毗連海岸巖礁深孔爆破設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

王林桂，丁銀貴，張中雷,2，孫鈺杰，廖敏敏

(1.大昌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316000；2.大昌建設(shè)集團(tuán)與浙江海洋大學(xué)聯(lián)合專(zhuān)家院士工作站，浙江 舟山 316021)

1 工程概況

舟山綠色石化基地位于浙江省舟山市岱山縣大小魚(yú)山島，大小魚(yú)山2 000 噸級(jí)滾裝碼頭工程毗連海岸巖礁爆破及疏浚工程是為舟山綠色石化基地大、重型設(shè)備及構(gòu)件通道的建設(shè)服務(wù)的，巖礁爆破總工程量約15 000 m3(回填后總工程量約18 500 萬(wàn)m3)，總工期1.5 個(gè)月。該工程位于大魚(yú)山島最南端的海陸交接帶，是典型的毗連海岸巖礁工程，地形變化大，水位較低，施工船舶無(wú)法進(jìn)入，且受潮汐影響大，不能采用候潮作業(yè)，大型鉆孔和挖運(yùn)設(shè)備無(wú)法形成生產(chǎn)能力。

基于以上原因及本工程實(shí)際情況，決定采用一種新的爆破與施工技術(shù)來(lái)處理毗連海岸巖礁，即利用簡(jiǎn)易圍堰-填沙成陸的方法，將毗連海岸的巖礁先形成陸地，將海上施工轉(zhuǎn)為陸地施工，將水下爆破轉(zhuǎn)為露天深孔爆破。運(yùn)用這種先成陸后施工的方法，極大地降低了不可預(yù)見(jiàn)的海上干擾因素帶來(lái)的安全隱患和安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工效率，保證了關(guān)鍵工作的施工進(jìn)度；同時(shí)也極大地降低了施工成本，提高了社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 工程地質(zhì)

工程區(qū)域?yàn)楹堑[熔結(jié)凝灰?guī)r，青灰、灰紫色，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石中等風(fēng)化程度(部分表層為強(qiáng)風(fēng)化程度)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙面可見(jiàn)鐵錳質(zhì)氧化物浸染，巖體較破碎，巖芯多呈碎塊狀，個(gè)別短柱狀，為較硬巖，錘擊不易碎，RQD約為0%～20%，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ類(lèi)。

1.2 氣象水文條件

1)氣象條件。本工程區(qū)域?qū)俦卑肭騺啛釒暇壓Ｑ笮詺夂騾^(qū)，氣候溫和、四季分明、雨量充沛。季風(fēng)顯著，風(fēng)速大，全年多大風(fēng)，春季多海霧，夏季多熱帶氣旋(包括熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng))。災(zāi)害性天氣中對(duì)工程施工速度和施工安全有一定影響的主要是雨、大風(fēng)、雷暴和霧。

2)水文條件。工程區(qū)域的潮汐屬不規(guī)則的半日潮，潮流以往復(fù)流為特征，漲潮流向西或向北，落潮流向東或向南，漲潮流速大于落潮流速。平均漲潮歷時(shí)349 min，平均落潮歷時(shí)396 min，平均潮期745 min。歷史最高潮位+3.08 m，歷史最低潮位-2.11 m，平均高潮位+1.10 m，平均低潮位-0.81 m，最大潮差4.02 m，平均潮差0.04 m，平均海面1.91 m。

1.3 周邊環(huán)境

施工區(qū)域位于大魚(yú)山島最南端的西側(cè)海岸，東側(cè)與距離約80 m的狗頭頸采石場(chǎng)相連，該采石場(chǎng)施工強(qiáng)度大，人員設(shè)備雜多，爆破作業(yè)頻繁。距離約180 m的東側(cè)海岸是魚(yú)山島唯一的碼頭，交通頻繁；西側(cè)與最近約70 m的新建棧橋碼頭隔海相望，新建碼頭已正式投入使用，是工程材料和大型設(shè)備上島的唯一碼頭；南側(cè)為海域，大量的施工船舶聚集；北側(cè)距離最近約100 m的為在建防波堤，正在進(jìn)行擋浪墻混泥土結(jié)構(gòu)施工(見(jiàn)圖1)。

圖1 周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment

1.4 工程特點(diǎn)

1)毗連海岸，地形變化大。施工區(qū)域位置坡度陡，高程變化大，并且受水深影響，施工船只無(wú)法靠近。

2)海陸交接，受潮汐影響大。施工區(qū)域處于海陸交接位置，范圍涵蓋了潮上帶、潮間帶和潮下帶，受潮汐影響大，候潮作業(yè)困難。

3)周?chē)h(huán)境復(fù)雜，須嚴(yán)格控制爆破有害效應(yīng)。爆區(qū)周邊有交通碼頭、材料棧橋碼頭、采石場(chǎng)、在建防波堤工程等，人員、設(shè)備繁多，施工環(huán)境復(fù)雜。

4)地質(zhì)條件復(fù)雜，成孔困難。施工區(qū)域巖石堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，淤泥較深，成孔困難。

2 爆破技術(shù)方案

2.1 施工方案比選

目前，水下巖礁爆破及疏浚工程主要施工方法有陸上傾斜孔爆破結(jié)合水下炸礁施工法、搭設(shè)簡(jiǎn)易支架水上作業(yè)平臺(tái)施工法、簡(jiǎn)易圍堰—填沙成陸法等，其適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 巖礁爆破及疏浚工程主要施工方法比較

根據(jù)施工區(qū)域毗連海岸，處于陸水交界處，受潮汐影響大和水位較低、淤泥層較厚，且工期緊的情況，通過(guò)方案的擇優(yōu)比選，最終采用簡(jiǎn)易圍堰—填沙成陸施工法，將水下施工轉(zhuǎn)為陸地施工，安全隱患小，施工效率高，成本低，爆破一次成型，在保證施工質(zhì)量條件下可大大縮短施工工期。

2.2 鉆孔設(shè)備及爆破器材選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，選用高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)[1]，鉆孔直徑φ=140 mm，炮孔內(nèi)安裝PVC管(φ110 mm)。因施工作業(yè)面由細(xì)沙回填形成，且基巖表面還存在一定厚度的淤泥層，所以為避免細(xì)沙、淤泥等進(jìn)入炮孔而影響鉆孔效率及質(zhì)量，在正式鉆孔前，預(yù)先在填沙層和淤泥層埋設(shè)鐵質(zhì)套管(φ180 mm)。

雷管采用奧瑞凱高精度毫秒延時(shí)非電雷管，該雷管具有耐摩擦、抗拉強(qiáng)度高、延時(shí)精度高、質(zhì)量可靠、防水性能好等優(yōu)點(diǎn)。

炸藥采用高威力水膠炸藥和普通乳化炸藥，藥卷直徑均為90 mm。水膠炸藥和乳化炸藥抗水性能強(qiáng)、爆速高。

導(dǎo)爆索采用紅色普通導(dǎo)爆索，主要用于起爆乳化炸藥及水膠炸藥，藥量12～14 g/m，爆速需大于6 500 m/s。

2.3 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工程特點(diǎn)，布孔方式采用矩形布孔，并根據(jù)巖礁分布情況在排間適當(dāng)設(shè)置加密孔[2]，保證爆破質(zhì)量。

采用露天深孔臺(tái)階爆破技術(shù)，并以逐孔起爆方式來(lái)降低爆破振動(dòng)效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2.3.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

1)臺(tái)階高度H。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最大開(kāi)挖標(biāo)高為-9.7 m，填沙后平臺(tái)標(biāo)高+2.5 m，故臺(tái)階高度H=12.2 m。

2)超深h及孔深L。為克服孔底巖石夾制作用，超深h取2.5 m，孔深L=H+h=14.7 m。

3)底盤(pán)抵抗線W取 2.5 m；根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，炸藥單耗q取1.85 kg/m3。

4)裝藥及填塞長(zhǎng)度。裝藥長(zhǎng)度L1=7.7～9.7 m，平均裝藥長(zhǎng)度8.7 m；填塞長(zhǎng)度L2應(yīng)根據(jù)基巖層厚度及水下礁石分布狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)L2取5～7 m，平均填塞長(zhǎng)度取6 m，巖層較厚時(shí)或炮孔經(jīng)過(guò)凸起礁石時(shí)應(yīng)取大值。

5)單孔平均裝藥量。根據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，取延米裝藥量為9 kg/m，則單孔平均裝藥量為Q平均=78.3 kg。

6)孔距a與排距b。由Q平均=qabH可知，取a=b=2 m。

7)加密孔設(shè)置。由于爆區(qū)自由面為水介質(zhì)，隨著排數(shù)增加，爆區(qū)后排壓渣阻力逐漸增大，為保證爆破良好效果，每間隔2 排孔就增加1 排加密孔。加密孔裝藥主要裝在炮孔底部，裝藥量為主炮孔的1/2。

2.3.2 裝藥結(jié)構(gòu)

主要采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，炮孔設(shè)置雙起爆藥包，下層起爆藥包位于裝藥段1/4位置，上層起爆藥包位于裝藥段頂部[1]。同時(shí)為了提高炮孔炸藥的準(zhǔn)爆性，裝藥段設(shè)置導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索上端與頂部雷管固定，下端與藥卷連接。

排間加密孔裝藥結(jié)構(gòu)與正常孔基本相同，但藥量比正?？诇p少1/2。正?？着c加密孔裝藥結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Charging structure

2.3.3 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)既要考慮準(zhǔn)爆性，又要考慮復(fù)雜環(huán)境條件下對(duì)單段最大起爆藥量的控制[2]。為降低爆破振動(dòng)對(duì)棧橋碼頭、采石場(chǎng)建(構(gòu))筑物及防波堤等影響，設(shè)計(jì)了高精度導(dǎo)爆管雷管逐孔起爆網(wǎng)路，在正?？着c加密孔內(nèi)均裝2發(fā)奧瑞凱400 ms高精度雷管；孔間采用25 ms高精度地表延時(shí)雷管接力起爆；排間采用65 ms高精度地表雷管；同排錯(cuò)段采用42 ms高精度地表雷管，爆破網(wǎng)路如圖3所示。

2.4 爆破振動(dòng)控制

爆破產(chǎn)生的有害效應(yīng)有爆破振動(dòng)、爆破飛散物、爆破沖擊波、粉塵、有害氣體等[3]，根據(jù)保護(hù)對(duì)象類(lèi)型及與爆區(qū)的距離不同，對(duì)其產(chǎn)生的爆破有害效應(yīng)也不同。本工程爆破有害效應(yīng)主要是爆破振動(dòng)，主要保護(hù)對(duì)象是棧橋碼頭、采石場(chǎng)及防波堤等建構(gòu)(筑)物，距離爆區(qū)最近約70 m。

確定爆區(qū)周?chē)?gòu)(筑)物爆破安全振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)是校核爆破安全振速最為關(guān)鍵的內(nèi)容之一。依據(jù)《爆破安全規(guī)程》[3]及項(xiàng)目爆破安全評(píng)估報(bào)告[4]規(guī)定，爆破施工對(duì)周邊的棧橋碼頭及海堤等保護(hù)物允許的振動(dòng)速度小于5 cm/s?？刹捎冒踩袼俟接?jì)算[3]：

(1)

式中：Q為最大單響藥量，即正常孔與加密孔單孔最大裝藥量之和，取130 kg；v為安全允許振速，cm/s；R為控制點(diǎn)至爆源的距離，m；K、α為與爆區(qū)地形地質(zhì)有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)，參照類(lèi)似工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取K=200，α=1.65[4]。

經(jīng)計(jì)算可得安全允許振速v=2.6 cm/s，小于5 cm/s，滿足爆破振動(dòng)控制要求[5]。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，距爆區(qū)70 m棧橋碼頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為1.662 cm/s，遠(yuǎn)小于5 cm/s，因此不會(huì)對(duì)棧橋碼頭、采石場(chǎng)建構(gòu)(筑)物及防波堤等造成破壞。

3 施工組織

為提高施工效率，保證工程進(jìn)度；同時(shí)降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益，決定采用簡(jiǎn)易圍堰—填沙成陸的方法，將毗連海岸的巖礁形成陸地，變海上施工為陸地施工。施工時(shí)，先沿施工區(qū)域外圍填筑簡(jiǎn)易土石圍堰，在圍堰內(nèi)填沙和石粉，將施工區(qū)域填筑至海平面以上標(biāo)高，創(chuàng)造便于施工的陸地工作面，再利用大型施工設(shè)備(潛孔鉆機(jī)、挖機(jī)、自卸運(yùn)輸車(chē)等)在形成的陸地工作面上進(jìn)行鉆孔、爆破、清碴等工作(見(jiàn)圖4)。其施工流程：施工準(zhǔn)備→圍堰填筑→場(chǎng)地回填→測(cè)量定位→振壓套管→鉆孔插管→裝藥爆破→陸上清碴→水下清碴。

圖4 簡(jiǎn)易圍堰—填沙成陸施工區(qū)域Fig.4 The construction area of simple cofferdam-fill-in-land

3.1 施工準(zhǔn)備

施工前做好地質(zhì)勘查和施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并根據(jù)勘查和調(diào)查的結(jié)果確定施工方案，做好施工規(guī)劃，及時(shí)辦理各項(xiàng)施工手續(xù)，對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)交底、技術(shù)交底和安全教育，并在施工前做好施工材料和施工機(jī)具的準(zhǔn)備工作。

3.2 圍堰填筑及場(chǎng)地回填

因?yàn)榻副P(pán)東面與山體相連，地形變化大且不具備水下炸礁施工條件，所以在施工區(qū)域外側(cè)邊緣填筑臨時(shí)圍堰，在臨時(shí)圍堰內(nèi)填沙至設(shè)計(jì)標(biāo)高，形成平整陸地工作面，然后再進(jìn)行鉆孔施工和爆破作業(yè)。

由于施工區(qū)域淤積泥較深，且受潮位影響大，淤泥中圍堰填筑施工難度大，故在不考慮防滲問(wèn)題的情況下，填筑臨時(shí)透水圍堰，填筑材料利用就近礦山的開(kāi)采石料。根據(jù)施工場(chǎng)地所在海域的水文潮位資料，歷史最高潮位3.08 m，近年來(lái)同一時(shí)期最高潮位2.03 m。為保障施工不受潮汐影響，臨時(shí)土石透水圍堰設(shè)計(jì)頂標(biāo)高為+3.0 m，頂寬為3.0 m，兩側(cè)坡度為1∶1，施工時(shí)由裝載機(jī)配合自卸汽車(chē)由兩端向中間填筑。場(chǎng)地回填采用液壓挖掘機(jī)挖裝—自卸汽車(chē)運(yùn)輸—推土機(jī)推排的施工方式，將細(xì)沙和石粉回填于圍堰區(qū)域內(nèi)，回填標(biāo)高為+2.5 m(見(jiàn)圖5)。

圖5 圍堰填筑及場(chǎng)地回填Fig.5 Cofferdam filling and site backfill

3.3 測(cè)量定位及振壓套管

根據(jù)設(shè)計(jì)好的炮孔平面位置坐標(biāo)，將炮孔測(cè)設(shè)于施工回填場(chǎng)地上，測(cè)設(shè)時(shí)利用GPS或全站儀。振壓套管的安裝如圖6所示。

圖6 振壓套管Fig.6 Vibrating and pressing the casing pipe

1)由強(qiáng)力高速液壓打拔樁機(jī)(DOOSAN500)將鐵質(zhì)導(dǎo)向管(φ250 mm)打入設(shè)計(jì)位置，穿過(guò)墊層及淤泥層至基巖巖面，導(dǎo)向管下端設(shè)計(jì)有活動(dòng)閘門(mén)，下插過(guò)程中可自行封閉，將細(xì)沙及淤泥擠開(kāi)形成空腔，拔出時(shí)閘門(mén)自動(dòng)打開(kāi)。

2)將鐵質(zhì)導(dǎo)向管上拔30～50 cm，使下端活動(dòng)閘門(mén)可自由打開(kāi)。

3)導(dǎo)向管內(nèi)對(duì)中插入鐵質(zhì)套管(φ180 mm)，利用液壓打拔樁機(jī)將鐵質(zhì)套管打入設(shè)計(jì)位置，嵌入基巖巖面以下20～30 cm，上端露出地面30～50 cm。

4)拔出導(dǎo)向管，在鐵質(zhì)套管孔口周?chē)钊胧鄄簩?shí)，確保鐵質(zhì)套管孔口位置不會(huì)發(fā)生偏移。

3.4 鉆孔插管

在鐵質(zhì)套管的保護(hù)下，采用潛孔鉆機(jī)(φ=140 mm)進(jìn)行鉆孔，鉆頭和鉆桿必須位于鐵質(zhì)套管的中心位置(見(jiàn)圖7)。鉆孔時(shí)，鉆桿盡量不要觸碰到鐵質(zhì)套管，以免損壞套管或鉆孔發(fā)生傾斜。鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后，拔出鉆桿，對(duì)鉆孔深度進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)收；測(cè)量驗(yàn)收時(shí)使用帶刻度標(biāo)識(shí)的地質(zhì)繩測(cè)量孔深，邊測(cè)量邊記錄，發(fā)現(xiàn)超出允許偏差的現(xiàn)場(chǎng)做好標(biāo)記，并通過(guò)局部填塞、補(bǔ)鉆或重鉆等方式進(jìn)行處理，處理后再次驗(yàn)收，直到符合設(shè)計(jì)要求。鉆孔驗(yàn)收合格后，在孔內(nèi)插入下段封口的PVC管(110 mm×3.2 mm×4 000 mm)，PVC管插入過(guò)程采用“邊往下放邊接長(zhǎng)”的方式，不同段之間連接時(shí)應(yīng)做好固定和密封工作。PVC管插入孔底設(shè)計(jì)標(biāo)高的位置，上端露出地面30～50 cm。

圖7 鐵質(zhì)套管掩護(hù)下鉆孔Fig.7 Drilling in iron casing pipe

3.5 裝藥爆破

裝藥采用耦合裝藥方式，孔底裝入4 m水膠炸藥，其余位置裝乳化炸藥。為防止損壞PVC管孔底漏水，同時(shí)保證爆破效果，孔底1 m采用吊裝方式，其余位置采用丟裝方式。炮孔設(shè)置雙起爆藥包，下層起爆藥包位于裝藥段1/4的位置，上層起爆藥包位于裝藥段頂部。為提高炮孔炸藥的準(zhǔn)爆性，裝藥段設(shè)置導(dǎo)爆索。

裝藥實(shí)行“分組分排”作業(yè)制，每組4～5個(gè)人，逐孔逐排作業(yè)(見(jiàn)圖8)。

圖8 裝藥作業(yè)Fig.8 Charging working

圖9 爆破效果Fig.9 The effcet of blasting

爆破分2 次進(jìn)行，炮孔共計(jì)476 個(gè)，雷管總用量2 316 發(fā)，炸藥總用量約34.8 t，爆破方量約1.85 萬(wàn)m3。

爆破效果良好(見(jiàn)圖9)，爆堆整體隆起，最高達(dá)3 m，爆區(qū)前排緊鄰圍堰側(cè)往前推出約4～5 m，后排緊鄰山體側(cè)往前推出約1～2 m；爆破飛散物在50 m范圍內(nèi)，爆破激起涌浪較小，在爆區(qū)約30 m處消退，距爆區(qū)70 m處棧橋碼頭檢測(cè)點(diǎn)的最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為1.662 cm/s，遠(yuǎn)小于5 cm/s。

3.6 陸上及水下清渣

陸上清渣采用液壓挖掘機(jī)倒挖裝車(chē)—自卸汽車(chē)運(yùn)輸—推土機(jī)推排的施工工藝。液壓挖掘機(jī)機(jī)身位于潮位以上的陸地工作面，利用臂長(zhǎng)向下倒挖，挖掘深度達(dá)7.5 m，可完成爆堆-5.0 m標(biāo)高以上大部分石渣的清理工作(見(jiàn)圖10)，為進(jìn)行水下清渣創(chuàng)造條件。

圖10 陸上清渣Fig.10 Cleaning ballast on the land

采用挖渣船和棄渣船進(jìn)行水下清渣，完成裝、運(yùn)渣和拋渣工作(見(jiàn)圖11)。

圖11 水下清渣Fig.11 Cleaning ballast underwater

1)挖渣船拋錨定位。 根據(jù)陸上清渣后的位置和順序，確定挖渣船錨泊位置的坐標(biāo)，利用GPS定位系統(tǒng)對(duì)挖渣船位置進(jìn)行定位，拋4根錨纜，前面為八字錨，后面為交叉錨。

2)棄渣船停靠裝渣。棄渣船?？恐镣谠赃叢⒐潭ㄔ谕谠希ザ吠谌〉氖褂跅壴Ｇ逶謱舆M(jìn)行，以1 斗的挖深為1 層。

3)船體移位。抓斗挖完該船位后，按設(shè)計(jì)要求將挖渣船和棄渣船移至下一船位，并做好固定。

4)運(yùn)輸棄渣。棄渣船裝滿后，按指定的航線運(yùn)輸至指定的棄渣位置進(jìn)行拋渣。

4 結(jié)語(yǔ)

利用簡(jiǎn)易圍堰—填沙成陸的方法，將毗連海岸的巖礁由海上爆破施工轉(zhuǎn)為陸地施工，對(duì)施工安全管理和施工質(zhì)量、進(jìn)度、成本控制有著重要的意義。

1)避免了風(fēng)、浪、水流、水深等不利因素對(duì)施工的影響，也避免了海上施工不可預(yù)見(jiàn)因素對(duì)施工的影響，極大地降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)穿孔爆破一次成型，爆后無(wú)淺點(diǎn)，施工質(zhì)量可靠，驗(yàn)收一次通過(guò)。

3)利用陸地大型設(shè)備進(jìn)行施工，極大地提高了施工效率，保證了工程進(jìn)度(提前半個(gè)月完工)，為碼頭下一步施工節(jié)約了寶貴的時(shí)間。

4)陸地施工成本低，極大地提高了社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。