水下钻孔爆破技术在水运工程建设中的应用

水下钻孔爆破技术在水运工程建设中的应用

王双林 ,吴仲明

湖北省航道工程有限公司  湖北武汉  430050

摘要：我国经济水平和科技水平的快速发展，水底测试环境的特殊性使得水底振动测试系统除了具有一般陆地爆破测振仪的通用性能外，还必须防水、防腐蚀、抗噪声能力强，外观设计还应考虑水底设置的可靠性和稳定性。但由于缺乏测试设备和技术，国内外关于水下爆破震动监测与评估研究几乎还是空白。因此，开展水底爆破震动测试技术研究与应用具有重要军事意义和推广价值。

关键词：水运工程；水下钻孔爆破；振速；施工技术

引言

水下爆破施工的扰动性较大，易导致既有水工建筑物发生受损的情况。对此，施工单位应从实际情况出发，以保证施工现场及邻近建筑物足够安全为前提，采取行之有效的水下控制爆破施工技术，最大限度减少安全隐患。施工用钢栈桥等临时结构物基本不受影响，总体施工效果良好，值得同类型项目借鉴。

1水下岩石爆破作用机制

水下岩体与地面爆破的主要区别在于，水下岩体的含水率一般处于饱和状态。岩层表面和水体界面承载着水层的静压荷载，在爆破时，岩体将被水阻力所影响。第一，相对空气来讲因岩层波阻抗比要比其高出一个数量级，所以，在水界面处因岩石爆炸的冲击波而形成的反射波能量较小。同时，在水下爆破时，反射拉应力对岩石的拉力破坏作用不强烈。第二，在水下爆破时，岩石爆破位移变形需要克服水压，所以，水下凿岩爆破的单位药量必须大于地面爆破的单位药量。第三，在水下岩石爆破中，冲击波、应力波和地震波的衰减速度相较于陆地爆破慢许多倍。所以，水下岩石爆破形成的振动影响更加强烈，其危害的范围更加广泛。

2水下钻孔爆破施工方法

2.1项目部成立专门的安全生产领导小组

在爆破工程中，应始终坚持“安全第一，预防为主，综合治理”的方针。这就要求项目部要安全生产领导小组，由项目经理任组长，项目部设一专职安全员协助项目经理统筹安全生产，爆破施工设专职人员配合专职安全员进行现场安全监督与检查，以下爆破组、钻孔组测量组及施工船各负责人对爆破施工专职安全负责。项目经理主持制定安全计划，制订各种安全操作程序；专职安全员负责监督并保证安全制度、措施得到确实的执行。各船、组负责人负责施工现场的安全工作，执行落实各项安全制度、措施。

2.2堵孔固定装置

为了克服现有的水下爆破水底振动预埋测试系统水底固定难题，本实用新型提供一种水下堵孔紧固装置，用于实现水底振动预埋测试系统的可靠固定，保证测试系统与被测体之间的运动一致性。测试系统与堵孔装置利用堵孔装置带有螺纹的通孔，采用螺纹杆连接，两者在试验时可以成为一个整体压入到岩石孔内，采集数据结束后，利用螺纹杆上的拉环拉出堵孔装置与测试系统，再将堵孔装置拆下，就可以对测试振动数据进行导出分析。堵孔装置的设计直接影响，能否将测试系统稳定的设置与测试孔内。

2.3水下爆破破岩机理

水下爆破孔内一般都有水，装药后孔内炸药处于水耦合状态，当炸药爆炸时，由于水的耦合作用，削减了爆轰波的初始冲击压力，使孔内爆轰波的压力处于比较均匀的状态，炮孔内壁一般不会出现粉碎性的压缩圈。通常认为在炸药爆炸应力波传播到岩石与水的分界面前，岩石的破碎作用机理与陆地爆破的作用机理是相同的，一旦爆炸应力波传播到岩石与水的分界面时，应力波将在二种介质的界面处出现反射和透射现象，此时既会出现透射到水中的压缩波，也会出现反射至固体介质中的拉伸波，这与陆地岩石爆破时入射波几乎全部反射形成拉伸波不同。同时，由于水压力的作用，相当于给岩石临水自由面增加了一个预应力，也会抵消一部分反射拉应力的作用，因此，水下岩石爆破临水自由面的反射破坏作用没有陆地爆破的明显，并随着水深的增加，爆破漏斗半径将变小。破碎后的岩块运动由于受到水的阻力，其运动距离将大大缩小，这也是水下爆破当达到一定的水深，一般不会产生爆破飞石的原因。炸药能量在破碎岩石的同时，有部分炸药能量通过破碎岩石的缝隙作用到水体中，产生水击波或动水压力，并产生涌浪，出现炸药水中爆炸的很多物理现象。炸药要抵抗水压越大，导致破岩岩体的体积越小，破坏范围越小。爆炸冲击波到达水面时反射生成的拉伸波能量比在空气中的反射拉伸波能量小得多，这极大减弱了自由面的反射拉伸波对岩石的破坏效应。此外，由于被爆岩体表面产生变形需克服静水压力，水的阻力也会影响破碎岩体的抛掷运动，从而导致水下钻孔爆破的炸药单耗比陆地爆破的炸药单耗大。运用数值仿真技术研究水下钻孔爆破岩石各区的应力响应，水介质的存在增加了爆炸应力波与爆生气体的作用时间，当炸药性能不变时，与陆地爆破相比，爆炸初始阶段在冲击波作用下形成的粉碎区范围相近，而裂隙区的范围更广。在爆炸罐内施加不同压强，模拟不同水深梯度，发现随着水深增大岩石的大块率增加，且水深是主要影响因素。由于水介质的压力作用，改变了岩石中的轴向压力作用，受到水的围压作用，炸药爆炸后需分配一部分能量用于克服水压作用，而且水深越大，岩石外部围压越大，因此破碎程度远不如同等条件下的陆地爆破，得到相同破碎程度，需要更大的单耗，水深越大所需单耗越大。由于水介质的存在，水下爆破冲击波作用时间更长、应力峰值更高，这也使得水下爆破冲击波对岩石的损伤破坏作用更强。采用混凝土试件进行陆地和水下爆破效果的对比试验，水深25m左右时，水下爆破要达到陆地爆破的效果其单耗应增加2～4倍。

爆破示意图

2.4爆破施工

在确保松动爆破施工质量满足要求的同时还应保证周边居民的安全，将钻孔间距和排距均设为2.0m，两排错开量以0.5m为宜，炮孔呈梅花形布置，对于爆破深度超过4m的情况，则要遵循分次有序爆破的原则。布孔时应重点考虑前排抵抗线的设置，若偏大则会对爆破施工效果造成不良影响，不利于挖装施工作业；若偏小，则会引发炮孔抛掷的问题，甚至会产生爆破事故。钻孔过程中易产生石屑等杂物，因此需利用高压风清理，使孔内保持洁净状态。准备爆破所需的相关器材，进场时加强对设备的检验，保证其在数量、质量等方面都可满足要求，任何不达标的爆破器材均不可投入使用。结束钻孔作业后，将钻杆从套管内取出，向其中放入φ70mm炸药条，设置φ75mm的PVC管，保证爆破所用炸药能够安装到孔底。

爆破施工工艺

3水下钻孔爆破的安全问题

在水下钻孔进行爆破时产生的冲击波会对工程附近的船舶、水上建筑物以及潜水员的安全产生影响，使得地层的效应有所加剧。水下的裸露药包所具有的爆破能量，能够在水下礁石产生作用，部分会在很高的水柱上进行作用，大多数都会转换成水冲击波。跟空气冲击波相比，水冲击波能够传播得更远，因而在爆破安全中具有不可忽视的因素。而水下礁石所传播的地震波跟陆地上的爆破存在的差别较小，则可以根据陆上爆破地震波的安全距离进行计算，而深水陡岸地区，它能与水中冲击波共同作用产生较大的危害。与此同时，要对飞石的影响进行注意，不管是裸露的或者钻孔爆破的，则不能够忽视浅水中其飞石的影响，尤其是在卵石中以及缝隙中的潜水爆破，一旦水的深度达到一定的程度时，飞石所产生的影响则会明显降低。

结语

将水下钻孔爆破工艺节点进行了全面的研究。文中该项目水下炸礁爆破块相对破碎，而且匀称，便于后期的清渣作业。若水下炸礁对周围普通民用建筑体没有产生不良影响，说明其爆破是成功的。该项目的爆破孔网参数，可为今后同类水下炸礁爆破项目提供有利参考。对测试系统进行了实验室和爆破现场测试试验，证明测试系统的设置方式合理，采集数据可靠，为后续研究水底岩石中地震波的传播规律提供技术支撑和经验参考。

参考文献：

[1]黄略,侯永莉.水下爆破振动监测及应用[J].科技创新导报,2019(07):102-103.

[2]李杰.水下爆破对邻近铁路桥梁震害的防护与监测[J].铁道建筑,2020(07):8-11.