航道整治工程水下钻孔爆破施工问题探讨

◎ 魏必文 罗凯 江西省路港工程有限公司

随着钻孔机械设备的不断改进及安全环保意识的增强，水下钻孔爆破逐渐取代水下爆炸而成为航道疏浚、港口开发、河道整治等领域主要的施工方法。水下钻孔爆破因炸药埋设于岩石或水工结构内，具有很大的隐蔽性；装药量、爆破能量、冲击波传播等均对爆破开挖施工质量和安全有直接影响。必须在全面掌握航道水文地质条件、航道断面、水深、流速等的基础上，提出切实可行的水下钻爆施工方案，加强爆破参数取值及过程控制。

1.工程概况

随着地区经济的快速发展，某航道通航能力已无法适应地区经济建设要求，必须对河道内基岩和淤泥质层展开开挖整治，提升通航标准。根据勘测结果，需要对上下游两段河道实施开挖，开挖设计底宽20m，标高+3.1m；待开挖土石方量3.1×104m³。基岩为中等风化、节理裂隙发育的黏土质砂岩，硬度系数在4.0～6.0之间，上覆一层0.4m厚的淤泥砂石层。待开挖处河道断面呈抛物线形，两侧均呈19.5°坡度；河道水深在4.0～7.0m之间，水流流速小，河道束窄。结合河道实际及水文地质条件，决定采用钻爆法开挖，并由挖机清渣。

该航道整治段上游620m处河堤南岸有1座高压塔，高压线与河道中心线水平距离约为30m；另外2条平行架设的高压线以45°角跨越航道。整治段下游205m处有拱桥，拱桥北侧为民宅区。该航道河床表面地势起伏，基岩裂隙多，无法顺利展开钻头定位和开孔，钻头钻入裂隙的可能性很大；待开挖河床处存在0.4m厚的淤泥砂石层覆盖层，淤泥砂石回流后会堵塞炮孔。根据《水运工程爆破技术规范》（JTS 204-2018），在水深为10m时，爆破速度和猛度分别衰减11%和10%；且随着水深的持续增大，爆破速度与猛度大幅递减。此外，为保证水下钻爆质量，火工材料必须吸水性小，密度大，抗水性好。

2.爆破方案设计

2.1 爆破器材选用

该航道整治工程采用防水、爆破性能均较好的2#岩石乳化炸药，单个药卷长400mm，直径90mm，重2.6 7 k g，塑料袋包装；密度为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。考虑到整治段周围有高压线和民宅，为避免产生杂散电流，以8#防水金属壳工业电雷管为击发元件，并以非电导爆管雷管为传爆元件，以非电毫秒延期雷管为起爆元件[1]。

水下爆破时因边钻孔边装药，雷管在水下放置的时间最长达到35h，故起爆、传爆雷管必须经过特殊加工，在孔口橡胶塞和管壳之间、导爆管和橡胶塞之间，涂抹固体胶加固；装药时还应在雷管管口涂抹黄油。

为保证顺利起爆，每个炮孔均设置2个非电雷管，并采用孔内高段别雷管、孔外低段别雷管的复式非电起爆网路，保证首排炮孔爆破后，雷管已传爆至最后排爆破孔内。

2.2 炸药单耗及单孔装药量

通常情况下，水下钻爆炸药单耗以陆地爆破单耗为依据，根据水深、覆盖层厚度、岩石类型、临水条件等进行修正[2]。该航道整治工程也按照这一思路，参照技术规范并采用瑞典水下爆破经验公式展开炸药单耗计算[3]，公式如下：

式（1）中：q为水下钻爆炸药单耗（kg/m³）；q1为炸药基本单耗（kg/m³），为陆地台阶爆破炸药单耗量的2倍；如果是垂直孔爆破，还应再增加10%；q2为爆破区域内水压耗药量（kg/m³），按照水深的0.01倍确定；q3为覆盖层耗药量（kg/m³），按照覆盖层厚度的0.02倍确定；q4为岩石膨胀耗药量（kg/m³），按照梯段高度的0.03倍确定。将相关参数值代入式（1）可以求得水下钻爆炸药单耗为1.04kg/m³。

根据规范，水下钻爆过程中，风化岩或软岩2#硝铵炸药综合单耗平均值应为1.72kg/m³。结合该航道整治工程实际，并考虑基岩情况、清渣设备性能，将水下钻爆炸药单耗最终确定为1.10kg/m³。

该航道整治工程水下钻爆单孔装药量按照下式确定：

式中：Q为钻爆单孔装药量（kg）；a为炮孔孔距（m）；b为炮孔排距（m）；H为炮孔深度（m）。经计算，单个炮孔装药量为10～24kg；其余参数含义同前。

2.3 孔网参数

水下钻爆孔网参数的确定应采用经验公式，并以爆破后炮孔上部无大块岩渣及岩梗为原则[4]。经确定，孔径应为95m m；孔距应按最小抵抗线的0.8～2.0 倍确定，即取1.5～2.5m，靠近河道中部基岩薄弱的区域取大值，靠近河道两侧基岩深厚的区域取小值。爆破孔排距则按最小抵抗线的0.8～2.0倍确定，即在2.0～2.5m之间取值。孔深位于2.5～5.0m之间，其中包括1.0～1.5m的超深。

2.4 起爆网路

该航道水下钻爆采用孔内微差混合起爆系统，各爆破孔内均装设2发导爆管毫秒雷管，从邻近的6～8个炮孔中引出12～16根导爆管形成1簇，与水面外露的PVC管端头固定。每簇导爆管引爆均通过2发瞬发电雷管实现。各簇电雷管采用串联形式，连接线全部固定在水面外的PVC管顶。最后通过绝缘导线引至岸坡处，等待起爆。起爆网路布置情况见图1。

图1 起爆网路图（图中线条均为复线）

3.爆破施工工艺

3.1 定位

当前，国内航道施工常见的作业平台有以下几种：专业钻孔爆破工作船、浮式平台、固定支架平台等。该工程以专业钻爆工作船为钻孔平台，工作船上设置6台中风压钻机，船舶移动通过前后2门主锚和左右4门边锚实现，前后锚钢丝缆长200m，主要控制船舶纵移；左右锚钢丝缆长125m，控制船舶横移。水下钻孔时，借助电子图上设计好的孔位以及船舶平台流动站GPS测出准确位置，再指挥工作船移动就位。为保证船舶快捷迅速就位，必须准确掌握和控制各锚受力方向。

3.2 钻孔及装药

工作船上中风压钻机配置φ100mm钻头，钻进开始后先下套管压紧，再下钻杆施钻。钻进开始后应将供风阀打开，上下反复冲击并将套管压入河道底面，随后展开正常钻进。待钻至设计孔深后，再次压紧套管，将钻孔中岩渣吹除后提起钻杆；沿套管将事先准备好的炸药柱缓慢送入钻孔，并通过撑炮竹蒿将炸药推至孔底。按照设计药量装药后，单个炮孔内还应装设2发同段别雷管。当单个炮孔装药量超过3卷时，应在底部药卷处和中间靠上药卷处分别设置雷管。装药结束后通过砂料填塞0.5～1.0m长度，并拔除铁套管，固定好雷管脚线。

3.3 起爆网路连接

根据水体深度及河道宽度进行特制防水非电导爆管雷管长度的确定。在孔间或排间导爆管长度与下一孔、排合并存在难度时，应并联导爆管，并将其余导爆管尾部合并，均匀排列。在装药量与安全起爆药量接近时再连接起爆网路，并检查起爆电缆导通电阻。

起爆网路并联或并串连接时，应采用电雷管安全连接工法。连接完成后全面检查，排除错接和漏接，并理顺线路。为防止四通进水受潮而拒爆，水面接力全部采用雷管，而不用四通。导爆管在水流冲击后与岩石频繁摩擦，发生破损断裂的可能性非常大；船舶移动时也容易挂断，故必须选用高质量导爆管雷管，采取有效保护。

3.4 水下清渣

钻爆后通过反铲挖泥船展开水下清渣，每艘挖泥船配置2艘130t的驳船。挖泥船总吨位较大，还应在船艏部停放工作臂长7.0m的2m³液压反铲挖机，以满足水下清渣施工要求。为保证液压反铲工作时挖泥船船体稳定，还应在挖泥船中间设置2根600×600mm铁柱，通过液压齿条实现铁柱升降。液压反铲作业时降低铁柱，并升起挖泥船；通过卷扬机拉紧船艉锚绳，以便将挖渣船摆动降至最低限。在移位前，升起铁柱，开启卷扬机，实现船舶移位。

为提升清渣质量和效率，应根据爆渣厚度调整作业顺序，对于水深≤2.0m的区域，一次开挖至设计标高；而对于水深＞2.0m的区域，应分次、分条、分块开挖至设计标高。

4.安全控制

4.1 爆破地震波

水下钻爆施工过程中地震波主要由以下原因引起：一是爆破直接作用；二是水中爆破冲击波冲击水底边界而引发的冲击地震波；三是爆破气体胀缩上浮时引起的地震效应。水体具有难压缩性，水下爆破的地震效应比陆地爆破强度更大，衰减速度更缓慢，影响范围及破坏力也更大。根据规范，水下钻爆施工时爆破安全距离[5]按下式确定：

式中：R为水下钻爆爆心与保护目标之间的距离（m）；K为水下地形、地质条件系数，根据该航道整治段地质条件，取150；v为与爆源相距一定距离处地面质点振速（cm/s）；Q为最大段齐发爆破药量（kg）；α为水下地震波衰减指数，根据该航道整治段地质条件，取1.5。

将相关参数值代入式（3）后得出，该航道整治下游段最大齐发爆破药量取60kg时，205m处拱桥地面质点振速为1.63cm/s；上游段最大齐发爆破药量取20kg时，620m处高压塔地面质点振速为0.87cm/s，均不超出《爆破安全规程》（GB 6722-2014）中允许的爆破振动安全标准。

4.2 水中冲击波

水体内炸药爆破后高温高压爆轰波将对周围水介质造成急剧压缩和冲击，瞬时形成强烈的冲击波并向四周扩散。水体在一般压力下属于不可压缩物质，故冲击波能量衰减缓慢。该航道整治工程水深较浅，爆炸后气体大量溢入空气，爆炸冲击对周围结构物的影响并不大。可见，按照安全规程，在水深不足30m、最大单响药量60kg的水域内展开水下钻爆，将水面警戒范围确定为900m安全可靠。

4.3 飞石影响

因水层的覆盖和缓冲，水下钻爆期间飞石的安全距离小于陆地爆破。根据规范，水下钻爆过程中，当水深不足2.0m且自由面为1个时，飞石安全距离在180～200m之间；自由面为2个及以上时，飞石安全距离应在200～300m之间。当水深在2.0～4.0m时，飞石安全距离应在10 0 ～20 0 m之间选取，水深越大，取值越小。当水深超出4.0m时，飞石安全距离取50～100m。

综上，该航道整治工程水下爆破安全距离应按200m确定，并加强装药量控制，加强河道中央水深区炮孔填塞处理，避免对爆区上方高压线造成不利影响。

5.结论

综上所述，水下钻爆属于特殊的水运工程，方案设计及爆破施工必须严格遵守相关规范，并展开小规模钻爆试验，结合工程区水文地质条件，不断修正和优化施工方案及参数，保证爆破开挖质量和效率。该航道整治工程水下爆破方量大，水域环境复杂，保护目标多，经过方案论证，最终选用了乳化炸药分区钻孔微差松动爆破技术；在钻爆过程中，根据对水中冲击波和爆破地震波的监测结果，及时调整钻爆参数，将水中冲击波和爆破地震波严格控制在允许范围内。航道整治段水下3.1×104m³的爆破开挖任务仅耗时4个月，工期大大提前。