水下炸礁施工技术.docx
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水下炸礁施工技术
中港一航局宝钢马迹山矿石中转港
扩建工程Ⅱ标项目部
宝钢马迹山港水下炸礁施工总结
王文欢丁德勇
2006年11月20日
宝钢马迹山港二期工程水下炸礁施工总结
王文欢丁德勇
一、工程概况
宝钢矿石码头二期工程位于浙江省舟山市嵊泗县马迹山港区，此次炸礁区域位于二期工程装船码头前沿。
该工程地处外海孤岛，开敞式海域，常年受东南向大风影响且风浪较大，落潮时最大流速1.92，且潮流紊乱，有效作业时间少，施工条件差；此外，本次炸礁区域紧邻一期装船码头，与1＃沉箱最近距离仅3m，要确保一期装船码头的安全并能正常生产作业，且炸礁后沿为嵌岩桩位置，要求非爆区基岩不受影响，施工难度大。
水下炸礁区岩面直接裸露海底，无覆盖层，岩石以晶屑凝灰岩为主，中等风化，单轴饱和抗压强度为62～91.2，属坚硬岩，岩体的基本质量等级为Ⅲ-Ⅳ级。
岩石普氏系数为10～16，此岩石难钻易爆。
炸礁区域地形北高南低，水下炸礁范围东西长约为81.2m，南北宽约为33.8m，面积约2744.56㎡，爆破平均厚度为约3m（包括超深-0.5m），炸礁总方量约为7000m3，详见施工平面图。
二、水下爆破设计
2.1爆破设计原则
为保证二期码头的后方嵌岩桩位置的基岩不被破坏，同时确保爆区周围水工及陆域建筑物，特别是一期码头1#沉箱的安全，设计方案如下：
（1）二期码头前沿爆区与非爆区之间采用水下预裂爆破措施，先在爆区与非爆区边界处，间距1m钻一排预裂孔并小药量引爆，使爆区与非爆区分开，保护非爆区的基岩完整。
（2）爆区与一期码头1＃沉箱之间除采取预裂爆破措施外，并在靠近沉箱边线钻二排减震孔且爆破前用高压风空压机设置气泡帷幕，以降低水激波对沉箱壁的作用，气幕效果见右图。
（3）炸礁区域的孔间或排间采用毫秒延期非电雷管微差延时爆破，以减少单段最大药量。
2.2主要设备的选择
根据本工程的施工条件选用抗风浪、抗水流能力都较好，定位速度快且稳定性好的漂浮式炸礁船作为水下爆破的主要设备。
该船纵向沿船边装有30米轨道，供3台钻机在轨道上灵活移动，钻机配备较为先进的自行液压控制系统。
配备一台900高风压英格索兰空压机连接钻杆气举法清孔排渣。
2.3爆破器材的选择
适用于水下爆破的炸药通常有乳化炸药、硝化甘油炸药和炸药等。
根据本工程特点，炸药在水中要浸泡一定的时间，为取得较好的爆破效果，选择防水性能好、爆能较高、运输使用安全系数大、价格便宜的乳化系列炸药，规格为主爆孔：
Φ110×400：
4包，预裂孔：
Φ32×180：
150包。
雷管选用8#铜壳毫秒延期非电导爆管雷管，并根据钻孔深度及起爆网络情况选用不同段别雷管，以控制单段最大药量，连接网络后由起爆雷管引爆。
导爆索选用安全可靠，又便于网路设计防水导爆索。
2.4爆破设计
2.4.1钻孔直径及布孔形式
为便于钻孔定位、提高钻孔效率、有利于装药堵塞，采用垂直孔钻孔形式，主爆孔使用ф138钻头、预裂孔、减震孔使用ф105钻头进行钻孔。
爆破炮孔采用矩形布孔方式。
2.4.2炸药单耗计算
炸药单耗使用《工程爆破使用手册》（第2版）中瑞典计算方法公式：
1234
式中：
q为水下爆破单位耗药量（3）
q1为基本炸药单耗，其值为一般陆地梯段爆破单耗的2倍，对于水下垂直孔，再增加10%；
q2为爆区上方水压耗药增量，q1=0.01h1，h1为水深（m）；
q3为爆区上方覆盖层耗药增量，q2=0.02h1（m）1为覆盖层厚度（m）；
q4为岩石膨胀耗药增量，q4=0.01Η，Η为梯段高度（m）
爆区的岩石普氏系数为10～16，垂直孔水下爆破基本单位炸药单耗1.2～1.53，高潮位时，爆区水深在15～20m，爆区上方水压耗药增量q1=0.15～0.23，爆区上方基本无覆盖层，不考虑覆盖层增量。
综上所述的各影响因素，水下爆破的炸药单耗：
1.35～1.653。
2.4.3爆破安全距离计算
《爆破安全规程》规定“一般建筑物和构筑物的爆破地震安全性应满足安全震动速度的要求”并规定了建（构）筑物地面质点振动速度控制标准，详见下表：
主要类型建、构筑物地面质点安全振动速度
序号
主要建、构筑物类型
安全振动速度（㎝）
1
土窑洞、土坯房、毛石房屋
1
2
一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物
2～3
3
钢筋混凝土框架房屋
5
4
重力式码头
5～8
5
水工隧洞
10
6
交通隧洞
15
规定的计算方法是：
3v3/α3/α
其中，上述公式中R以m计，Q以计，v以计。
因为此次爆破采用微差爆破，Q表示为最大单段药量，根据《爆破安全规程》规定，K选取100、α选取1.5，与沉箱最近的一排炮孔间距R为3m，K值取100，v取8（沉箱基础为基岩，取大值），得
3383/1.5/1003/1.5
0.1728
根据《工程爆破实用手册》（第2版）安全药量修正公式计算实际安全药量,公式为:
1*K2*K3*K4*K5*K6*K7
式中：
K1——炸药埋置深浅的系数K1=（）1/2×（Q1/3），、为纵波、横波传播速度，无具体数据忽略取1；
K2——自由面系数，当自由面为N时，K2=0.25N2，K2=4（三号爆区自由面为4，分别为前面、左右面及上面）；
K3——微差爆破系数，当Δt≥时K3=2/3，K3取0.6；
K4——爆破作用频率系数，每年一次爆破K4=1，每年50次爆破K4=0.9，每年100次爆破K4=0.7，根据舟山地区4取0.9；
K5——方向系数，建筑物在爆区后方时，取K5=1，在侧向取K5=2，前方取K5=2，1#沉箱在炸礁区域后方K5取1；
K6——自然屏蔽系数，在爆源和建筑物之间有断层、溶洞、堑沟、深谷，取K6=2～6，K6取4（沉箱与基槽之间有1.5m厚片石，可视为自然屏蔽）；
K7——人工屏蔽系数，在爆源和建筑物之间挖沟、预裂，可使v值降到1/2～1/3，此时人工屏蔽系数K7=4～9，K7取7（增加预裂孔、减震孔）。
60.48×0.1728=10.45。
计算距1#沉箱各距离安全药量，详见下表：
计算距沉箱各距离的安全药量
距离（与沉箱）
震速
单段药量
水下爆破系数
实际安全药量
R（m）
v（）
Q（）
K
α
（）
3
8
0.1728
100
1.5
60.48
10.4509
5
8
0.8
100
1.5
60.48
48.384
7
8
2.1952
100
1.5
60.48
132.7
9
8
4．6658
100
1.5
60.48
>100
11
8
8．5184
100
1.5
60.48
>100
13
8
14．0608
100
1.5
60.48
>100
15
8
21．6
100
1.5
60.48
>100
17
8
31．4432
100
1.5
60.48
>100
19
8
43．8976
100
1.5
60.48
>100
21
8
59．2704
100
1.5
60.48
>100
23
8
77．8688
100
1.5
60.48
>100
从上表用公式计算单段药量来看，3m和5m药量分别是10.4509kg、48.384kg。
依炸礁平面图可知，三区离1#沉箱的最近的距离为3m，单段药量控制在8；离1#沉箱的距离5m～15m的地方，单段药量控制在8～15；超过15m处药量全部控制在100以内，施工爆破用药量均控制在安全药量范围内，能够保证构筑物安全。
从现场实际情况看，根据爆破过程中振动监测试验数据，实际爆破药量得到进一步优化，均比设计加大了单段最大药量及一次起爆总药量。
2.4.4预裂爆破设计
2.4.4.1孔间距及线装药密度计算
根据钻机钻头条件，孔径d取105，炮孔超钻2.5米（标高达到-19.0m）。
孔间距（8～12）d
式中：
d为孔径105，硬岩取小值，软岩取大值，结合现有设备取9
则9×105=0.945m,取1m。
为了能形成较为理想的预裂面，保护好非爆区基岩，需选择合适的装药量。
参考三峡工程提出的预裂爆破三峡公式来计算预裂炮孔的单孔每延米装药量（即线装药密度）。
计算公式如下：
线装药密度q1=3（D·a）1/2.σ1/3
式中：
q1——线装药密度，；
D——钻孔直径，；
a——孔距，，
σ——岩石抗压强度，岩石的普式系数10～16，按16进行计算，σ为160
则：
q1=3×（10.5×100）1/2.1601/3=527.74，考虑到水下预裂较困难，线装药密度取700。
2.4.4.2预裂孔装药结构设计
把Ф32的药卷均匀地绑在细钢筋上，用防水导爆索传爆，孔底1.0m加强装药，装药量为正常装药量的2～3倍，孔深超过5m取大值，反之取小值。
导爆索用低段别1或2非电导爆管雷管引爆，（如上图）。
2.4.5主爆孔孔网参数及起爆网络设计
2.4.5.1孔网参数
根据本工程特点,将炸礁区域自西向东分三个区，见下图。
每个区域的孔网参数主要数据如下：
（1）1区、2区的爆破参数一样：
1.单段起爆最大药量控制在100以内；
2.孔、排距2.5m×2.5m；
3.每2-4排孔爆破一次,排与排之间分段爆破,每排2-4个孔分成一段；
4.加上超深2m孔深为2m~8m；
5.药径110，孔口1-1.5米不装药；
6.单孔药量为10~65，该区域距离沉箱较远，未超过单段设计起爆药量，不需采用孔内分段。
（2）3区的主要爆破参数如下:
1.该区域布置在离沉箱3米处；
2.孔距1.5米（共一排孔）；
3.单段起爆最大药量控制在8；
4.主爆孔底部1/3装药长度装直径65（直径32药卷捆绑）的药卷,并装2-3发5非电导爆管雷管；堵塞间隔1米,在上部的2/3装药长度装直径32的药卷,孔口1m不装药，用2-3发7非电导爆管雷管引爆。
（3）3区的主要爆破参数如下：
1.该区域布置在离沉箱5-15米之间；
2.孔距2.5米,排距1.5米；
3.单段起爆最大药量控制在8-15；
4.主爆孔底部1/3装药长度装直径110的药卷,并装2-3发非电导爆管雷管；堵塞间隔0.5米,在上部的2/3装药长度装直径65（直径32药卷捆绑）的药卷,孔口1米不装药，用2-3发非电雷管引爆。
（4）3区的主要爆破参数如下：
1.该区域布置在离沉箱15米外；
2.孔距2.5米,排距2米；
3.单段起爆最大药量控制在100；
4.主爆孔底部2/3装药长度装直径110的药卷,在上部的1/3装药长度装直径65（直径32药卷捆绑）的药卷,孔口1米不装药，孔内分别装3-4发各段非电导爆管雷管引爆。
（5）另外，为降低爆破震动对一期码头等建筑物的影响，在一期码头1#沉箱外侧布置两排减震孔，减震孔的孔径为105mm，孔距0.3m，孔深比最近一排主爆孔深度大2.5m（即达到-19m），两排减震孔的排间距为0.5m，作“梅花”型布孔。
减震孔内插入底端封口的塑料管由孔底引至水面，管内不能有水，以使减震孔有效的起到削减爆破地震波的作用。
2.4.5.2主爆孔起爆网络设计
为满足爆破震动效应对单段药量的控制要求，对超过设计单段起爆药量的孔内、孔间、排间需使用不同段别的雷管进行毫秒微差爆破。
1区、2区距离沉箱较远，加上超深2m孔深为28m，单孔药量为10~65，均控制在单段设计起爆药量100以内，不需采用孔内分段，只需孔间、排间采用不同段号雷管实现微差起爆，见上爆破网络布置图。
三区2～4孔使用同段号雷管；三区1～2孔为同段号；三区孔内全部分两个段号以上，为此三区主爆孔内应分别装多段的非电导爆管雷管，上部装低段位非电毫秒雷管，下部装高段位非电毫秒雷管（见左图）。
孔外非电微差接力式起爆网路，实现孔内、孔间、排间的非电微差起爆。
三、施工程序及钻爆施工方法
3.1施工部署
本工程采用漂浮式钻爆船，船上配备三台全液压航道式钻机和1台高风压空压机（英格索兰），一次钻爆长度可达38m。
为了更多地创造爆破临空面，减小岩石最小抵抗线，先进行水下预裂爆破，然后自西向东分别分别采用不同爆破方案进行主炮孔爆破。
在靠近沉箱处，预裂爆破前先在沉箱前沿钻两排减震孔，减震孔内插入底端封口的塑料管并将塑料管引至水面，管内不能有水，以使减震孔有效的起到削减爆破震动的作用。
另外，炮孔向排间按微差顺序爆破和爆破临空面朝外以减小岩石最小抵抗线。
3.2施工流程
3.3施工方法
3.3.1测量定位
钻爆船定位采用全球卫星定位系统。
施工前，将炸礁区域的北京坐标输入系统，炸礁区域通过电脑显示器直观就位每排位置，记录好每排两端点坐标利于下一次船舶驻位。
启动液压系统移动钻机，根据轨道上刻度及孔间距定位每个钻孔位置。
3.3.2震压套管及钻孔
钻孔通过测量系统定位准确后，将钻机架上的套管用卷扬机下放到水中并震动压实。
根据套管上刻度及水位推算出岩面标高，配备相应长度钻杆。
然后将钻杆顺套管下放直至钻头接触到岩面。
钻孔采用全液压航道潜孔钻机，钻杆带动合金钻头在套管内旋转冲击钻孔。
英格索兰高风压空压机气管连接钻杆气举排渣，做到边钻孔边排渣，成孔速度较快。
3.3.3制作药卷
根据套管上刻度及施工水位计算出岩面标高，再根据设计孔底标高及岩面标高计算出该炮孔孔深，孔深确定好后根据爆破设计方案制作药卷。
该工程使用的是乳化炸药，规格位Φ110×400、Φ32×180，外包塑料薄膜可捏造成各种形状。
根据孔深确定药卷长度，分包装在同直径的化纤袋中，装好导爆索及非电导爆管雷管，用防水胶布密封好并系好炮绳。
形状见右图。
3.3.4清孔测深、提起钻杆
爆破底标高的控制是根据施工水位和下至岩面的钻杆长度计算出岩面高程，并计算出钻孔深度。
钻至预定深度后，来回提升钻杆使用高风压空压机将孔内岩屑气举排出孔外。
钻孔清理干净后提起钻杆，使用测绳复测钻孔深度，若达不到要求，应重钻，满足设计要求为止。
3.3.5装药填塞、拔管移动钻机
钻孔深度满足设计要求后，将提前制作好的药卷顺套管下到孔内。
装药过程中，在炮绳上打个节以检查炸药是否到达孔底，若未到达，则用炮棍压送到孔底。
装药完毕后用碎石填塞把炸药压实。
导爆管与炮绳间隔1m用胶布捆在一起，拔起套管，通过套管上孔将炮绳引至船上安全位置并系好。
此时，一个炮孔结束，移动钻机钻下一个孔。
3.3.6联接网络与起爆
根据设计要求及钻爆船施工特点，每个船位打1～4排孔，每7～10个孔为一排，根据爆破设计要求，将每排孔进行分段联网，保证单段最大药量满足设计
要求。
每排分段好后再使用不同段号的雷管将各排联结成网络，由低段号到高段号排列，实现孔外、排间微差爆破。
每个船位完成后，将各段号的雷管用4～5枚引爆雷管分别联接，最后用120m长的起爆雷管（导爆管雷管）联接。
为防止起爆雷管在引爆时，雷管碎片将导爆管炸断，影响起爆效果甚至造成炸药拒爆，起爆雷管聚能穴方向与导爆管传爆方向要相反连接并用一定的防水胶布缠紧。
起爆网络全部联结好后，将钻爆船移至100m安全距离外，用起爆枪击发导爆管起爆雷管进行起爆。
四、水中冲击波及爆破振动监测试验
4.1爆破荷载
水下爆破可分为水中爆破和水下钻孔爆破。
两者对周围建筑物的影响主要有冲击波和地震波。
但水中爆破产生的冲击波是破坏周围建筑物的主要荷载，其传播途径是通过水介质直接到码头或海岸；而水下钻孔爆破的炸药埋藏在基岩中一定深度，因此在炸药爆炸时能量分布、冲击波波传播途径以及边界条件等方面都与水介质中的爆炸不同。
据有关资料记载，水下钻孔爆破荷载主要为地震波。
特别是本次爆破区域位于宝钢矿石码头二期工程装船码头前沿，紧邻一期装船码头，由于爆破炸礁的边沿与一期装船码头的沉箱最近处为3米,所以控制好爆破地震效应至关重要，为此，必须严格控制单段最大药量以保证构筑物的安全。
同时，还要充分考虑水中冲击波效应对水中人员、施工船舶及鱼类的影响，根据《水运工程爆破技术规范》确定好钻孔爆破水中冲击波对水中人员、施工船舶安全距离，起爆过程中做好安全警戒工作，并在工程爆破前用小药量爆破示警驱走鱼类，将爆破冲击波对鱼类的影响降到最低。
4.2试验目的
水下炸礁爆破产生的水激波或爆破振动有可能会引起一期装船码头沉箱产生位移或使正在装货的船只产生影响。
通过冲击波及爆破振动监测试验可以达到三个目的：
（1）保证施爆体周围的需要保护目标安全；
（2）通过爆破振动监测试验为水下炸礁提供单段药量及一次起爆总药量，保证工程的有效进行；
（3）通过水中冲击波的测试，分析沉箱及其他设施的安全性，为水上安全警戒提供可靠数据。
4.3冲击波及地震波控制标准及监测数据分析
负责此次炸礁试验的解放军理工大学工程兵学院根据该院长期以来工程爆破的实践经验，并结合马迹山工程防护要求，给出此项工程的振动标准，爆破震动振速小于或等于5、1#沉箱的冲击波的破坏压力峰值控制在50个大气压。
马迹山工程炸礁共实施18次爆破，试验单位跟踪监测14次，对监测结果进行了汇总。
从监测结果看，沉箱的爆破振动满足控制值（5），冲击波的压力也小于控制值（50个大气压）。
另外，在此次爆破施工中，采取的预裂爆破、减震孔防护、气泡帷幕等减震防护措施，也降低了冲击波及地震波对周围构筑物的影响。
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