港口航道水下炸礁工程实践(1).pdf
第3 3 卷第2 期 爆破 V o l 3 3N o 2 2 0 1 6 年6 月B L A S T I N G J u n .2 0 1 6 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 4 8 7 X .2 0 1 6 .0 2 .0 2 4 港口航道水下炸礁工程实践 王忠康1 , 2 ,杨仕教1 ,王富林1 ,郑建礼2 I .南华大学核资源工程学院,衡阳4 2 1 0 0 0 ;2 .广东锡源爆破工程有限公司,惠州5 1 6 0 0 0 摘要水下炸礁在港口建设、航道疏浚等水运工程中运用日益广泛,但水下爆破受施工环境和相关因素 影响,相对陆域爆破难度较大。炸礁工程位于近海港区,待爆礁石为中硬岩,爆区四周环境较好。施工中采 用炸礁钻爆船逐块作业,选取咖1 1 5m m 炮孔、炸药单耗1 .6 2 2 .0 7k s /m 3 、孔距2 .5m 、排距2 .4m 、超深 1 .5m 的爆破参数,采用排间毫秒延期起爆网路,同时实施安全与质量控制措施,确保爆破安全。结果表明 水下炸礁爆破效果良好,炮孔全部起爆,礁石块度均匀且较为破碎,无浅点,爆破振动与水中冲击波在安全范 围内,未对岸边建筑物及鱼类等水生物造成危害。 关键词水下炸礁;爆破参数;控制措施;爆破安全 中图分类号T V 5 4 2 .5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 1 2 3 0 5 P r a c t i c eo fU n d e r w a t e rR e e fB l a s t i n gi nP o r tC h a n n e l W A N GZ h o n g .k a n 9 1 一,Y A N GS h i - j i a 0 1 ,W A N GF u .1 i n ’,Z H E N GJ i a n l i 2 1 .C o l l e g eo fN u c l e a rR e s o u r c e sE n g i n e e r i n g ,U n i v e r s i t yo fS o u t hC h i n a ,H e n g y a n g4 2 10 0 0 , C h i n a ;2 .G u a n g d o n gX i y u a nB l a s t i n gE n g i n e e r i n gC oL t d ,H u i z h o u5 16 0 0 0 ,C h i n a A b s t r a c t T h eu n d e r w a t e rr e e fb l a s t i n gi sw i d e l yu s e di nh a r b o rc o n s t r u c t i o n ,w a t e r w a yd r e d g i n ga n ds o m eo t h e r w a t e rt r a n s p o r te n g i n e e r i n g .H o w e v e r ,c o m p a r e dw i t ho n s h o r eb l a s t i n g ,t h eu n d e r w a t e rb l a s t i n gi sm o r ed i f f i c u l tf o rt h e c o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n ta n dr e l a t e df a c t o r s .T h eu n d e r w a t e rr e e fb l a s t i n gi sl o c a t e di nc o a s t a lp o r t ,w i t hm e d i u m h a r dr o c ka n dg o o de n v i r o n m e n t .T h er e e fb l a s t i n g w o r k b o a tw a su s e di nt h ep r o j e c t ,b yc h o o s i n ga p p r o p r i a t eb l a s t i n g p a r a m e t e r s ,i n c l u d i n g1 1 5m mb o r e h o l e ,1 .6 2 2 .0 7k s /m 3s p e c i f i cc h a r g e ,2 .5m h o l es p a c i n g ,2 .4mr o ws p a c i n g , 1 .5m s u b d r i l l i n g ,a n da d o p tt h em i l l i s e c o n dd e l a yd e t o n a t i n gn e t w o r k .M e a n w h i l e ,t h ec o n s t r u c t i o no p e r a t i o n sq u a l i - t yi sa ni n d i s p e n s a b l ep a r ti ns a f e t y .A sar e s u l t ,g o o db l a s t i n ge f f e c ti nu n d e r w a t e rr e e fi so b t a i n e d a l lb o r e h o l ea l e d e t o n a t e da n dr e e fl u m p i n e s sa r ew e l l d i s t r i b u t e d ;n op a t c hs h a l l o we x i s t sa f t e rb l a s t i n g ;b l a s tv i b r a t i o na n dw a t e r s h o c kw a v ea r eu n d e rt h ee x p e c t e dv a l u ea n dm a k e sn oh a r mt os u r r o u n d i n g s . K e yw o r d s u n d e r w a t e rr e e fb l a s t i n g ;b l a s t i n gp a r a m e t e r s ;c o n t r o l l i n gm e a s u r e s ;b l a s t i n gs a f e t y 水下炸礁是工程爆破的重要组成部分,随着水 利水电工程和港航运输事业的快速发展,水下炸礁 等爆破作业在港口建设、航道疏浚等工程中的运用 收稿日期2 0 1 6 0 3 0 9 作者简介王忠康 1 9 8 9 一 ,男,硕士研究生,从事岩土及爆破工程 研究, E m a i l w a n g z h o n g k a n g 1 2 6 .e o m 。 通讯作者杨仕教 1 9 6 4 一 ,男,教授、博士生导师,从事采矿工程、 岩土工程研究, E m a i l c u t e l 0 8 8 s i n a .c o r n 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 9 7 4 0 7 6 ;湖南省教育厅科研 项目 1 4 C 0 9 5 9 ;湖南省研究生科研创新项目 2 0 1 5 S C X l 4 日益广泛。水下炸礁通过作业船或水上作业平台, 利用钻具穿过水层对水下岩石进行钻孔、爆破,将炸 药置于水体覆盖的岩礁中,受岩礁和水体介质的双 重影响,具有施工环境复杂、施工难度较大、影响因 素较多、施工成本较高、爆破效果难控制和对环境影 响大等特点。 第二次世界大战后,大规模的水下爆破开始用 于实践。瑞典首次采用水下钻孔爆破开挖林多运 河。美国应用水下钻孔爆破开挖五大湖之间的航 万方数据 1 2 4爆破 2 0 1 6 年6 月 道。英国成功利用双套管回转冲击式钻机、钻孔爆 破工程船及升降平台拓深伦敦伊尔福德港⋯。日 本为修建桥梁及清除海峡礁石,对水下爆破进行了 一系列试验研究‘2J 。1 9 6 8 - - 1 9 7 2 年间,广州黄埔港 大濠洲航道水下炸礁工程施工工艺、爆破技术及爆 破理论等都达到国内先进水平,同时填补了国内水 下爆破不断航的空白。东莞水道整治起步工程通过 精心设计和严格施工等措施,在工期紧、爆区复杂情 况下安全高效保质保量保工期地完成了任务1 3J 。 李春军等针对水下爆破设计参数的多样性及影响因 素的复杂性,结合层次分析法 A H P 和模糊数学 F u z z y 综合评价方法,建立水下爆破设计方案优选 模型,并成功运用于嘉陵江航道整治三期工程”j 。 汪竹平等以内河航道扩建工程为例探讨了复杂环境 下内河航道疏浚水下爆破有害效应控制措施的可行 性NJ 。针对岩石坚硬、海况复杂,风大、流急、涌浪 大,船只定位、钻孔困难,邹维兴等采用炸礁平台进 行施工,结果证明利用炸礁平台完成海况复杂炸礁 施工效率较高∞j 。以洋山港某礁盘水下炸礁工程 为例,王维聪介绍了临空面不足和卡钻、塌孔等特殊 条件下水下炸礁采取的工程措施“ J 。国外的水下 炸礁工程已开始采用计算机测量系统、遥感勘测系 统、全球定位系统等先进技术,实现了钻孔精度的有 效控制‘8 。10 | 。 水常作为不可压缩介质,水下爆破产生的冲击 波对周围环境及生物的影响不可忽视。韦灼彬等采 用数值仿真方法研究港口水下爆炸荷载的冲击特 性,分析了水下爆炸冲击波传播过程与气泡膨胀规 律⋯J 。殷秀红等对比分析两种不同模型的计算结 果,得出水介质的存在会减缓冲击波与爆轰气体的 衰减速率【l 川。黄梓荣等根据珠江口桂山牛头岛出 坞航道水下炸礁鱼类吊笼试验,对游泳生物的影响 进行分析评估,并通过二元线性回归对鱼类死亡率 与爆破距离和炸药量之间的关系进行拟合分析,得 出游泳生物死亡率经验公式3 I 。此外,爆破振动的 危害也需要注意。 水下炸礁施工与安全技术虽然取得很大进步, 并广泛应用于航道、港口整治工程,但在工程实践 中,随着出现的新情况、新问题,仍有很多关键技术 需要我们去研究和解决。 1工程概况 港航水下炸礁工程位于广东省惠州市大亚湾西 北部、惠州港荃湾港区纯洲岛及附近海域,北侧距纯 洲岛最近为1 0 0m ,南侧距沙鱼洲最近为9 8 0m ,其 中南侧岛洲附近海域为养殖场,相距8 0 0m ,西侧 5 0 0 0m 处为石化储油罐堆放区、5 0 0m 处为重力式 码头,周边环境相对较好。见图1 。施工所处区域 根据钻孔揭露资料,基岩为白垩纪的晶屑凝灰岩、凝 灰质砂岩、流纹岩等地质,基岩上普遍发育有一套以 海陆交互相为主的海积、冲积、洪积混合相第四系沉 积,其上为海相沉积为主的沉积地层及近代回填土。 礁石处于航道中心偏北一侧,爆区水深约1 5 .2 ~ 2 1 .7m ,礁石长宽约为3 0 0mx 3 0m ,礁石最高标高 一1 5 .2m ,设计标高一2 2m ,石方量约6 万m ’,上部 为强风化凝灰岩,下部为中风化凝灰岩,属中硬岩。 近海炸礁作业受水下条件复杂、能见度差、水流急、 暗流多、礁石坡面光滑且覆盖层厚等因素影响,导致 移船定位、布孔施钻等工序难度增大,故将施工区自 东向西分为A 区、B 区、C 区、D 区4 个部分,运用 R T K D G P S 定位技术由辅助船将炸礁钻爆船拖到指 定位置,并辅助炸礁船抛射六具锚,其中船头和船尾 各一具中锚,锚缆长1 5 0m ;炸礁船两侧各抛两具边 锚,锚缆长1 2 0m ,如图1 所示。根据水下钻孔爆破 布孔越简单、越规则越好的原则,同时为便于作业, 采用垂直钻孔、矩形布孔的形式。一次爆破至设计 标高,而后挖泥船施工,清挖出一块爆破一块,逐块 施工直至完工。 I j~⋯I..一笋1 ..{ 裔一1 一, Z l ~ 重 一5 0 0 一 一。 IM 二蕊1 n l I“一 I 一 力 i o o o f D ~,礁石止4 L ,// ,一 式 码 一“封品1 头● 口 养殖场 图1炸礁施工平面布置示意图 单位m F i g .1 S c h e m eo fb l a s t i n gr e e fc o n s t r u c t i o n u n i t m 2 爆破参数设计与选取 2 .1 炮孔直径 水下爆破条件复杂,为降低施工难度和钻孔工 作量,原则上采用大孑L 径、垂直钻孔方式进行炮孑L 施 工,结合该工程地质条件及钻爆平台施工特点,采用 西1 1 5m m 炮孑L 。 2 .2 炸药单耗 水下爆破除需破碎岩石外,还需克服水和礁石 表面覆盖层的阻力,此外炸药单耗还受自由面条件、 万方数据 第3 3 卷第2 期王忠康,杨仕教,王富林,等港1 3 航道水下炸礁T 程实践 爆区水深等因素影响,故炸药单耗相对陆域爆破较 大。参照瑞典的水下爆破设计单耗,按式 1 计算 炸药单耗。 q q l q 2 q 3 q 4 1 式中q .为水下钻孔爆破的基本药量,其值常取陆 域台阶爆破炸药单耗的2 倍,采用垂直钻孔,再增加 1 0 %;g 为爆区上方因水压存在造成的炸药单耗增 量,为水深的0 .0 1 倍;q ,为礁石上因覆盖层存在造 成的炸药单耗增量,为覆盖层厚度的0 .0 2 倍;q 。为 因礁石膨胀扩容造成的炸药单耗增量,为台阶高度 的0 .0 3 倍。 根据水下礁石物理力学性质及清礁设备工作能 力,参考类似水下炸礁工程炸药单耗取值,结合多次 类似工程施工经验,综合考虑各方面因素,确定本工 程的炸药单耗取值范围q 1 .6 2 ~2 .0 7k g /m 3 。 2 .3 孔排距 水下布孔首先要与采用的钻爆平台相适应,原 则上越简单、越规则越好。同时,确保孑L 底开挖面上 不残留未被爆除的岩埂,炮孔上部不产生过多大块, 避免和减少水下二次爆破。本工程采用垂直钻孔、 矩形布控的形式,结合具体水下爆破经验公式,按照 式 2 初步计算孔距,贝J IS F L 距口 2 .3 0 3 .4 5 m 。 n 2 0 ~3 0 d 2 式中口为孔距,m ;d 为炮孔直径,m 。 根据作业平台上钻机的参数、爆区礁石性质和 施工环境等因素,通过试验对比礁石爆破效果和后 续清渣效率,确定孔距Q 2 .5m ,排距b 2 .4m 。 施工过程中,可根据礁石的具体情况对孔排距进行 微调。 2 .4 超深 近海水域覆盖层厚、泥沙多,加之套管保护不当 时,泥沙可能部分淤填炮孔,同时水下钻孔爆破欠挖时 补爆难度大、费工费时。考虑本工程为航道增深,为保 证一次施工能达到设计标高,取超深A h 1 .5m 。 3 装药与起爆 3 .1 装药结构及单孔药量 水下爆破炸药的选型对爆破效果影响甚大,根 据前期施工情况及爆破效果,本工程采用防水性强、 爆炸性好的特制水下专用乳化炸药,药柱直径 9 0m m ,长度5 0c m ,每支3k g 。药包进行专门加工 以保证良好的爆破效果,方法如下用三支竹片把适 量药柱夹好、绑紧,相邻药柱之间应紧密连接;然后 在药包底部安装起爆体 起爆体内并联安装有2 发 毫秒导爆管雷管 ,一般选择安装于总长度的1 /3 处,实际操作过程中常安装于倒数第二个药柱;最后 用胶带把导爆管与炮绳同药包绑扎稳固,装药方式 如图2 所示。 图2 装药方式示意图 F i g .2C o m p o n e n td i a g r a mo fc h a r g e 单孔药量Q 按照公式3 进行计算 Q q ‘o b h 3 式中Q 为单孔药量,k g ;q 为炸药单耗,k g /m 3 ;口为 孔距,m ;b 为排距,m ;h 为孔深,设计开挖礁石标高 与超深之和,m 。 3 .2 装药方法 施工过程中,根据地质情况调整装药量,当岩层 上部为强风化岩石时,则减少装药,按照孑L 深的 2 1 3 ~3 /4 装填炸药,一般装至岩石孔口约1 .0m 处。 药柱长度小于4m 时装一个起爆体,装在炸药长度下 部约1 1 3 处;等于或大于4m 时,采用分层装药,中间 隔沙筒,装两个起爆体,各装在底部的1 /4 和3 1 4 位 置。纯洲岛水下炸礁钻孔深约为2 ~8 .5m ,理论计 算单孔药量为6 ~4 5k g ,实际操作中单孑L 最大药量为 4 8k g ,每孔装填一个药包组件,为2 1 6 节。 3 .3 起爆网路 在充分考虑爆区周围环境,同时保证工程质量, 确保爆破安全,采用排间毫秒延期爆破,延期时间大 于或等于2 5I l l s 。孑L 内起爆体中并联2 发防水的毫 秒导爆管雷管,同排孔采用“一把抓”的连接形式将 导爆管均匀敷设到起爆电雷管周围,且导爆管端头 与起爆雷管的距离不小于1 5e m ,雷管的聚能穴指 向导爆管传爆反方向,胶带绑扎牢固;排间并联,电 力起爆。 每排6 孑L ,浅孔时,一次起爆6 ~7 排,爆破面积 约2 1 6 ~2 5 2m 2 ;深孑L 时,一次起爆4 ~5 排,爆破面 积约1 4 4 ~1 8 0m 2 。为防止泥沙淤积钻孔,钻完一 孑L 立即在套管保护下装药,堵塞。爆破网路图如图 3 所示。 万方数据 1 2 6 爆破 2 0 1 6 年6 月 【冬13 爆破网路罔 F i g .3 N e t w o r kd i a g r a mo fb l a s t i n g 4 爆破安全与质量控制措施 港航水下炸礁工程虽地处近海,但距离岸上设 施和水工建筑物也有一定距离,又因水介质的存在, 加之其近似不可压缩,爆区水深超过1 5 m ,个别飞石 的影响可不予考虑4 I 。因此,爆破振动和水中冲击 波为爆破有害效应的主要考虑对象。 4 .1 爆破振动 因爆破产生的振动速度不得超过建构筑物地面的 安全振动速度,否则将会对建构筑物产生不利影响。 爆破地震安全距离,参考水下爆破振动计算公 式文献[ 1 5 ] ,用萨道夫斯基公式来计算 R K /v Ⅳ。Q Ⅳ3 4 式中R 为爆破地震安全距离,m ;秽为爆破振动安全 速度,可参照相关标准予以取值 对于重力式码头, 为安全起见取移 5c m /s ;Q 为炸药量,齐发爆破为 总药量,延时爆破为最大单响药量,k g ;K 、a 为与爆 破点地形、地质等条件有关的系数和衰减指数,对中 等硬度岩石取K 1 5 0 ,“ 1 .5 。 本工程最大单响药量为2 8 0k g ,综合考虑北面 1 0 0m 纯洲岛 无居民及建构筑物 ,南面8 0 0m 水 产养殖场,西面5 0 0 0m 处储油罐堆放区、5 0 0m 处 重力式码头,以码头为参考,秽 5c m /s ,计算出安全 距离约为2 0 .3 3m ,保护目标所处位置远离振动影 响区,安全上能够保证。 4 .2 水中冲击波 水不同于空气,为近似不可压缩介质,药包爆炸 后产生的冲击波传播更快更远,影响范围更大,故通 常水中冲击波为水下爆破的主要危害。对于水中冲 击波,可依照式 5 ,水下爆破冲击波压力经验公式 进行计算 A P 3 1 Q Ⅳ3 R 。’4 5 5 式中△P 为水中冲击波超压峰值,M P a ;Q 为产生水 中冲击波的等效药量,即长度等于5 倍药卷直径的 炸药量,k g ;尺为爆破点与被保护处的距离,m 。 对于西面5 0 0 处的混凝土沉箱码头,混凝土抗 压强度为2 0M P a ,取其抗压强度的1 /2 0 作为允许 抗压强度 1M P a 来测算,得最大药量爆破时, A P 一0 .0 6M P a ,知对码头影响非常小。 爆区南面8 0 0m 处为水产养殖场,水中冲击波 对鱼类的影响应予以严格控制。水中冲击波对鱼类 影响安全控制标准参见表1 。 表1水中冲击波对鱼类影响安全控制标准⋯1 T a b l e1 S a f e t yc o n t r o ls t a n d a r do fw a t e rs h o c kw a v ei m p a c to nf i s h 结合公式,计算知最大药量爆破时,△P 一 0 .0 3M P a ,对高度敏感的石首科鱼类亦不构成伤害。 4 .3 质量控制措施 炸礁过程质量控制对爆破效果的好坏至关重 要,为使工程爆破效果达到预期,根据积累的施工经 验及参考相关文献,施工过程中实行相关质量控制 措施如下 1 测量定位采用R T K .D G P S 定位和全站仪定 位,确保实测孑L 位和设计孔位偏差不超1 0c m ;当水 流较急或转潮时要经常进行孔位复测。 2 保证钻孑L 套管长度,防止受水流冲击而产 生移位及泥沙淤孔。在起、落钻前报告潮位,施钻过 程中潮位每变化1 0c m 报一次水位;同时根据作业 平台实地扫测水下地形,结合实时水深准确确定每 个钻孑L 的深度。钻孔完毕,用测深绳检查孑L 深,若未 达到要求,要继续下钻,直至满足设计孑L 深。 3 采用防水性能较好的毫秒雷管和高性能的 抗水乳化炸药,并对药包进行专门加工,装填起爆 体,避免拒爆。严格按设计要求装填药包,借助炮棍 将炸药下装至孔底;同时要求装药至距孔口1 .0 ~ 1 .5m ,根据实际情况进行药量控制,以满足要求。 4 电力起爆,连接好起爆网路各个支路后进 万方数据 第3 3 卷第2 期王忠康,杨仕教,王富林,等港口航道水下炸礁工程实践 1 2 7 行电阻检查,确保各支路起爆电雷管电阻稳定在设 计允许范围内,避免出现跳炮现象。 5 施工过程中,遇到中、微风化岩石,根据实 际情况缩小排距,保证爆破质量。 5 结论 经爆后检查,一次起爆的所有炮孔全部起爆,爆 破块度较为破碎,且块度均匀,无任何浅点,无需补 爆,后续的8 方清礁船清挖满斗率超过9 5 %,极大 地加快了清挖进度,从而加快了整体工程进度。 为避免爆破对炸礁区周围构建筑物及鱼类等水 生物造成危害,在爆区西面5 0 01 1 1 码头及5 0 0 0n l 储 油罐堆放区进行爆破振动监测,南面8 0 0I n 水产养 殖场进行水中冲击波监测。结果显示,储油罐堆放 区无震感,码头处无明显震感,影响很小;水产养殖 场水中冲击波较小,最大单响药量爆破时实测值为 0 .0 3 7M P a ,仍低于控制标准最小值0 .0 5M P a ,不会 对养殖场内水产造成伤害。 [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] 参考文献 R e f e r e n c e s C H E NY ,T O N GZP ,W A N GY ,e ta 1 .E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs e a l e ds h i pm o d e l w i t hr u b b e rs a n d w i c hc o a t i n g ss u b j e c t e dt ou n d 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R O N GJL .L IJ .R e s e a r c ho nt h em o t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lu n d e r w a t e re x p l o s i o nb u b b l ew i t hd y t r a ns o f t w a r e [ J ] .B i n g g o n gX u e b a o ,2 0 0 8 ,2 9 3 3 3 1 3 3 6 . 韦灼彬,唐廷,王立军.港口水下爆炸荷载冲击特 性研究[ J ] .振动与冲击,2 0 1 4 ,3 3 6 1 8 2 2 . W E IZ h u o - b i n ,T A N GT i n g ,W A N GL i - j u n .S h o c kc h a r - a e t e r i s t i c so fu n d e r w a t e re x p l o s i o ni np o r t [ J ] .J o u r n a lo f V i b r a t i o na n dS h o c k ,2 0 1 4 ,3 3 6 1 8 - 2 2 . i nC h i n e s e 殷秀红,钟冬望,黄小武,等.水下钻孔爆破岩石各区 应力的数值模拟[ J ] .爆破,2 0 1 4 ,3 1 4 1 l 1 5 . Y I NX i u h o n g ,Z H O N GD o n g w a n g ,H U A N GX i a o w u ,e t a 1 .N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr o c ks t r e s so fu n d e r w a t e r d r i l l i n gb l a s t i n g [ J ] .B l a s t i n g ,2 0 1 4 ,3 1 4 1 1 1 5 . i n C h i n e s e 黄梓荣,于杰,范江涛,等.桂山牛头岛出坞航道水 下爆破对游泳生物的影响评估[ J ] .南方水产科学, 2 0 1 4 ,1 0 5 6 8 - 7 4 . 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