论码头工程水下炸礁施工方案优化及控制措施
摘 要：本文结合工程实例，针对水下炸礁爆破施工方案进行了优化探讨，并在后续施工中采用安全控制措施，使爆破效果得到改善，保证了施工安全。
关键词：水下炸礁,方案设计, 优化;
1、前言
近年来，大量深水码头泊位尤其是重力式码头不断兴建，对码头基础部分的承载能力提出了更高的要求，大多基础的持力层均为承载力较高的强风化或中风化岩层，因此在施工中普遍采用水下炸礁来进行基槽开挖。水下炸礁作为一种特种爆破，其施工方案的设计应考虑的因素较多，主要包括爆破施工区环境、岩土性质、施工工艺和爆破器材以及施工安全因素等，必须针对具体施工条件进行全面的考虑。爆破施工方案完成后一般应进行试爆，结合试爆效果对方案进行调整和优化，提出改进和控制措施，以保证大面积施工的质量、进度和安全。
2、工程概况
某3万吨级码头，采用重力式沉箱结构，沉箱基础长230 m，宽15 m，码头面高程5.4 m，前沿底高程-15.0 m。基槽开挖长250 m，底宽21 m，深1.5-3 m。 根据岩土工程勘察报告岩层表面有0.5-1.0 m厚的残积土，其下为中分化花岗岩。以中分化花岗岩层为持力层，基床抛石厚度不小于1 m。在拟建3万吨级码头下游约150米处有一堤坝护岸，基床开挖爆破区300米范围内没有其他的建筑物，因此对基床开挖爆破安全影响是可控制的。
3、水下炸礁方案设计
3.1 孔网参数
最小抵抗线W：抵抗线是岩石爆破的重要参数之一，初步考虑最小抵抗线W取3.0 m。多排炮孔采用网状方式布置。
孔距a：a=(1.0～1.5)W=1.0×3.0=3.0 m。
排距b：b=a/1.2=3/1.2=2.5 m。
单孔装药量Q：Q=q0abH0=1.3×3.0×2.5H0=9.75H0。式中:q0---单位炸药消耗量(kg/m3),强、中风化岩石的炸药单耗取q0=1.3kg/m3，乳化炸药的爆力为320ml，炸药换算指数为1.0，H0为岩层厚度。根据炮孔深度按上式计算理论装药量，实际装药时按6的倍数取最接近计算值的药量装填，偏差在±3kg以内，可根据一次起爆的总药量灵活选取。
炮孔直径d：钻头直径为150mm，因此炮孔直径d=150～155mm。
3.2 爆破器材
施工用炸药为防水性能较好的乳化炸药，出厂时药柱用塑料袋包装，直径为135mm，药柱长度为0.4m，标定重量为6kg，在水深大于18m时最大耐水时间达8小时。
起爆体由两发8#非电毫秒延期雷管并联组成，通过约30m的非电导爆管联结网路，用8#铜壳电雷管作为击发元件起爆。
3.3 起爆网路
受一次起爆总药量的限制，一般一到两排即起爆一次，因此起爆网路采用较为简单的簇并联方式，即所有孔内非电雷管均通过导爆管并联，并将起爆电雷管用电工胶布与导爆管束捆绑在一起，用电雷管引爆导爆管，传爆至孔内非电雷管引爆炸药。每排7个炮孔，孔间微差起爆，雷管段别为1～8段，相邻段别延期时间分别为25ms。
3.4 施工总体布置
根据本工程的特点，方案选用的主要施工船舶包括900t炸礁船1艘(配钻机7台)、8m3抓斗挖泥船1艘、拖轮和泥驳若干。炸礁船定位后开始钻孔，达到设计标高后装药，并联结起爆网路起爆。施工总体顺序安排自西向东，按炸礁、清礁的顺序进行。
4、炸礁方案的优化
按照上述施工方案进行爆破施工时，周边区域地面震感强烈，村民的反映较大，对后续正常施工产生较大干扰。爆破后8m3抓扬式挖泥船进场清礁，因爆破后礁石块度大，清挖困难、工效降低。清挖后经水深测量发现仍存在局部的浅点，基槽底标高达不到设计标高。
4.1 爆破器材质量控制
微差爆破的作用原理是将一次大药量爆破以一定的间隔时间分割成多次小药量爆破，从而达到增加岩石自由面、形成应力波迭加、岩石多次碰撞破碎和地震波相互干扰的综合作用，因此合理的微差爆破间隔时间是实现上述目的的关键。
第一施工段的微差爆破单段药量及一次起爆的总药量并不大，分别为102kg和204kg，产生较强地震波可能是雷管延期时间精度不高所致。对本工程所采用的毫秒延期雷管进行检查，1～2段别的雷管其延期时间最大误差达±15ms，平均误差±10ms，延期时间的精度较低，相邻孔的爆破延期时间无法保证，对地震波的分隔作用不能完全体现。
为减小爆破地震效应，后期爆破采用了质量信誉较好的厂家生产的雷管，其延期时间精度较高，并在应用前进行抽样检测。同时增大孔间延期时间，相邻孔雷管延期时间调整为50ms，以保证微差削波效果。
4.2 爆破参数优化
初期炸礁方案特点是大孔径、大排距、大药量，在施工环境简单、一次起爆药量不受限制的情况下进行群爆施工效果好，速度快。但由于孔径较大，且连续装药于孔底，实际形成集中药包爆破的效果，导致顶层岩石破碎不均而产生大块。
根据爆破漏斗理论可知，当爆破指数n=r/W值从小于1到大于1时，由松动爆破经标准抛掷爆破到加强抛掷爆破，岩体沿抵抗线方向获得的水平推力逐渐增大，抛掷效果越明显。爆破时若排距过大，则增大了单排起爆时的最小抵抗线长度，减小了抛掷作用，岩石不能充分破碎和松散，给清礁施工造成困难。
在后期爆破设计时，着重解决爆破后礁石的块度较大和底标高不够的问题，因此对爆破孔网参数作如下调整：
减小炮孔和药柱直径。后期施工更换为配备YQ130钻机，使炮孔直径d=130～140mm，同时向厂家定制加工成型的药柱，药柱直径Φ=130mm。通过减小炮孔直径，使相同重量的药柱长度增加，在孔内分布更加均匀。
增加超钻深度，由原来的H0=1.5~2.5m增加到1.8~2.8m，保证后期爆破能一次性达到设计标高。
减小炮孔排距。为加强微差爆破的水平抛掷作用，使礁石充分松动破碎，便于后续清礁施工，将炮孔排距由原来的b=2.5m减小到2.0m，由此共增加钻孔25排175个。
4.3单孔药量
因在岩层表面尚有较厚的残积土需炸除，但施工时仅按风化岩层中的炮孔深度来计算装药量，没有考虑残积土覆盖层和水压影响，因此实际装药量偏小，导致爆破不充分而出现大块礁石，在清礁时无法清除而形成较大面积的浅点。
为克服残积土层和大水深的压力影响，后期方案中适当增大了单孔药量，主要做法为：一是调整岩层厚度H0的计算方法，即岩层厚度除计算风化岩层厚度外还计算顶层未清挖的残积土层厚度，实际操作时以下钻至冲击器开始冲击振动发出声响时的标高作为孔口标高，则岩层厚度H0=孔口标高-孔底标高。二是增大炸药单耗q0，即考虑大水头对爆破应力波的作用与影响，引入假设的水深影响系数k=1.2，则单孔药量
Q=kq0baH0=1.2×1.3×3.0×2.0H0=9.36H0。
4.4 施工工艺优化
在钻孔过程中随着钻杆的上下运动，高压气流和水流会将孔口附近的泥沙覆盖层冲起并随水流带走，在孔口形成一漏斗。装药后提起护孔套管，自然回落进孔内的泥沙极少，实际起不到填塞作用，爆破能量得不到充分利用，爆破效果较差。因此在后期方案中对炮孔装药结构和施工顺序进行了调整。
4.4.1装药结构的优化
为保证顶层残积土和礁石能充分破碎松散，对原来的装药结构进行了改进，即采用孔内间隔装药结构(如图所示)。取长0.5～1.0m的Φ130PVC管，以胶带或塑料袋封住一端，填充砂石制成砂筒。两段药柱间用砂筒间隔，药柱在孔内均匀分布，使爆破后的礁石块度均匀。上段药柱上的砂筒即可起到填塞作用，使爆破能量得到充分利用，又可防止炸药在急水流下浮起，其长度可根据炮孔深度灵活选取。
4.4.2施工顺序的调整
针对本工程区域具有的炸礁岩面以上泥砂、残积土等覆盖层厚的特点，在后期爆破施工方案中考虑通过工程措施减少覆盖层的不利影响，即在炸礁施工前安排挖泥船进场，清除强风化岩层上的残积土，降低孔口标高，在挖泥作业完成后再进行炸礁施工。
5、安全控制
对本工程水下炸礁的安全控制，主要考虑爆破地震波、水下冲击波和低潮起爆时的飞石影响，根据相关安全规程对各控制参数进行校核、计算，将安全指标控制在安全范围内，确保爆破施工安全。
5.1爆破地震安全距离
根据《爆破安全规程》(GB6722—86)安全距离的计算公式：
式中Q— 一次起爆炸药量，kg，微差起爆时取最大一段的装药量;
R— 爆破点与被保护建(构)筑物的距离，m;
V— 爆破地震安全速度，护岸取V=3cm/s;
K，α— 与爆破点地形、地质等条件有关的系数和衰减指数，对坚硬岩石取K=100，α=1.4。
根据爆破点与被保护物的距离确定每段安全起爆药量，对护岸的最大起爆药量见表5—1。
为了确保堤坝护岸的安全，在爆破初期采用较小的起爆药量，并采用微差爆破，并采取相应的措施进行监控。按照优化后的施工方案进行爆破施工时，在堤坝护岸处进行了地震波的监测，测得的爆破地震波范围为0.31～1.42cm/s，均小于GB6722—86《爆破安全规程》对非抗震的大型砌块建筑物规定安全震动速度在2～3cm/s的要求，因此爆破不会对堤坝护岸造成危害。
为监测水下炸礁对周边建筑物的影响，在爆破施工时在码头前沿和护岸顶部选取几个特征点进行位移和沉陷观测。开工前先测定这几个特征点的坐标值和高程，在施工过程中，每隔一个月进行一次观测，定期观测结果发现，结构物的单次和累计位移、沉降值均处于正常状态。
5.2水中冲击波安全距离
根据《水运工程爆破技术规范》，钻孔爆破水中冲击波对水中人员、施工船舶的安全距离随着一次起爆的药量增加而增大，在施工中首先对爆破施工周边各建构筑物和相关水下作业进行调查，确定其与爆破点的距离，然后根据规范规定的冲击波安全距离反算一次起爆药量，从而保证爆破施工安全。
5.3飞石的影响
根据《水运工程爆破技术规范》，当水深大于6m时无需考虑飞石的影响。当水深小于6 m时应乘潮进行爆破作业，同时做好相关警戒和安全防护措施。本工程最低潮水深大于11m，无需考虑飞石的影响。
6、结束语
通过对水下炸礁方案的优化，后续基槽爆破质量均达到预期要求。礁石破碎均匀，块度较小，满足清礁船及泥驳抛卸作业的要求，基槽断面尺寸及底标高均达到设计要求，没有出现浅点。地面震感较弱，附近人员直观感觉可以接受，周边建构筑物未出现破坏情况，由此证明所采取的控制措施是合理有效的。优化后的爆破方案体现了多钻孔、少装药、延长药包、间隔装药、微差削波的基本特点，较好的解决了复杂条件下的水下炸礁质量和安全问题。
参考文献
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