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【摘 要】华能营口电厂二期工程中引水隧道、隧洞进口闸门井工程施工完成后，需要对隧洞前池进行水下炸礁作业。本文介绍了该工程的施工难点、施工设计方案、爆破技术参数和爆破网路的设计。实践表明，炸礁爆破工作取得圆满成功，为类似工程积累了经验。
【关键词】水下炸礁；拆除爆破；气泡帷幕
一、工程概况
华能营口电厂二期工程取水口工程中的引水隧洞工程、隧洞进口闸门井工程施工完成后，需要对闸门井区域止水围堰拆除及二期工程隧洞前池水下炸礁施工。二期隧洞前池部分基岩爆破高程-9.3m，边坡为1：0.75。水下爆破施工区域距离一期隧洞进口闸门井、二期隧洞进口闸门井洞较近，最近距离约12.3m，主要爆破施工区域位置平面位置示意图见图1-1。
图1-1 施工区域位置平面图
二、本项目施工难点及应对措施
2.1 施工难点。二期隧洞进口闸门井距水下爆破施工区域很近，并且闸门井的钢闸门已经安装，采取气泡帷幕减压的防护措施。
2.2主要控制点及应对措施
（1）二期隧洞进口闸门井。对二期隧洞进口闸门井产生影响的主要因素是爆破时产生的地震波及破碎石块。针对地震波的影响，控制爆破药量，采用差分爆破；为防止爆破过程中破碎的石块进入闸门井体内及損伤闸门井表面砼，在闸门井进水口处外侧设置防护网及在砼柱子上设置轮胎防护。
（2）二期隧洞进口闸门井中已安装的钢闸门。采用气泡帷幕减压措施对二期闸门井中已安装的钢闸门进行防护。
三、 爆破设计方案
3.1爆破器材的选择
本工程选用8#非电毫秒延期导爆管雷管和62#耐冻乳化炸药。
8#非电毫秒延期导爆管雷管雷管具有良好的抗雷电、杂散性电流能力，同时具有较好的抗水性，适用于较为复杂条件下的爆破。
乳化炸药直径φ85mm，药卷长度0.5m，线装药量为6kg/m。该炸药具有爆速快、爆力强、猛度高，抗水性能强、安全性能好等特点，适合于水下钻孔爆破及岩坎爆破。预裂爆破采用φ32小药卷。
3.2炮孔布置方式
炮孔布置宜按方形、矩形、三角形（梅花形）方式布孔。三角形布孔时可以取抵抗线和孔间距相等，也可以取抵抗线小于孔间距。从能量分布来看，三角形布孔比较理想，爆破效果较前两种形式都要好。因此，本方案选择三角形布孔方式。
3.3钻孔孔径、网孔参数选择
根据钻机设备情况，本工程爆破孔径为100mm。孔距a=2.3m，排距b=1.8m。为了保证爆破时不留根底，必须考虑一定的钻孔超深值，取h0=1.5m。
图2-1 水下炸礁炮孔布置图
3.4堵孔长度的确定
隧洞前池区域爆破，由于上部岩石为强风化岩，爆破时只需考虑底部岩石的爆破即可，上部岩石孔内不需要装药，因此，为了避免飞石冲出孔外，同时炸药能量能够得到充分利用，主炮孔堵孔长度应不少于3.5m，预裂孔堵孔长度为2m。
3.5炸药单耗计算
根据本工程装药结构及设计的孔排距，每米钻孔负担面积为4.14m，炸药线装药量为6kg/m，由此计算出炸药单耗为1.45kg/m3。
3.6装药结构及装药量计算
对于主炮孔，孔内采用φ85mm药卷连续装药，每个孔内装2发导爆管雷管，装在孔底1/3处。对于预裂孔，孔内连续装φ32小药卷，孔底1m加强一倍半药，为保证小药卷的可靠传爆，孔内药卷全部用导爆索与药卷紧密连接。
图2-2 装药结构图
水下钻孔爆破单孔装药量按下式计算：
式中：Q为炮孔装药量（kg）；q0为水下爆破单位炸药消耗量，根据爆破规范，对中等硬度岩石取q0=1.45kg/m3；a为炮孔间距（m），b为炮孔排距（m）；H0为设计开挖岩层厚度，包括计算超深值。经计算本工程单孔装药量为27kg。
3.7爆破网路设计
对于水下炸礁，采用统一孔内装10段导爆管雷管每排孔内装相同段号导爆管雷管，孔外分段的方式，实现孔间微差爆破控制技术。
图2-3 水下爆破网路图
四、二期隧洞进口闸门井中已安装的钢闸门防护的设计
为保护二期隧洞进口闸门井中已安装的钢闸门在爆破过程的的安全，本次爆破施工过程中采用了气泡帷幕的防护设计。
4.1 气泡帷幕设计原理与计算
爆破过程中对钢闸门产生影响的主要因素是爆破产生的冲击波，针对冲击波的影响，采取气泡帷幕减压的防护措施。其作用机理为爆破冲击波入射于水与气两相帷幕层时，由于气体的可压缩性质使冲击波的部分动能瞬间转化为受压缩气泡的内能，气泡内压力骤然升高，当冲击波波头过后，波尾压力下降到低于气泡压力时，气泡开始释放能量。
B.B.加尔基根据声学近似原理，假设冲击波沿帷幕的长度方向没有衰减，将水中冲击波视为平面冲击波，且忽略帷幕的厚度，并将空气和水的两相体看成均匀的连续介质。则水中冲击波降低的程度BP可表示为：
（1）
式中：—压力降低的程度；—作用到气泡帷幕上的水中冲击波压力（Pa）；—气泡所在深度的静水压（Pa）；—冲击波通过气泡帷幕后的压力（Pa）；—水的声阻抗（kg/m2s）；—两相介质的声阻抗（kg/m2s）。
两相介质的密度可表示为：
（2）
式中，—空气的密度（kg/m3）；—空气在两相介质中的体积比； —水的密度（kg/m3）。
对于混合两相介质中的低频声速，可按下面的公式进行计算：
（3）
式中：—水的表面张力系数；R0—气泡的半径（m）。忽略水的表面张力，且当时，即空气在帷幕中占有一定的体积时，并考虑到远远小于，可得： （4）
因此，（1）式可转换为：
（5）
由上式可以看出如下图4-1，气泡帷幕层的厚度和含气量多少对削减冲击波峰值压力有一定影响，气泡帷幕厚度大及气泡含量高，冲击波峰值降低越大。
Bp
图4-1 气泡帷幕降低水中冲击波压力结果图
4.2气泡帷幕设计
（1）气泡帷幕系统主要由两部分组成：供气系统和管道系统。供气系统主要是空气压缩机，通过空气压缩机产生的高压气体为管道系统提供气体形成帷幕。管道系统采用钢管，利用自身的自重，避免在供气过程中管道上浮。
（2）喷气管道设计原则是，尽可能提高单位时间内气泡在水域中的密度，采用的压缩空气的压力必须大于该处的水压和气泡上升的滑阻力之和。因此，需要采用较大的供气量和供气压力，使能在水域中形成喷射锥。本工程施工时采用了9立方的空气压缩机为供气系统。为增大帷幕的厚度，应延长气泡在水中停留的时间。由于小粒径气泡在水中滞留时间比较久，尽可能的采用较小的喷气孔经，缩小喷气孔间距。
（3）二期隧洞进口闸门爆破施工时，在井内部设置二根直径91mm喷气钢管，闸门井外侧设置一根。钢管上钻1.5mm双排孔（孔间距50-70mm）的喷气孔，两排喷气孔之间呈一定的发射角布置，使各排喷气孔喷出的气泡相互碰撞，既搅动水流又增加了帷幕的厚度。气泡帷幕钢管位置见图4-2。
图4-2 气泡帷幕钢管布置示意图
五、爆破施工工艺
5.1定位、钻孔
采用钻孔船水上钻孔，每个孔口位置及标高在打孔前用双频RTK型GPS测量定位，列表编号，记录孔口标高，并用油漆对孔口位置予以标识。预裂孔打孔时用JTZ-B2型多功能坡度测量仪确定打孔角度。对照设计孔底标高要求确定打孔深度，并逐孔做好相关数据记录。
5.2护孔
由于本爆破采用集中钻孔，集中装药爆破。因此，先钻成的孔放置时间比较长，因而炮孔保护是一项重要的工序，应保护好每一个炮孔。
（1）炮孔临时封堵：每个孔打完后，立即采Φ100的圆台木塞堵紧，并经常检查是否有松动或脱落现象，如有松动或脱落的及时予以打紧或补堵上。
（2）浮渣及石粉清除：每打完一排或一列孔后，尽早将孔口附近的浮渣及石粉清除干净，以防进入孔内或在风浪作用下移动于孔口周边。
5.3清孔
在装药前进行清孔，清完孔接着装药，清孔与装药平行进行。清孔时先用Φ100直径的测孔器，测量炮孔内径是否小于要求直径，孔底标高是否高于施工方案超深允许误差标高。如果孔底标高偏高，则采用风管吹清的方法进行清孔，直至达到孔深要求。清孔顺序与装药顺序相同，逐孔进行，清完后检测一个孔，符合要求后堵一个孔，如此往复进行。如果测孔器检测孔径、孔深均符合要求时，则直接堵孔或装药。
5.4装药
在装药前做好各项准备工作，选择好天气，利用2～4天好天气进行装药、起爆。装药顺序为从里排向外排进行，即由隧洞前池内侧向外侧进行。
装药方法：
（1）预裂孔：采用4～6cm宽青节竹皮，先用绳联结成10m，后将Φ32乳化炸药和导爆索绑在竹皮上，再将竹皮和炸药一起缓缓放入孔中。装好药后孔口进行堵塞。装完一个孔，堵一个孔。
（2）主爆孔：先将下一节炸药卷用Φ6mm尼龙绳将炸药卷捆紧，后螺旋连接3卷炸药，且缓慢放入孔中，边拉住尼龙绳，边接长炸药卷，边向孔内放入。顺直导爆管和尼龙绳，继续接长炸药卷，不断地向孔内放入。当确认炸药到达设计标高后，则用炮泥将孔口堵紧，并在孔外留好导爆管，并压砂袋予以保护。
在孔内装炸药时，要注意安放好起爆雷管，当每孔装2发起爆雷管，将雷管装在炮孔装药长度的2/3处，同时要保护好导爆管避免磨损。
5.5联网
当所有孔装药全部完成后，方可开始联网。联网是爆破前的最后一道工序。联网分从里排开始向外排、从两端向中间进行。联网全部完成后由负责联网人员进行检查复核，符合要求后方可进入起爆期。
5.6起爆
起爆时间先在白天的低平潮时间进行。起爆前对已联好的网路逐个节点进行全面检查，是否有松动或断裂，全部符合要求后方可起爆。起爆采用双发电雷管与起爆网路起点联接，放在网路以外无水的地方，用200m双支软电线接至陆域起爆站，起爆准备工作完成。起爆程序如下：
（1）安全警戒范围：对于游泳者1580m、潜水者1950m、木船310m，铁船180m，航行船舶1500m。
（2）起爆时，安排安全员在警戒区域进行警戒，安全员手拿高频喇叭，胳膊上佩带安全员袖标。
（3）水上派交通艇在安全警戒区进行巡逻，并鸣笛示警，时间10分钟，此时所有人员及船舶均停止施工作业，并撤离到安全警戒区范围以外；
（4）在确定人员、设备都撤离到危险区域以外后，交通艇发出起爆信号，起爆人员起爆；
（5）听到爆破声响并听到解除警报后，所有人员才能进入施工现场。在此之前，岗哨应坚持岗位，不准非检查人员进入危险区。
结语
华能营口电厂二期工程隧洞前池水下炸礁施工通过采取上述方法、措施，施工效果良好，工程质量符合要求。虽然炸礁产生的地震波、冲击波和波浪对周边环境特别是重要构筑物会产生一定的影响，但通过选择合适的爆破方法、確定最优爆破方案，并采取减少爆破不良效应的各种防护技术措施后，采用水下钻孔爆破方式，地震波、冲击波及飞石影响均能降低至最低程度，满足爆破安全的要求，保证了质量和工期的需要，可为同类施工提供借鉴。
参考文献：
[1] 中华人民共和国标准，爆破安全规程，GB6722-2003，北京：中国标准出版社，2004
[2] 国家经济贸易委员会，水利水电工程爆破施工技术规范，北京：中国电力出版社，2002
[3] 中华人民共和国交通部，爆炸法处理水下地基和基础技术规程，JTJ/T258-98，北京：人民交通出版社，2003
[4] B.B.加尔基（苏）等著，王中黔，吕毅等译.水下爆破工程【M】.北京：人民交通出版社，1992
【关键词】水下炸礁；拆除爆破；气泡帷幕
一、工程概况
华能营口电厂二期工程取水口工程中的引水隧洞工程、隧洞进口闸门井工程施工完成后，需要对闸门井区域止水围堰拆除及二期工程隧洞前池水下炸礁施工。二期隧洞前池部分基岩爆破高程-9.3m，边坡为1：0.75。水下爆破施工区域距离一期隧洞进口闸门井、二期隧洞进口闸门井洞较近，最近距离约12.3m，主要爆破施工区域位置平面位置示意图见图1-1。
图1-1 施工区域位置平面图
二、本项目施工难点及应对措施
2.1 施工难点。二期隧洞进口闸门井距水下爆破施工区域很近，并且闸门井的钢闸门已经安装，采取气泡帷幕减压的防护措施。
2.2主要控制点及应对措施
（1）二期隧洞进口闸门井。对二期隧洞进口闸门井产生影响的主要因素是爆破时产生的地震波及破碎石块。针对地震波的影响，控制爆破药量，采用差分爆破；为防止爆破过程中破碎的石块进入闸门井体内及損伤闸门井表面砼，在闸门井进水口处外侧设置防护网及在砼柱子上设置轮胎防护。
（2）二期隧洞进口闸门井中已安装的钢闸门。采用气泡帷幕减压措施对二期闸门井中已安装的钢闸门进行防护。
三、 爆破设计方案
3.1爆破器材的选择
本工程选用8#非电毫秒延期导爆管雷管和62#耐冻乳化炸药。
8#非电毫秒延期导爆管雷管雷管具有良好的抗雷电、杂散性电流能力，同时具有较好的抗水性，适用于较为复杂条件下的爆破。
乳化炸药直径φ85mm，药卷长度0.5m，线装药量为6kg/m。该炸药具有爆速快、爆力强、猛度高，抗水性能强、安全性能好等特点，适合于水下钻孔爆破及岩坎爆破。预裂爆破采用φ32小药卷。
3.2炮孔布置方式
炮孔布置宜按方形、矩形、三角形（梅花形）方式布孔。三角形布孔时可以取抵抗线和孔间距相等，也可以取抵抗线小于孔间距。从能量分布来看，三角形布孔比较理想，爆破效果较前两种形式都要好。因此，本方案选择三角形布孔方式。
3.3钻孔孔径、网孔参数选择
根据钻机设备情况，本工程爆破孔径为100mm。孔距a=2.3m，排距b=1.8m。为了保证爆破时不留根底，必须考虑一定的钻孔超深值，取h0=1.5m。
图2-1 水下炸礁炮孔布置图
3.4堵孔长度的确定
隧洞前池区域爆破，由于上部岩石为强风化岩，爆破时只需考虑底部岩石的爆破即可，上部岩石孔内不需要装药，因此，为了避免飞石冲出孔外，同时炸药能量能够得到充分利用，主炮孔堵孔长度应不少于3.5m，预裂孔堵孔长度为2m。
3.5炸药单耗计算
根据本工程装药结构及设计的孔排距，每米钻孔负担面积为4.14m，炸药线装药量为6kg/m，由此计算出炸药单耗为1.45kg/m3。
3.6装药结构及装药量计算
对于主炮孔，孔内采用φ85mm药卷连续装药，每个孔内装2发导爆管雷管，装在孔底1/3处。对于预裂孔，孔内连续装φ32小药卷，孔底1m加强一倍半药，为保证小药卷的可靠传爆，孔内药卷全部用导爆索与药卷紧密连接。
图2-2 装药结构图
水下钻孔爆破单孔装药量按下式计算：
式中：Q为炮孔装药量（kg）；q0为水下爆破单位炸药消耗量，根据爆破规范，对中等硬度岩石取q0=1.45kg/m3；a为炮孔间距（m），b为炮孔排距（m）；H0为设计开挖岩层厚度，包括计算超深值。经计算本工程单孔装药量为27kg。
3.7爆破网路设计
对于水下炸礁，采用统一孔内装10段导爆管雷管每排孔内装相同段号导爆管雷管，孔外分段的方式，实现孔间微差爆破控制技术。
图2-3 水下爆破网路图
四、二期隧洞进口闸门井中已安装的钢闸门防护的设计
为保护二期隧洞进口闸门井中已安装的钢闸门在爆破过程的的安全，本次爆破施工过程中采用了气泡帷幕的防护设计。
4.1 气泡帷幕设计原理与计算
爆破过程中对钢闸门产生影响的主要因素是爆破产生的冲击波，针对冲击波的影响，采取气泡帷幕减压的防护措施。其作用机理为爆破冲击波入射于水与气两相帷幕层时，由于气体的可压缩性质使冲击波的部分动能瞬间转化为受压缩气泡的内能，气泡内压力骤然升高，当冲击波波头过后，波尾压力下降到低于气泡压力时，气泡开始释放能量。
B.B.加尔基根据声学近似原理，假设冲击波沿帷幕的长度方向没有衰减，将水中冲击波视为平面冲击波，且忽略帷幕的厚度，并将空气和水的两相体看成均匀的连续介质。则水中冲击波降低的程度BP可表示为：
（1）
式中：—压力降低的程度；—作用到气泡帷幕上的水中冲击波压力（Pa）；—气泡所在深度的静水压（Pa）；—冲击波通过气泡帷幕后的压力（Pa）；—水的声阻抗（kg/m2s）；—两相介质的声阻抗（kg/m2s）。
两相介质的密度可表示为：
（2）
式中，—空气的密度（kg/m3）；—空气在两相介质中的体积比； —水的密度（kg/m3）。
对于混合两相介质中的低频声速，可按下面的公式进行计算：
（3）
式中：—水的表面张力系数；R0—气泡的半径（m）。忽略水的表面张力，且当时，即空气在帷幕中占有一定的体积时，并考虑到远远小于，可得： （4）
因此，（1）式可转换为：
（5）
由上式可以看出如下图4-1，气泡帷幕层的厚度和含气量多少对削减冲击波峰值压力有一定影响，气泡帷幕厚度大及气泡含量高，冲击波峰值降低越大。
Bp
图4-1 气泡帷幕降低水中冲击波压力结果图
4.2气泡帷幕设计
（1）气泡帷幕系统主要由两部分组成：供气系统和管道系统。供气系统主要是空气压缩机，通过空气压缩机产生的高压气体为管道系统提供气体形成帷幕。管道系统采用钢管，利用自身的自重，避免在供气过程中管道上浮。
（2）喷气管道设计原则是，尽可能提高单位时间内气泡在水域中的密度，采用的压缩空气的压力必须大于该处的水压和气泡上升的滑阻力之和。因此，需要采用较大的供气量和供气压力，使能在水域中形成喷射锥。本工程施工时采用了9立方的空气压缩机为供气系统。为增大帷幕的厚度，应延长气泡在水中停留的时间。由于小粒径气泡在水中滞留时间比较久，尽可能的采用较小的喷气孔经，缩小喷气孔间距。
（3）二期隧洞进口闸门爆破施工时，在井内部设置二根直径91mm喷气钢管，闸门井外侧设置一根。钢管上钻1.5mm双排孔（孔间距50-70mm）的喷气孔，两排喷气孔之间呈一定的发射角布置，使各排喷气孔喷出的气泡相互碰撞，既搅动水流又增加了帷幕的厚度。气泡帷幕钢管位置见图4-2。
图4-2 气泡帷幕钢管布置示意图
五、爆破施工工艺
5.1定位、钻孔
采用钻孔船水上钻孔，每个孔口位置及标高在打孔前用双频RTK型GPS测量定位，列表编号，记录孔口标高，并用油漆对孔口位置予以标识。预裂孔打孔时用JTZ-B2型多功能坡度测量仪确定打孔角度。对照设计孔底标高要求确定打孔深度，并逐孔做好相关数据记录。
5.2护孔
由于本爆破采用集中钻孔，集中装药爆破。因此，先钻成的孔放置时间比较长，因而炮孔保护是一项重要的工序，应保护好每一个炮孔。
（1）炮孔临时封堵：每个孔打完后，立即采Φ100的圆台木塞堵紧，并经常检查是否有松动或脱落现象，如有松动或脱落的及时予以打紧或补堵上。
（2）浮渣及石粉清除：每打完一排或一列孔后，尽早将孔口附近的浮渣及石粉清除干净，以防进入孔内或在风浪作用下移动于孔口周边。
5.3清孔
在装药前进行清孔，清完孔接着装药，清孔与装药平行进行。清孔时先用Φ100直径的测孔器，测量炮孔内径是否小于要求直径，孔底标高是否高于施工方案超深允许误差标高。如果孔底标高偏高，则采用风管吹清的方法进行清孔，直至达到孔深要求。清孔顺序与装药顺序相同，逐孔进行，清完后检测一个孔，符合要求后堵一个孔，如此往复进行。如果测孔器检测孔径、孔深均符合要求时，则直接堵孔或装药。
5.4装药
在装药前做好各项准备工作，选择好天气，利用2～4天好天气进行装药、起爆。装药顺序为从里排向外排进行，即由隧洞前池内侧向外侧进行。
装药方法：
（1）预裂孔：采用4～6cm宽青节竹皮，先用绳联结成10m，后将Φ32乳化炸药和导爆索绑在竹皮上，再将竹皮和炸药一起缓缓放入孔中。装好药后孔口进行堵塞。装完一个孔，堵一个孔。
（2）主爆孔：先将下一节炸药卷用Φ6mm尼龙绳将炸药卷捆紧，后螺旋连接3卷炸药，且缓慢放入孔中，边拉住尼龙绳，边接长炸药卷，边向孔内放入。顺直导爆管和尼龙绳，继续接长炸药卷，不断地向孔内放入。当确认炸药到达设计标高后，则用炮泥将孔口堵紧，并在孔外留好导爆管，并压砂袋予以保护。
在孔内装炸药时，要注意安放好起爆雷管，当每孔装2发起爆雷管，将雷管装在炮孔装药长度的2/3处，同时要保护好导爆管避免磨损。
5.5联网
当所有孔装药全部完成后，方可开始联网。联网是爆破前的最后一道工序。联网分从里排开始向外排、从两端向中间进行。联网全部完成后由负责联网人员进行检查复核，符合要求后方可进入起爆期。
5.6起爆
起爆时间先在白天的低平潮时间进行。起爆前对已联好的网路逐个节点进行全面检查，是否有松动或断裂，全部符合要求后方可起爆。起爆采用双发电雷管与起爆网路起点联接，放在网路以外无水的地方，用200m双支软电线接至陆域起爆站，起爆准备工作完成。起爆程序如下：
（1）安全警戒范围：对于游泳者1580m、潜水者1950m、木船310m，铁船180m，航行船舶1500m。
（2）起爆时，安排安全员在警戒区域进行警戒，安全员手拿高频喇叭，胳膊上佩带安全员袖标。
（3）水上派交通艇在安全警戒区进行巡逻，并鸣笛示警，时间10分钟，此时所有人员及船舶均停止施工作业，并撤离到安全警戒区范围以外；
（4）在确定人员、设备都撤离到危险区域以外后，交通艇发出起爆信号，起爆人员起爆；
（5）听到爆破声响并听到解除警报后，所有人员才能进入施工现场。在此之前，岗哨应坚持岗位，不准非检查人员进入危险区。
结语
华能营口电厂二期工程隧洞前池水下炸礁施工通过采取上述方法、措施，施工效果良好，工程质量符合要求。虽然炸礁产生的地震波、冲击波和波浪对周边环境特别是重要构筑物会产生一定的影响，但通过选择合适的爆破方法、確定最优爆破方案，并采取减少爆破不良效应的各种防护技术措施后，采用水下钻孔爆破方式，地震波、冲击波及飞石影响均能降低至最低程度，满足爆破安全的要求，保证了质量和工期的需要，可为同类施工提供借鉴。
参考文献：
[1] 中华人民共和国标准，爆破安全规程，GB6722-2003，北京：中国标准出版社，2004
[2] 国家经济贸易委员会，水利水电工程爆破施工技术规范，北京：中国电力出版社，2002
[3] 中华人民共和国交通部，爆炸法处理水下地基和基础技术规程，JTJ/T258-98，北京：人民交通出版社，2003
[4] B.B.加尔基（苏）等著，王中黔，吕毅等译.水下爆破工程【M】.北京：人民交通出版社，1992