000m 方可停下，并继续横向敲打竹竿，直到爆破结束。

（5）施工船在退出安全区域准备起爆的过程中，将鸣笛警示驱赶。

（6）起爆前派专人在驱赶船和施工船上瞭望，如发现白海豚出现在施工海域，应立即停止起爆，用对讲机和施工现场负责人联系。施工现场负责人应立即和厦门中华白海豚文昌鱼自然保护区管理处联系，共同制定驱赶措施，对中华白海豚进行驱赶，直到赶离爆破中心1800m 以外，确定白海豚离开后才能起爆。

3.2.5 爆破（水下爆破声学监测）

爆破施工采用单次多段连爆的爆破施工方式，在药量增加到300kg、400kg 情况下，每段药量限制在138kg内，单孔药量按照“小、大、中”顺序填药，选用钻爆器材如下：

（1）炸药选择：防水的乳化炸药。

（2）雷管选择：非电导爆管毫秒雷管，每孔间均采用1s 延时导爆管。

（3）起爆器：电火花起爆器。

采用潜孔冲击钻，要求一次钻至设计孔底标高（含超钻深度），梅花形布孔。

采用特制的圆形塑料筒装药柱，药柱直径D=120mm。

爆破网路：采用非电导爆管雷管。本次监测为该工程采用不同药量实施的水下钻爆施工，水下钻爆采用1 秒的段延时间隔时间，实际效果可以达到为400～1000ms，实行孔间或排间毫秒延期预裂，逐孔进行起爆；在钻爆前增加了2 个小炮（水中采用的非电导爆雷管），以达提前警示驱赶中华白海豚的目的。

在爆破实施过程中，采用水下爆破声学监测的手段，实测施工中的爆破噪音大小和传播情况，声学监测原理为：水下爆破产生的冲击波被高耐压水听器接收，接收到的信号经便携式多功能分析仪和PULSE 声学振动分析软件记录到电脑中，用PULSE 声学振动分析软件MATLAB 数据分析软件对信号进行时域、频域分析，得到最终的监测分析结果，水下爆破声学监测钻爆点和监测点示意图参见图5。

图5 水下爆破声学监测钻爆点和监测点示意图

通过数据化的分析找出该水域爆破施工，影响噪音大小的关键因素，针对性制定降噪措施和选定相匹配的材料；在实际施工时，选定合理的炸药量和制定安全可靠的爆破施工方案，最终实现增产降噪的效果。

4 应用实例

4.1 项目概况

厦门港海沧航道扩建四期工程实施地点位于九龙江河口湾北岸、海沧港区以南和鼓浪屿以西，由象鼻咀向西至九龙江北港入海口附近水域。海沧航道E′～13#泊位航段按满足营运吃水15.5m 的20 万吨级集装箱船和2 万吨级集装箱船乘潮双线通航要求建设，同时满足15 万吨级集装箱船和5 万吨级集装箱船双线通航要求，通航宽度395m。E′-7#泊位航段通航宽度395m，长6.36km，设计底高程-15.5m；8#-13#泊位航段通航宽度395m，长1.45km，设计底高程-15.0m(其中8#-10#泊位炸礁区-15.3m)；13#-17#泊位航段按满足营运吃水15.5m 的20 万吨级集装箱船乘潮单线通航要求建设，通航宽度275m，长1.75km，设计底高程-15.0m。

整个工程分为疏浚工程、炸礁工程和航标工程，其中炸礁工程量约9.3 万方，且炸礁区位于白海豚主要活动区域，每次爆破药量都要遵守主管部门的要求，单段起爆药量不超过138kg，施工区位于通航航道内，每次起爆作业前必须进行白海豚驱赶和封航，为保障不影响码头正常运营的情况下，每日封航作业次数有限，工期紧凑，对炸礁施工进度存在很大的制约。

4.2 应用情况

由于炸礁项目所在位于海沧航道中游，毗邻的7#、8#、9#泊位区，港务冗繁，施工中通航避让较多，爆破作业需封航后作业，协调难度大，且安全风险系数极高，受制于各种客观因素影响，每日爆破作业次数有限，极大影响整体工程施工进度。

针对上述情况，厦门港海沧航道扩建四期工程在施工期应用了降低水下爆破作业冲击波噪声的施工工艺，完成了炸礁工程量约9.3 万方。通过新工艺的应用，极大地提高施工效率，减少项目建设周期，节约了成本，减少对航道的占用时间，较计划工期提前三个月完成炸礁区首次全范围爆破作业，无任何安全事故。推进了水下爆破施工技术的整体提升，该实例的施工工艺对类似工程有较大应用价值，值得在今后水下爆破作业工程中推广应用。

通过新工艺的应用，极大地提高施工效率，减少对航道的占用时间，对海洋养殖区造成的影响降到了最低，加快了整个工程的实施进度，有效降低了整个工程爆破安全实施风险。

5 效益分析

5.1 社会效益

由于炸礁项目所在位于海沧航道中游，毗邻的7#、8#、9#泊位区，港务冗繁，施工中通航避让较多，爆破作业需封航后作业，协调难度大，且安全风险系数极高，受制于各种客观因素影响，每日爆破作业次数有限，极大影响整体工程施工进度。

5.2 经济效益

厦门港海沧航道扩建四期工程施工中，炸礁工程量约9.3 万方，如果按照每次爆破药量都要遵守主管部门的要求，单段起爆药量不超过138kg（环评报告书要求）的施工工艺，在保障不影响码头正常运营的情况下，每日起爆次数最多不超过四次，完成炸礁工程量约为387方，需要93000/368 ≈240 天完成炸礁施工任务，完成上述任务船舶、人工费、通航保障费及白海豚驱赶费约需2873 万元。

厦门港海沧航道扩建四期工程通过降低水下爆破作业冲击波噪声的新型施工工艺，极大地提高施工效率，较计划工期提前三个月完成炸礁施工任务，完成炸礁工程量约9.3 万方施工成本约为2353 万元，即可节约成本2873 万元-2353 万元=520 万元，且未发生任何安全事故。

采用该工艺施工，创造的经济效益未统计包括降低水下爆破施工安全风险和因工期提前带的其他经济效益及社会效益等。

5.3 环保效益

水下爆破特别是有珍稀动物的水域，爆破噪音是主要的危险源，本工艺成果的应用，可以有效地提高爆破用药量同时降噪控噪，科学有效地提高施工效益，保障环保安全。

6 总结

本施工关键技术已在实际工程中得到很好的应用，应用期间技术稳定性得到充分验证。在厦门港海沧航道扩建四期工程进行实例应用中，通过该技术的应用，在提高药量作业的情况下，满足环评制定的噪音（渔业保护）门限值要求，有效缩短了施工工期。

通过对水下爆破（大药量）监测，掌握不同炸药量在水下产生噪音的大小和传播情况，合理分配单段起爆药量和每响间时间间隔，不超过渔业保护噪音门限值即视为可行，同样的方法适用于任何水域的爆破作业。尤其在项目实施策划阶段，可以将单响连续爆破作业施工作为主要施工工艺，有效的降低施工安全和环保风险，减少项目建设周期，节约了成本，减少对航道的占用时间，该实例的施工方法对类似工程有较大应用价值。