冰冻浅水钻孔爆破技术及应用研究.pdf

爆破器材990 6 0 4 爆破器材 EXPLO SI VE M A T ERI A LS 1999年 第2 8 卷 第6 期 Vo l . 2 8 No . 6 1999 冰冻浅水钻孔爆破技术及应用研究 李泽华 白春华 蒲加顺 马铁慧 林大泽 ［摘 要］ 文章通过分析现有浅水钻孔爆破的现状，对处理浅水间断面水下爆破技术进 行了研究。应用表明，这种技术在严冬季节施工中具有良好的技术经济指标。 ［关键词］ 钻孔爆破 浅水水下爆破 覆盖层 A Study on the Technique and Application of Drilling and Blasting Operation under Frozen Shallow Water Li Zehua，Bai Chunhua，Pu Jiashun，Ma Tiehui，Lin Daze National Key Laboratory of Prevention and Control to Explosive Diseaster，Beijing Institute of TechnologyBeijing，100081） ［ABSTRACT］ In this paper，the technique of drilling and blasting dealing with the disconnected side under shallow water is studied．It is indicated that the application of the technology has better technological and economic indicators when it is proceeded in the severe winter ［KEY WORDS］ drilling and blasting，blasting under shallow water，burden 1 引言 近30 年来，深水钻爆技术的发展有了显著的突破。继7 0 年代水上自升式作业平台 问世后，又出现了遥控起爆技术。起爆器材和高威力炸药的抗水、耐高压性能的不断 提高进一步促进了深水爆破技术的发展。日本已在水深50 m 左右，流速2 m . s －1～4 m. s －1、浪高5 m 的水域成功地进行了桥墩基础的爆破开挖。我国也在最大水深35 m 的水域 实施了深水钻爆施工。与深水钻爆技术迅速发展形成对比的是，浅水爆破的技术几乎 没有新的尝试和突破。在简易钻孔爆破工作船无法施工的浅水域，通常是采用搭建平 台的方法进行施工。而水中平台既耗费大量的材料，又无法克服恶劣的气候条件和冬 季结冰环境等不利因素，致使施工效率低下，爆破成本增高。 2 浅水爆破现状分析 2 ．1 概述 水下炸礁常用裸露爆破和水下钻孔爆破技术进行施工。水底裸露爆破由潜水员或 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 1／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 49 爆破器材990 6 0 4 水面工作人员将药包安放在水底岩石表面进行爆破，主要利用炸药的猛度去破碎岩 石。其特点是操作简单，机动灵活，是6 0 年代以前常用的水下爆破方法。由于药包贴 在岩石表面，爆炸能量绝大部分散失在水中，因而每次爆破岩石厚度较小，爆破效果 极差，常需多次重复爆破才能达到预期目的。水底裸露爆破伴随有强烈的爆炸负效 应，致使这种方法仅限于施工环境良好的水域爆破零星小块石、孤石和暗礁时使用， 而在施工环境比较复杂的水域已逐渐被淘汰。 水下钻孔爆破充分利用装药在孔内爆炸时的猛度和爆轰产物破碎和抛掷岩石，具 有单位炸药消耗量小，爆炸能量利用率高，水中冲击波压力低，爆破效果好的特点。 随着施工机械和施工技术的迅速发展，以及近30 年发展起来的微差爆破、控制爆破、 预裂爆破、聚能爆破等新技术的注入，水下钻孔爆破技术在港口建设的大工程量和深 水域基岩开挖工程中起着日益重要的作用，并成为现代水下爆破技术的主导。 2 ．2 现有浅水钻孔爆破技术特点 潮位变化较小的浅水域水深小于1．5 m 时，简易钻孔爆破工作船因经常搁浅而无 法进行安全施工，传统的施工方法是搭建水上作业平台。岸边固定支架平台不仅需要 较长时间的准备工作，而且在爆破前还须拆除可能损坏的部分平台。因而消耗大量的 材料，使爆破成本居高不下。水中固定支架平台原理与岸边固定支架平台相似，使用 范围有限，同样消耗大量的材料。在严冬季节施工时平台搭建和爆破前的拆除工作难 度极大，爆破后机械设备清碴同样困难。水面冰层上固定支架平台成本低廉，但是钻 孔冰洞周围的冰层冻结周期要求不小于7 d ，这样一来，无法保证施工工期和人员、设 备的安全。 3 冰冻浅水钻孔爆破技术特点及设计 3．1 冰冻浅水钻孔爆破技术的特点 从经济和安全角度对常用浅水钻孔爆破技术分析可以看出，无论岸边固定支架平 台、水中固定支架平台，还是水面冰层固定支架平台，在经济和安全方面都有许多不 可取之处。我们借鉴围堰取水变水下爆破为陆上爆破的思想，设计出一种处理浅水间 断面岩石的爆破方法。用资源丰富的海滩细砂沿岸边登陆点向海中的浅水域填出一条 适当宽度的海上通道，通道的两边用编织袋装细沙填塞，以阻挡海水的冲蚀。严冬季 节的海面冰层将细沙冻结成冰冻砂砾，其坚硬程度足以承受施工设备和人员的重量。 将浅水钻孔爆破转换为具有较厚覆盖层或断层的陆上沟槽爆破，并在已经比较成熟的 陆上沟槽爆破技术基础上对水深变化和覆盖层影响进行研究，简化了传统的浅水钻孔 爆破技术。 水下钻孔爆破影响因素众多，与陆上爆破相比，水下爆破的理论与实践存在更大 的差距，爆破参数的优化设计研究工作目前还处于起步阶段。水下爆破的设计基本上 是沿用陆上爆破参数计算公式，另外考虑水深影响而进行系数修正。 在基岩中爆破开挖形成管沟，属于水下沟槽爆破的范围。冰冻砂砾覆盖层与水底基岩 的间断面处理技术成为研究的关键。根据资料［1、2 ］，沟槽爆破每排炮孔中间的炮孔 布置在两侧炮孔的前面为宜。每排炮孔装药量保持一致，以减少沟槽两侧岩石对爆破 漏斗的夹制作用，消除残留的根底。炮孔布置成平行四边形，如图1所示。 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 49 爆破器材990 6 0 4 （a ） （b ） （c ） 图1 炮孔布置示意图 （a ）钻孔布置平面图； （b ）沟槽截面；（c ）柱状钻孔 3．2 参数选取原则 炮孔直径与沟槽宽度的关系为 d ＝c ／6 0 （1） 式中 d 炮孔直径，m m ； c 沟槽宽度，m m 。 钻孔深度由设计底板标高确定，则H ＝h ＋Δh ，且 Δh ＝（0 ．10 ～0 ．15）h （2 ） 式中 H 实际钻孔深度，m ； h 设计开挖岩石深度，m ； Δh 超钻深度，m 。 抵抗线W 是影响爆破效果的一个重要因素，抵抗线过大会留下根底且大块率高； 抵抗线过小不仅增加钻孔工作量，而且浪费炸药和产生飞石。因此，在满足所确定的 炸药单耗条件下，通常用底盘抵抗线W 底这一参数代替最小抵抗线进行有关计算，以 保证沟槽底部能获得预期的爆破效果。由经验公式W ＝W 底＝（0 ．4～0 ．8 ）H 选择， 强风化岩石取较大系数，坚硬岩石取较小系数。 孔间距a 和排距b 与抵抗线的关系为 a ＝（1．0 ～1．5）W （3） f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 49 爆破器材990 6 0 4 a ＝（0 ．5～1．0 ）H （4） b ＝W （5） 单位炸药消耗量K 的选取须综合考虑岩石硬度、覆盖层厚度、回填冰冻砂砾硬度 和厚度，以及清碴机具对块度要求、岩石抛掷情况等因素，根据陆上沟槽爆破计算公 式，结合水深变化和覆盖层厚度影响而确定［1、2 ］ q ＝q 0μ （6 ） （7 ） 式中 q 0陆上中微风化花岗岩沟槽爆破单位炸药消耗量，k g . m －3； q 考虑水深变化和覆盖层影响的爆破单位炸药消耗量，k g . m －3； μ水深变化和冰冻砂砾覆盖层影响修正系数； m 常数（试验值为0 ．45）； β指数（试验值为0 ．33）； H 0孔底至冰冻砂砾表面距离，m ； W 最小抵抗线，m 。 根据资料［3、4］，单孔装药量等于每个炮孔控制的体积与单位炸药消耗量的乘 积，即 Q ＝q W a H （8 ） 4 应用实例 4．1 工程概况与水文地质 SZ36 -1二期开发项目管线登陆段水下炸礁工程位于辽东秦皇岛东部的辽宁省绥中 县高岭镇海域，施工范围如图2 所示。沿登陆点至拐点A 方向7 0 0 m 水底铺放管线，需爆 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 49 爆破器材990 6 0 4 破开挖一条底宽6 m 、顶宽6 m 、深2 ．5 m 的管沟，平均岩石厚度为3．4 m ，共计爆破 岩石142 8 0 m 3。爆区周围环境良好，海滩正北约10 0 0 m 有居民村庄，登陆点西侧8 0 0 m 是绥中港码头，东侧与管沟平行距离6 0 0 m 有海底光缆。施工工期为11月至次年1月， 共计90 d ，正处于东北沿海的最寒冷季节，施工难度较大。 图2 施工范围示意图 施工水域属辽东湾海岸水下岸坡地段，水底地势相对平坦，由北向南微倾。爆区 水深0 ．5 m ～6 ．0 m ，水深小于1．2 m 的管线段长17 5 m 。平均海水面为当地高程－0 ． 0 17 m ，平均高潮位0 ．15 m ，低潮位－0 ．45 m ；主导风向为NNW ，平均风速大于4． 8 m . s －1。据中海物探提供的钻孔柱状地质资料分析，表层为极薄的砂质覆盖层，需爆 破岩石层大多为中微风化混合花岗岩，岩石坚固系数为8 ～10 。 4．2 爆破参数计算（表1） 表1 各种爆破参数 H ／m Δh ／m H ／mH0／mW ／m a ／m b ／mμ q ／k g . m －3 Q ／k g . m －3 2 ．50 ．53．04．01．8 2 ．4 1．81．2 11．3317 ．2 3．00 ．63．64．62 ．12 ．8 2 ．1 1．2 31．352 0 ．5 5 技术及经济指标分析 浅水冰冻钻孔爆破抛开在水中搭建钻孔平台的落后方法，针对严冬季节浅水海滩 的气候条件，借鉴水下爆破中围堰抽水变水下爆破为陆上爆破的思想，在水中填筑一 条由岸向海延伸的通道。水中填砂冰冻后形成的冰冻砂砾变水下爆破为陆上爆破，使 复杂的浅水爆破施工技术大大简化，成为具有间断面和覆盖层的陆上沟槽爆破。 从经济上看，浅水冰冻钻爆技术具有优越的经济指标。中深水条件下的水下爆破 成 本为8 0 元.m －3～10 0 元. m －3，而采用浅水冰冻钻爆技术施工的成本包括两部分一 部分是填筑水上通道的冰冻砂砾运输成本，另一部分是陆上沟槽爆破的成本，两者之 和不超过40 元.m －3，成本减半。而爆破后的清碴可以在海上通道交叉进行，避免了挖 泥船浅水清碴困难的缺点，使其成本大幅度降低，因而经济效益显著。 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 49 爆破器材990 6 0 4 作者单位北京理工大学爆炸灾害预防控制国家重点实验室 北京，10 0 0 8 1 参考文献 1 St i g 1o f s s o n ．实用爆破技术．林大泽、李泽华等译．爆破 专辑 ；1993，10 2 杨光煦．水下工程爆破．北京海洋出版社．1992 3 R．古斯塔夫松著．齐景鑫等译．北京人民铁道出版社．197 8 4 冯叔瑜、马乃耀著．爆破工程．北京人民铁道出版社．198 0 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 49