胡勇前， 陳美靈， 公祥玉， 劉言峰

(1.佛山市新城開發(fā)建設(shè)有限公司，廣東佛山 528316； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

沉管隧道水下炸礁施工方案優(yōu)化及安全控制

胡勇前1， 陳美靈2， 公祥玉1， 劉言峰2

(1.佛山市新城開發(fā)建設(shè)有限公司，廣東佛山 528316； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

佛山市汾江路南延線工程沉管隧道是我國國內(nèi)公路與地鐵合建工程中規(guī)模最大的沉管隧道。由于我國現(xiàn)有水下炸礁技術(shù)文獻(xiàn)尚未完善，該工程隧址處地理位置特殊，周邊環(huán)境、工程地質(zhì)條件惡劣，再加之工期短、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，導(dǎo)致水下鉆孔爆破施工具有諸多技術(shù)難點(diǎn)。文章從拋錨移位選定、爆破參數(shù)計(jì)算、起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、炮孔裝藥量計(jì)算、炸礁施工安全控制幾個方面，對佛山市汾江路南延線工程沉管隧道炸礁技術(shù)進(jìn)行了方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，詳化了水下鉆孔炸礁技術(shù)，增強(qiáng)了安全控制。

沉管隧道； 炸礁； 方案優(yōu)化； 安全控制

沉管隧道由于埋深淺、兩岸接線短，越來越受到我國城市水下隧道工程的青睞[1]。佛山市汾江路南延線工程沉管隧道，其沉管段基槽大部分為強(qiáng)、中風(fēng)化巖層，只有北岸有少量的填土、淤泥層。土質(zhì)從上部至下部依次為雜填土、淤泥、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖，中風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖且隧址處河道彎曲，水流復(fù)雜且流速大，基槽巖面突起，河面狹窄，施工工期較短。水下工程爆破不僅要達(dá)到預(yù)期的爆破效果，而且應(yīng)避免或減少飛石及沖擊波、地震波、爆破涌浪等對周圍環(huán)境的不利影響，隨著工程規(guī)模的不斷加大，一次性起爆藥量的逐漸增多，爆炸沖擊波的破壞力度也成為值得關(guān)心的問題[5-6]。因此選擇合理優(yōu)化炸礁施工方案利于更好地進(jìn)行工程質(zhì)量、安全控制及縮短工期[2-4]。

1 工程概述

1.1 工程選址及施工背景

本工程是佛山市汾江路南延線(瀾石路至裕和路段)工程的其中一個標(biāo)段，位于佛山市瀾石大橋與東平大橋之間的東平水道，從北向南跨禪城區(qū)與順德區(qū)，沉管段起訖里程為SK1+200.00(YDK-2+598.068)～SK1+645.00(YDK-2+153.068)，全長445 m，共分四節(jié)管段，管段寬39.9 m。施工區(qū)周邊有較多的民房建筑物，為進(jìn)一步減少爆破振動對房屋、村民的干擾，將優(yōu)化炸礁施工方案，使之對周邊建筑物、居民的影響降至最低。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)

(1)區(qū)域構(gòu)造特征：本場地在區(qū)域構(gòu)造上處于華南準(zhǔn)地臺湘桂粵褶皺系粵中拗褶束的中部，即瘦狗嶺斷裂帶以南的構(gòu)造區(qū)——三水?dāng)嘞菖璧貣|延部分。

(2)新構(gòu)造運(yùn)動：佛山市新構(gòu)造運(yùn)動的特征主要表現(xiàn)為斷塊活動，受幾條規(guī)模較大的活動性斷層所控制，具體表現(xiàn)為里水隆起區(qū)、佛山沉降區(qū)、西江沉降區(qū)。

(3)斷裂：近場地的區(qū)域性斷裂有雷崗西斷裂、扶西(山紫)斷裂、雷崗東斷裂、羅村斷裂等斷裂構(gòu)造。雷崗西斷裂斜穿過線路，與線路相交于瀾石路一帶，該斷裂為非全新世斷層。

(4)褶皺：本場地處于三水?dāng)嘞菖璧氐臇|南部，三水?dāng)嘞菖璧乜傮w表現(xiàn)為一個大型向斜拱曲構(gòu)造，區(qū)內(nèi)石碣-石灣一帶為該向斜拱曲的東翼，自東往西依次為古辛統(tǒng)莘莊組及始新統(tǒng)土布心組、寶月組和華涌組，本段地層產(chǎn)狀為260°～290°∠5～30°。

1.3 周圍環(huán)境

施工區(qū)所處河道南岸為規(guī)劃綠地，北岸建筑物眾多，施工區(qū)域附近無過江天然氣管道、光纖電纜線通過。

2 炸礁船施工方法及特點(diǎn)

2.1 拋錨移位選定

炸礁船總的來說采用了前后兩具及左右的四具邊錨中錨來具體控制船位前后左右移動，錨纜長約100 m，不超過200 m。炸礁船采用的定位技術(shù)是RTK-DGPS定位，其精度為±1 cm+1 ppm。其后設(shè)立RTK-DGPS基準(zhǔn)站控制點(diǎn)，由RTK-DGPS定位系統(tǒng)將具體的鉆孔孔位通過平面圖的形式在電腦上面呈現(xiàn)出來，定位的時候，實(shí)際孔位和設(shè)計(jì)孔位之間的誤差不能超出10 cm。

2.2 爆破參數(shù)計(jì)算

炸礁船在對各期礁區(qū)施工時，采取圖1所示的平面布置方式，采用順?biāo)?、梅花狀布孔的施工方法進(jìn)行施工。

圖1 炸礁船平面布置示意

本工程的設(shè)計(jì)爆破參數(shù)根據(jù)工程具體的巖石性質(zhì)、炸礁船的裝備情況及清礁船舶對巖石破碎塊度和松散度的要求等確定，排距參照J(rèn)TS 204-2008《水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范》取用。

(1)孔距a：根據(jù)投入本工程施工船舶數(shù)量按照公式宏大一孔距a=2.4 m確定；

(2)排距b：根據(jù)本爆破區(qū)的巖石性質(zhì)(強(qiáng)風(fēng)化巖石、中風(fēng)化巖、微風(fēng)化花崗巖)和施工環(huán)境等來確定，設(shè)計(jì)排距b= 1.8 ～ 2.2 m(具體參數(shù)要根據(jù)爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)及抓斗清挖效果來調(diào)整)。

(3)孔徑d：球齒釬頭外徑105 mm，孔徑d= 115 mm。

(4)超鉆深度Δh：結(jié)合工程的實(shí)際情況控制超深量，取Δh= 1.5～2.0 m。

(5)炸藥規(guī)格：本工程中使用乳化炸藥，藥柱直徑D=90 mm，長度為L=500 mm，重量2.67 kg。

2.3 鉆孔

(1)在礁區(qū)附近探明水質(zhì)和水底礁石分布情況后，應(yīng)對附近未達(dá)設(shè)計(jì)要求的礁石區(qū)域進(jìn)行鉆孔爆破，以確保炸礁范圍內(nèi)的質(zhì)量滿足清礁要求。

(2)分層鉆孔，層厚度在6～7 m(根據(jù)抓斗船清挖能力確定分層厚度)。采用潛孔沖擊器沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法一次性鉆至設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高(加超鉆深度)，釬頭型號105 mm。鉆孔施工時，鉆具的潛孔沖擊器鉆孔孔徑為115 mm，同時空壓機(jī)送出高壓氣體同時作用，將鉆孔時產(chǎn)生的雜物吹出孔外。

(3)孔位偏差不大于20 cm。當(dāng)有外界因素如水流湍急等情況干擾時，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行孔位復(fù)測。

(4)起鉆、落鉆之前都要記錄實(shí)時潮位。鉆孔施工中，潮位每變化20 cm就需再次記錄水位，以便控制鉆孔施工深度。

2.4 裝藥

2.4.1 引爆裝置選擇

根據(jù)本工程特點(diǎn)選用炸藥是塑料筒裝藥柱，將藥卷及導(dǎo)爆雷管裝入筒內(nèi)，爆破效果很好[7]。在塑料筒適當(dāng)部位鉆一小孔，從孔中把導(dǎo)爆管雷管插入炸藥作為起爆體，然后再用導(dǎo)爆管沿著塑料筒打個結(jié)并用膠布綁纏好，炸藥加工完成。連續(xù)裝藥長度達(dá)到4 m及以上時，要加裝起爆體，以保證炸藥傳爆的可靠性，達(dá)到更好的爆破效果。鉆孔完成后，爆破員將加工后的炸藥沿著套管壁放入炮孔中。裝藥示意如圖2所示。

圖2 裝藥示意

2.4.2 炮孔裝藥量計(jì)算

2.4.2.1 公式選擇

Q=q·a·b·h[2]

式中：Q為炮孔裝藥量(kg)；q為炸藥單耗(kg/m3)，結(jié)合本工程的地質(zhì)情況和清礁設(shè)備(采用8 m3，挖泥船)，根據(jù)JTS 204-2008《水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范》和多年來施工的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，取q=1.0～1.2 kg/m3；a、b、h為孔距、排距、孔深(m)。

2.4.2.2 不同孔深的鉆孔裝藥量

單孔裝藥量如表1所示(藥柱直徑為90 mm)。

表1 單孔裝藥量

實(shí)際操作中，根據(jù)地質(zhì)情況調(diào)整裝藥量(例如巖層上部如為強(qiáng)風(fēng)化巖石，可減少裝藥量)，按孔深的2/3～3/4裝填炸藥，一般裝至巖石孔口約1.0 m處。藥柱長度小于4 m時裝一個起爆體，裝在藥柱長度h的下方約1/3處；藥柱長度h≥4 m或者按設(shè)計(jì)需要減少單孔起爆藥量時，則采用分層裝藥，中間隔砂筒(砂筒長度50～100 cm)，裝兩個或以上起爆體。炮孔裝填炸藥后，用塑料筒裝砂堵塞(或塑料袋裝砂、小碎石填塞)，砂柱直徑不小于90 mm，填塞長度不少于50 cm。裝藥結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)示意

2.5 起爆網(wǎng)絡(luò)

2.5.1 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)整個起爆網(wǎng)絡(luò)采用簇聯(lián)的方式聯(lián)接；

(2)每個起爆體內(nèi)裝兩發(fā)并聯(lián)的導(dǎo)爆雷管，電雷管先激發(fā)導(dǎo)爆雷管，其后導(dǎo)爆雷管引爆炸藥[10]；

(3)連接網(wǎng)絡(luò)時，為了防止導(dǎo)爆管管壁破損，管徑拉細(xì)導(dǎo)爆管不允許進(jìn)行打結(jié)和對折操作[10-11]；

(4)起爆電雷管的聚能穴朝向應(yīng)與導(dǎo)爆管傳爆方向相反，位置為距離導(dǎo)爆管尾端應(yīng)當(dāng)大于15 cm。導(dǎo)爆管要均勻分布于電雷管周圍，并用防水膠布纏牢，這樣才能更好引爆全部的導(dǎo)爆管[11]；

(5)每20根導(dǎo)爆管內(nèi)至少要裝有兩發(fā)電雷管，才能確保導(dǎo)爆管雷管能夠完全激發(fā)；

(6)一次性起爆的孔數(shù)根據(jù)炸藥用量和爆炸能力的大小來決定，用交流電起爆時保證電流強(qiáng)度應(yīng)不小于4.0 A/每發(fā)電雷管，用直流電起爆時保證電流強(qiáng)度應(yīng)不小于2.5 A/每發(fā)電雷管。

2.5.2 起爆網(wǎng)絡(luò)圖

根據(jù)本工程特點(diǎn)，經(jīng)分析施工條件及成本等因素，綜合考慮本工程將采用非電毫秒塑料導(dǎo)爆管微差起爆網(wǎng)絡(luò)，起爆網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，控制爆破網(wǎng)絡(luò)見圖5。

圖4 起爆網(wǎng)絡(luò)

圖5 控制爆破網(wǎng)絡(luò)

3 基槽開挖施工安排

第一期基槽開挖區(qū)域東西寬約91 m，南北寬約156 m，施工面積約12 743 m2，炸礁工程量約120 000 m3。計(jì)劃安排一組炸礁船、挖泥船進(jìn)行施工作業(yè)，沿基槽中軸線方向布置施工船。一期基槽開挖施工時需對原有航道進(jìn)行改移，改移后臨時航道位于規(guī)劃航道的南側(cè)，為確保臨時航道通航水深達(dá)到4.5 m的要求，先安排挖泥船進(jìn)行臨時航道的疏浚，隨后安排挖泥船進(jìn)行一期基槽表層開挖。該區(qū)域需爆破巖層厚度超過10 m，為降低單次起爆藥量，計(jì)劃采取分兩層爆破施工方法挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高。第一層爆破厚度約6 m，爆破完成后安排挖泥船進(jìn)行清礁施工，第一層清礁完畢后再進(jìn)行第二層的炸礁、清礁施工。

一期基槽開挖施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)藥量，由岸邊向河道中間施工。離施工區(qū)域較近的主要構(gòu)筑物是北側(cè)堤岸，最近距離為25 m，從南向北開始施工。根據(jù)爆破安全公式計(jì)算離河堤25 m區(qū)域最大段別藥量為23 kg。本段區(qū)域?yàn)榘踩鹨?，距離河堤25～50 m區(qū)域，分兩層裝藥，采取孔外微差起爆網(wǎng)絡(luò)，單孔單響；距離河堤50 m外區(qū)域，單孔采用連續(xù)裝藥，采取排與排之間微差起爆網(wǎng)絡(luò)，單排單響。

4 水下炸礁施工安全控制——對小布村民房采取的保護(hù)措施

水下炸礁產(chǎn)生的噪音、沖擊波等都會對周圍環(huán)境造成一定安全影響，因此該部分施工需要采取一定保護(hù)措施，進(jìn)行安全控制。本工程中小布村位于施工區(qū)上游河道的南岸，距離一期開挖基槽最近距離約300 m，距離3期基槽開挖最近距離約150 m，是重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域。為減少對小布村居民的影響，保護(hù)民房建筑物，需進(jìn)一步優(yōu)化施工方案，確保小布村民房的安全。除采取微差爆破、不耦合裝藥外，還可以在一期基槽開挖施工過程中，沿河道南岸一側(cè)打設(shè)減震孔、同時對每天的爆破施工采取分區(qū)域爆破的方式，相關(guān)保護(hù)措施詳述如下：

4.1 微差爆破

按計(jì)算藥量嚴(yán)格控制最大段別藥量和總藥量，采用孔內(nèi)毫秒微差爆破施工，減少單段別使用藥量，降低地震波和沖擊波對被保護(hù)對象的影響[8]。導(dǎo)爆管采用1～20個段別，根據(jù)控制藥量計(jì)算單孔爆破所需段別數(shù)，導(dǎo)爆管段別自上而下逐級遞增，孔端用砂筒封口。每段別起爆體之間用砂筒隔離防止串爆，避免爆破效果降低。

4.2 采用不耦合裝藥

設(shè)計(jì)鉆孔直徑115 mm，為了增大不耦合系數(shù)，使用直徑為90 mm的藥柱，不耦合系數(shù)1.44，根據(jù)計(jì)算，采用不耦合裝藥減震達(dá)到30 %～60 %。

4.3 打設(shè)減震孔

減震孔的作用可以將因爆破引起的震動速度削減20 %～50 %，有效降低震感。對于本工程，可在河道南側(cè)河堤沿岸打設(shè)減震孔，布設(shè)5排(每排長為150 m)共計(jì)1 875個減震孔?？拙W(wǎng)參數(shù)根據(jù)鉆孔設(shè)備和其它條件，取減震炮孔直徑D=115 mm，取孔距a=0.4 m，排距b=0.4 m，鉆取深度取25 m(確保大于爆破鉆孔超深值)。打減震孔利用炸礁船(宏大鉆一)進(jìn)行水下鉆孔，船上配有4臺空壓機(jī)和8臺鉆機(jī)，鉆孔效率高。減震孔布置示意如圖6所示。

圖6 減震孔布置示意

4.4 分區(qū)域爆破

一期基槽施工每次爆破總藥量不超過500 kg，受限于每日只有兩次爆破時間的限制，如進(jìn)一步降低藥量，將會嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。因此，通過將爆破區(qū)域分成兩個區(qū)域，分兩次間隔起爆，從而降低每次起爆藥量，達(dá)到降低爆破振動的目的。

4.5 防噪措施

嚴(yán)格控制爆破作業(yè)時間，施工現(xiàn)場的強(qiáng)噪聲機(jī)械設(shè)置封閉的機(jī)械棚，以減少強(qiáng)噪聲的擴(kuò)散。試爆時對爆破環(huán)境噪聲的進(jìn)行監(jiān)測，及時對施工現(xiàn)場噪聲超標(biāo)的有關(guān)因素進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到施工噪聲不擾民的目的[9]。

5 結(jié)束語

本文基于佛山市汾江路南延線工程沉管隧道工程實(shí)例，對沉管隧道水下炸礁施工方案優(yōu)化及安全控制進(jìn)行了深入的研究，解決了水下爆破對周圍環(huán)境影響管控及鉆孔作業(yè)深度需求深等問題。對水下炸礁方案進(jìn)行了詳細(xì)探討，提出了新的水下炸礁方案，解決了鉆孔技術(shù)要求、人員組織及危險(xiǎn)控制的難題, 同時又大大節(jié)約了工期。本工程爆破施工區(qū)橫穿東平水道，過往船只較多，給施工航道避讓協(xié)調(diào)及爆破前警戒帶來不便的問題也得以破解。綜上所述，佛山市汾江路南延線工程沉管隧道過程中的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為以后沉管段水下炸礁施工方案設(shè)計(jì)優(yōu)化積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

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[定稿日期]2017-06-21

胡勇前(1972～)， 男，高級工程師，研究方向?yàn)闃蛄号c隧道工程項(xiàng)目管理與技術(shù)優(yōu)化。

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