毗连海岸岩礁深孔爆破设计与施工技术

王林桂，丁银贵，张中雷,2，孙钰杰，廖敏敏

(1.大昌建设集团有限公司，浙江 舟山 316000；2.大昌建设集团与浙江海洋大学联合专家院士工作站，浙江 舟山 316021)

1 工程概况

舟山绿色石化基地位于浙江省舟山市岱山县大小鱼山岛，大小鱼山2 000 吨级滚装码头工程毗连海岸岩礁爆破及疏浚工程是为舟山绿色石化基地大、重型设备及构件通道的建设服务的，岩礁爆破总工程量约15 000 m3(回填后总工程量约18 500 万m3)，总工期1.5 个月。该工程位于大鱼山岛最南端的海陆交接带，是典型的毗连海岸岩礁工程，地形变化大，水位较低，施工船舶无法进入，且受潮汐影响大，不能采用候潮作业，大型钻孔和挖运设备无法形成生产能力。

基于以上原因及本工程实际情况，决定采用一种新的爆破与施工技术来处理毗连海岸岩礁，即利用简易围堰-填沙成陆的方法，将毗连海岸的岩礁先形成陆地，将海上施工转为陆地施工，将水下爆破转为露天深孔爆破。运用这种先成陆后施工的方法，极大地降低了不可预见的海上干扰因素带来的安全隐患和安全风险，提高了施工效率，保证了关键工作的施工进度；同时也极大地降低了施工成本，提高了社会与经济效益。

1.1 工程地质

工程区域为含角砾熔结凝灰岩，青灰、灰紫色，凝灰结构，块状构造，岩石中等风化程度(部分表层为强风化程度)，节理裂隙较发育，裂隙面可见铁锰质氧化物浸染，岩体较破碎，岩芯多呈碎块状，个别短柱状，为较硬岩，锤击不易碎，RQD约为0%～20%，岩体基本质量等级为Ⅳ类。

1.2 气象水文条件

1)气象条件。本工程区域属北半球亚热带南缘海洋性气候区，气候温和、四季分明、雨量充沛。季风显著，风速大，全年多大风，春季多海雾，夏季多热带气旋(包括热带风暴、台风)。灾害性天气中对工程施工速度和施工安全有一定影响的主要是雨、大风、雷暴和雾。

2)水文条件。工程区域的潮汐属不规则的半日潮，潮流以往复流为特征，涨潮流向西或向北，落潮流向东或向南，涨潮流速大于落潮流速。平均涨潮历时349 min，平均落潮历时396 min，平均潮期745 min。历史最高潮位+3.08 m，历史最低潮位-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 周边环境

施工区域位于大鱼山岛最南端的西侧海岸，东侧与距离约80 m的狗头颈采石场相连，该采石场施工强度大，人员设备杂多，爆破作业频繁。距离约180 m的东侧海岸是鱼山岛唯一的码头，交通频繁；西侧与最近约70 m的新建栈桥码头隔海相望，新建码头已正式投入使用，是工程材料和大型设备上岛的唯一码头；南侧为海域，大量的施工船舶聚集；北侧距离最近约100 m的为在建防波堤，正在进行挡浪墙混泥土结构施工(见图1)。

图1 周边环境Fig.1 Surrounding environment

1.4 工程特点

1)毗连海岸，地形变化大。施工区域位置坡度陡，高程变化大，并且受水深影响，施工船只无法靠近。

2)海陆交接，受潮汐影响大。施工区域处于海陆交接位置，范围涵盖了潮上带、潮间带和潮下带，受潮汐影响大，候潮作业困难。

3)周围环境复杂，须严格控制爆破有害效应。爆区周边有交通码头、材料栈桥码头、采石场、在建防波堤工程等，人员、设备繁多，施工环境复杂。

4)地质条件复杂，成孔困难。施工区域岩石坚硬，节理裂隙发育，淤泥较深，成孔困难。

2 爆破技术方案

2.1 施工方案比选

目前，水下岩礁爆破及疏浚工程主要施工方法有陆上倾斜孔爆破结合水下炸礁施工法、搭设简易支架水上作业平台施工法、简易围堰—填沙成陆法等，其适用范围及优缺点如表1所示。

表1 岩礁爆破及疏浚工程主要施工方法比较

根据施工区域毗连海岸，处于陆水交界处，受潮汐影响大和水位较低、淤泥层较厚，且工期紧的情况，通过方案的择优比选，最终采用简易围堰—填沙成陆施工法，将水下施工转为陆地施工，安全隐患小，施工效率高，成本低，爆破一次成型，在保证施工质量条件下可大大缩短施工工期。

2.2 钻孔设备及爆破器材选择

根据现场实际施工情况，选用高风压潜孔钻机[1]，钻孔直径φ=140 mm，炮孔内安装PVC管(φ110 mm)。因施工作业面由细沙回填形成，且基岩表面还存在一定厚度的淤泥层，所以为避免细沙、淤泥等进入炮孔而影响钻孔效率及质量，在正式钻孔前，预先在填沙层和淤泥层埋设铁质套管(φ180 mm)。

雷管采用奥瑞凯高精度毫秒延时非电雷管，该雷管具有耐摩擦、抗拉强度高、延时精度高、质量可靠、防水性能好等优点。

炸药采用高威力水胶炸药和普通乳化炸药，药卷直径均为90 mm。水胶炸药和乳化炸药抗水性能强、爆速高。

导爆索采用红色普通导爆索，主要用于起爆乳化炸药及水胶炸药，药量12～14 g/m，爆速需大于6 500 m/s。

2.3 方案设计

根据工程特点，布孔方式采用矩形布孔，并根据岩礁分布情况在排间适当设置加密孔[2]，保证爆破质量。

采用露天深孔台阶爆破技术，并以逐孔起爆方式来降低爆破振动效应对周边环境的影响。

2.3.1 爆破参数设计

1)台阶高度H。根据设计要求，最大开挖标高为-9.7 m，填沙后平台标高+2.5 m，故台阶高度H=12.2 m。

2)超深h及孔深L。为克服孔底岩石夹制作用，超深h取2.5 m，孔深L=H+h=14.7 m。

3)底盘抵抗线W取 2.5 m；根据类似工程经验，炸药单耗q取1.85 kg/m3。

4)装药及填塞长度。装药长度L1=7.7～9.7 m，平均装药长度8.7 m；填塞长度L2应根据基岩层厚度及水下礁石分布状况进行设计，根据类似工程经验L2取5～7 m，平均填塞长度取6 m，岩层较厚时或炮孔经过凸起礁石时应取大值。

5)单孔平均装药量。根据相关施工经验，取延米装药量为9 kg/m，则单孔平均装药量为Q平均=78.3 kg。

6)孔距a与排距b。由Q平均=qabH可知，取a=b=2 m。

7)加密孔设置。由于爆区自由面为水介质，随着排数增加，爆区后排压渣阻力逐渐增大，为保证爆破良好效果，每间隔2 排孔就增加1 排加密孔。加密孔装药主要装在炮孔底部，装药量为主炮孔的1/2。

2.3.2 装药结构

主要采用连续装药结构，炮孔设置双起爆药包，下层起爆药包位于装药段1/4位置，上层起爆药包位于装药段顶部[1]。同时为了提高炮孔炸药的准爆性，装药段设置导爆索，导爆索上端与顶部雷管固定，下端与药卷连接。

排间加密孔装药结构与正常孔基本相同，但药量比正常孔减少1/2。正常孔与加密孔装药结构布置如图2所示。

图2 装药结构Fig.2 Charging structure

2.3.3 起爆网路设计

爆破网路设计既要考虑准爆性，又要考虑复杂环境条件下对单段最大起爆药量的控制[2]。为降低爆破振动对栈桥码头、采石场建(构)筑物及防波堤等影响，设计了高精度导爆管雷管逐孔起爆网路，在正常孔与加密孔内均装2发奥瑞凯400 ms高精度雷管；孔间采用25 ms高精度地表延时雷管接力起爆；排间采用65 ms高精度地表雷管；同排错段采用42 ms高精度地表雷管，爆破网路如图3所示。

2.4 爆破振动控制

爆破产生的有害效应有爆破振动、爆破飞散物、爆破冲击波、粉尘、有害气体等[3]，根据保护对象类型及与爆区的距离不同，对其产生的爆破有害效应也不同。本工程爆破有害效应主要是爆破振动，主要保护对象是栈桥码头、采石场及防波堤等建构(筑)物，距离爆区最近约70 m。

确定爆区周围建构(筑)物爆破安全振动的标准是校核爆破安全振速最为关键的内容之一。依据《爆破安全规程》[3]及项目爆破安全评估报告[4]规定，爆破施工对周边的栈桥码头及海堤等保护物允许的振动速度小于5 cm/s。可采用安全振速公式计算[3]：

(1)

式中：Q为最大单响药量，即正常孔与加密孔单孔最大装药量之和，取130 kg；v为安全允许振速，cm/s；R为控制点至爆源的距离，m；K、α为与爆区地形地质有关的系数和衰减系数，参照类似工程实测数据，取K=200，α=1.65[4]。

经计算可得安全允许振速v=2.6 cm/s，小于5 cm/s，满足爆破振动控制要求[5]。

经现场监测，距爆区70 m栈桥码头监测点的最大质点振动速度为1.662 cm/s，远小于5 cm/s，因此不会对栈桥码头、采石场建构(筑)物及防波堤等造成破坏。

3 施工组织

为提高施工效率，保证工程进度；同时降低安全风险，提高经济效益，决定采用简易围堰—填沙成陆的方法，将毗连海岸的岩礁形成陆地，变海上施工为陆地施工。施工时，先沿施工区域外围填筑简易土石围堰，在围堰内填沙和石粉，将施工区域填筑至海平面以上标高，创造便于施工的陆地工作面，再利用大型施工设备(潜孔钻机、挖机、自卸运输车等)在形成的陆地工作面上进行钻孔、爆破、清碴等工作(见图4)。其施工流程：施工准备→围堰填筑→场地回填→测量定位→振压套管→钻孔插管→装药爆破→陆上清碴→水下清碴。

图4 简易围堰—填沙成陆施工区域Fig.4 The construction area of simple cofferdam-fill-in-land

3.1 施工准备

施工前做好地质勘查和施工现场调查，并根据勘查和调查的结果确定施工方案，做好施工规划，及时办理各项施工手续，对相关人员进行设计交底、技术交底和安全教育，并在施工前做好施工材料和施工机具的准备工作。

3.2 围堰填筑及场地回填

因为礁盘东面与山体相连，地形变化大且不具备水下炸礁施工条件，所以在施工区域外侧边缘填筑临时围堰，在临时围堰内填沙至设计标高，形成平整陆地工作面，然后再进行钻孔施工和爆破作业。

由于施工区域淤积泥较深，且受潮位影响大，淤泥中围堰填筑施工难度大，故在不考虑防渗问题的情况下，填筑临时透水围堰，填筑材料利用就近矿山的开采石料。根据施工场地所在海域的水文潮位资料，历史最高潮位3.08 m，近年来同一时期最高潮位2.03 m。为保障施工不受潮汐影响，临时土石透水围堰设计顶标高为+3.0 m，顶宽为3.0 m，两侧坡度为1∶1，施工时由装载机配合自卸汽车由两端向中间填筑。场地回填采用液压挖掘机挖装—自卸汽车运输—推土机推排的施工方式，将细沙和石粉回填于围堰区域内，回填标高为+2.5 m(见图5)。

图5 围堰填筑及场地回填Fig.5 Cofferdam filling and site backfill

3.3 测量定位及振压套管

根据设计好的炮孔平面位置坐标，将炮孔测设于施工回填场地上，测设时利用GPS或全站仪。振压套管的安装如图6所示。

图6 振压套管Fig.6 Vibrating and pressing the casing pipe

1)由强力高速液压打拔桩机(DOOSAN500)将铁质导向管(φ250 mm)打入设计位置，穿过垫层及淤泥层至基岩岩面，导向管下端设计有活动闸门，下插过程中可自行封闭，将细沙及淤泥挤开形成空腔，拔出时闸门自动打开。

2)将铁质导向管上拔30～50 cm，使下端活动闸门可自由打开。

3)导向管内对中插入铁质套管(φ180 mm)，利用液压打拔桩机将铁质套管打入设计位置，嵌入基岩岩面以下20～30 cm，上端露出地面30～50 cm。

4)拔出导向管，在铁质套管孔口周围填入石粉并压实，确保铁质套管孔口位置不会发生偏移。

3.4 钻孔插管

在铁质套管的保护下，采用潜孔钻机(φ=140 mm)进行钻孔，钻头和钻杆必须位于铁质套管的中心位置(见图7)。钻孔时，钻杆尽量不要触碰到铁质套管，以免损坏套管或钻孔发生倾斜。钻孔达到设计孔深后，拔出钻杆，对钻孔深度进行测量验收；测量验收时使用带刻度标识的地质绳测量孔深，边测量边记录，发现超出允许偏差的现场做好标记，并通过局部填塞、补钻或重钻等方式进行处理，处理后再次验收，直到符合设计要求。钻孔验收合格后，在孔内插入下段封口的PVC管(110 mm×3.2 mm×4 000 mm)，PVC管插入过程采用“边往下放边接长”的方式，不同段之间连接时应做好固定和密封工作。PVC管插入孔底设计标高的位置，上端露出地面30～50 cm。

图7 铁质套管掩护下钻孔Fig.7 Drilling in iron casing pipe

3.5 装药爆破

装药采用耦合装药方式，孔底装入4 m水胶炸药，其余位置装乳化炸药。为防止损坏PVC管孔底漏水，同时保证爆破效果，孔底1 m采用吊装方式，其余位置采用丢装方式。炮孔设置双起爆药包，下层起爆药包位于装药段1/4的位置，上层起爆药包位于装药段顶部。为提高炮孔炸药的准爆性，装药段设置导爆索。

装药实行“分组分排”作业制，每组4～5个人，逐孔逐排作业(见图8)。

图8 装药作业Fig.8 Charging working

图9 爆破效果Fig.9 The effcet of blasting

爆破分2 次进行，炮孔共计476 个，雷管总用量2 316 发，炸药总用量约34.8 t，爆破方量约1.85 万m3。

爆破效果良好(见图9)，爆堆整体隆起，最高达3 m，爆区前排紧邻围堰侧往前推出约4～5 m，后排紧邻山体侧往前推出约1～2 m；爆破飞散物在50 m范围内，爆破激起涌浪较小，在爆区约30 m处消退，距爆区70 m处栈桥码头检测点的最大质点振动速度为1.662 cm/s，远小于5 cm/s。

3.6 陆上及水下清渣

陆上清渣采用液压挖掘机倒挖装车—自卸汽车运输—推土机推排的施工工艺。液压挖掘机机身位于潮位以上的陆地工作面，利用臂长向下倒挖，挖掘深度达7.5 m，可完成爆堆-5.0 m标高以上大部分石渣的清理工作(见图10)，为进行水下清渣创造条件。

图10 陆上清渣Fig.10 Cleaning ballast on the land

采用挖渣船和弃渣船进行水下清渣，完成装、运渣和抛渣工作(见图11)。

图11 水下清渣Fig.11 Cleaning ballast underwater

1)挖渣船抛锚定位。 根据陆上清渣后的位置和顺序，确定挖渣船锚泊位置的坐标，利用GPS定位系统对挖渣船位置进行定位，抛4根锚缆，前面为八字锚，后面为交叉锚。

2)弃渣船停靠装渣。弃渣船停靠至挖渣船旁边并固定在挖渣船上，抓斗挖取的石渣倒于弃渣船。清渣分层进行，以1 斗的挖深为1 层。

3)船体移位。抓斗挖完该船位后，按设计要求将挖渣船和弃渣船移至下一船位，并做好固定。

4)运输弃渣。弃渣船装满后，按指定的航线运输至指定的弃渣位置进行抛渣。

4 结语

利用简易围堰—填沙成陆的方法，将毗连海岸的岩礁由海上爆破施工转为陆地施工，对施工安全管理和施工质量、进度、成本控制有着重要的意义。

1)避免了风、浪、水流、水深等不利因素对施工的影响，也避免了海上施工不可预见因素对施工的影响，极大地降低了安全风险。

2)穿孔爆破一次成型，爆后无浅点，施工质量可靠，验收一次通过。

3)利用陆地大型设备进行施工，极大地提高了施工效率，保证了工程进度(提前半个月完工)，为码头下一步施工节约了宝贵的时间。

4)陆地施工成本低，极大地提高了社会经济效益。