管道工程在河流穿越施工中水下爆破成沟的应用

2014-12-16沙文忠於庆丰施德海

油气与新能源 2014年2期

沙文忠於庆丰施德海

（1.中国石化管道储运公司潍坊输油处；2.中国石化管道储运公司质监督站）

水下爆破与陆地爆破相比，由于其受到水流速度、潮汐、涌浪、水深的影响钻孔爆破施工难度大，工艺复杂，爆破材料的选用、工艺要求较高。在管道穿越九州江施工中采用水下钻孔爆破工艺技术，即，采用钻爆船设置作业平台，用全站仪对船定位，船首、尾方向与管槽轴线方向平行布设，利用钻具穿越水层对水下岩石进行钻孔爆破，确保水下爆破成沟符合设计要求。

1 水下爆破参数分析

首先，采用先进的水下摄影技术，在水下管槽位置，用水下摄影机将水下地形、地貌了解清楚；其次，根据水下具体情况及时确定钻孔数和爆破参数，对需要开挖的地下管带位置采用裸露爆破或钻孔爆破方式进行，明确钻孔爆破的工艺参数。在实际施工过程中，采取“三管两钻法”进行具体实施，即在船舶定好位后，先下导向管；其次放下套管；再根据岩石表面情况，如果比较破碎，则先对套管进行合金钻进；合金钻进至完整基岩后，提起钻具；下钻杆采用带有冲击负荷的回转钻，该钻机具有在钻进时可以提高钻速，又因在钻进中所需的轴向压力较小，转速较低，所以钻孔不易弯曲，孔内事故也较少，原材料的消耗低；所谓冲击回转钻进，即，采用潜孔锤和球齿钎头在水下孔内对岩石进行冲击破碎，同时进行回转，利用高压空气将所凿碎的岩粉从孔内沿双套管吹出孔外。双套管可防止覆盖物及钻孔岩粉回填至孔内，同时，较单套管更能适应水位变化的方式钻至设计底标高。最后采用挖泥船将爆破后岩石清运至指定位置，见图1。

爆破参数的确定主要根据JTS 204—2008《水运工程爆破技术规范》确定，主要包括钻孔孔距和排距，钻孔直径和超深。相关参数与炸礁区岩土分类、挖泥船清渣能力等因素密切相关。

一是，孔网参数的设置。孔距2.0m，排距2.0m，船位距2m，超深1.5m。

图1 钻机钻孔示意

二是，装药量的选定。为保证爆破效果，单个炮孔的装药量计算为：

式（1）中：Q——炮孔装药量，kg；q——炸药单耗，kg/m3，按经验10m以内水深取1.5kg/m3，水深及岩层较厚时适当加大；a——孔距，m；b——排距，m；H——设计开挖岩层厚度（包括计算超深值），m；f(n)——爆破作用指数的函数，取f(n)=1。

不同设计开挖岩层厚度的炮孔装药量见表1。

表1 不同设计开挖岩层厚度的炮孔装药量

实际操作中，按炮孔实际长度，上余留1m不装药，其他部分全部装药。炮孔装药量少于6筒时装一个起爆体，装在炸药长度下部约1/3处；装6筒以上时，装两个起爆体，各装在炸药长度的1/3和2/3位置。

1.1 炮孔布置

该次施工钻爆船钻孔平台安装了两台固定式钻机，每钻一排共2个孔，钻孔直径90mm，在管沟的横断面上布置三排孔，中间排在第25ms时起爆，第一个边排在75ms时起爆，第二个边排在150ms时起爆。一个爆破断面即一个船位钻3排，共6个孔。

1.2 装药及堵塞

为防止泥沙和石渣淤孔，钻孔完成后应立即装药。装药前，先检查孔壁的质量和孔深。再根据孔深确定采用起爆体的个数。当孔深H小于4m时，使用1个起爆体起爆，孔深H为4～8m时使用2个起爆体起爆。炸药装至离孔口约1m，留1m作为堵塞。

装药时采用装药杆将炸药推送至孔内，确认炸药装填到位后采用碎石进行炮孔堵塞，并保证堵塞长度不小于0.5m，不大于1.0m。

1.3 爆破网络设计与操作

采用排间微差起爆方式，中间一排先起爆，两侧次之。微差的顺序是：1、3、5。由于在水中爆破时，瞎炮率比较大。为避免产生瞎炮，每个炮孔应采用两点起爆。在炮孔的下部、上部各设1个起爆点，每个起爆点放2枚雷管。孔内并联，孔外串联。非电雷管共分MSl、MS3、MS5、MS7、MS9段。

连线可在钻孔船上进行。每一排的孔尾线分别绑扎在一竹竿上。要注意炮孔的次序与尾线绑扎次序相一致，以免网路连接出错。网路由最后一个接力组的连接雷管的尾线引至岸边，起爆电雷管在警戒完毕后才连接上网路。

2 水下爆破在九州江穿越中应用

2.1 穿越工程概况

在湛江港—廉江原油管道工程中，九州江穿越是关键控制点，其穿越成败直接关系到该工程是否能够顺利投产。由于九州江常年水流量较大，穿越管道埋深较深，管沟成形困难，穿越的790m中295m为属于石灰岩层的水下礁石，勘察揭露水下地形复杂，水下地形犬牙状交错，水下石笋星罗棋布，地形高差起伏大；水中礁石此起彼伏，突变位置多，石灰岩的裂隙十分发育，强度较高，基岩深度为11.6m，采用正常定向钻、大开挖均无法满足要求，经现场反复论证采用水下爆破成沟的方式进行。

2.2 主要施工难点

一是，河水面施工期间宽约220m，水深约5m，水流量较大。穿越段下有石灰岩需要进行水下爆破作业。管道穿越重点是保证管道埋深及管道防腐层不受破坏。

二是，地下水丰富，管道埋深较深，管沟成形困难。土质主要以砂层、卵石土、石灰岩为主，卵石层渗水系数高，河滩地段施工时需24小时进行抽排水工作，同时，石灰岩强度较高需要进行爆破作业。

三是，施工现场河岸两侧无直接通达道路，需另行修筑施工便道；进场道路路面狭窄，承载力低，施工材料、设备进场困难，为满足施工需求，需进行拓宽加固处理。

2.3 主要施工方法和要求

施工前，首先必须向航道、海事、公安部门申报水下爆破审批手续，待各部门批复后方可开工。水下爆破施工流程：钻孔船（钻机）定位；下套管；冲击、套管跟进、钻进；核定孔深；装药筒；拔出套管；钻孔船移至安全区；连接爆破网路；起爆；清碴检查。

测量控制：用全站仪、导标直角坐标系控制爆破范围。

基槽开挖方法：采用锚孔爆破方法破碎基岩，抓斗或长臂挖机取渣，汽车运至指定地点倾倒。

钻孔布置：钻孔根据河床地形布置。为使开挖周边根线轮廓平整，便于钢围堰准确就位，周边线钻孔间距取值较小、较密，中部岩体爆破则取较大值。

根据设计图纸资料、工期要求、现场踏勘情况，对九州江穿越采用如下施工方式：穿越共分A、B、C 3段进行，A段为主河道水下开挖、爆破管沟、漂浮沉管方式穿越，然后进行B段（河岸西侧）河滩地段及与A段连接施工，C段（河岸东侧）河堤处及与A段的连接施工，最后进行清管、试压、水工保护、地貌恢复等工作。

2.4 现场施工措施

一是，根据施工要求进行作业区的平整，四周用压型钢板围挡设置施工围栏。

二是，A段施工。由于九州江不通航，水下开挖及爆破施工船无法由水路进入。因此，水下施工所需的炸药及开挖船机均采用陆路调遣，运至现场后，再重新组装下水。

三是，管沟定位及测量。根据设计图纸在河面两端管道中心线上各设置两个定位观测点，方便使用经纬仪、水准仪等定位河床管沟位置、测量水位标高等。在管道中心线上每隔30m设置一导向标，以便管沟开挖时定位。管沟开挖前应针对每点深度进行计算，并在开挖时进行测量，用带标尺的测量杆进行深度测定。

四是，水下岩石爆破。对基层岩石采用水下钻孔爆破，管沟沟底宽度不得小于2.7m，坡比为1∶1，管沟应超挖0.2m。

五是，爆炸物品种类的选取。炸药采用防水性能较好的抗水型乳化炸药。雷管主要采用防水型非电导爆毫秒雷管，选取1、3、5段。炸药和雷管在使用前必须进行检验和试验，并进行防水处理，以确保性能和安全。

六是，炸礁船展布和定位。炸礁船首尾方向与管槽轴线方向平行，由河中间往岸边推进。炸礁船展布采用六缆定位法，定位时采用全站仪进行定位。

七是，盲炮防止及处理。每次爆破后，均应检查是否有盲炮，如有盲炮，应及时处理，并做好安全和警戒工作。因爆破网路而引起的盲炮，经检查和处理后，重新连线起爆；在药包附近投放裸露药包诱爆。

2.5 爆破有害效应分析及控制

爆破安全主要考虑“爆破公害”对周围环境的有害效应。该工程中主要考虑爆破地震对周围保护物及其他工序的影响，水中冲击波对在场施工船舶及其他水中保护对象的影响；浅水区礁石爆破时飞石的危害。

2.5.1 爆破地震波的计算与控制

爆破安全距离的计算，根据GB 6722—2011《爆破安全规程》：

式（2）中：R——爆破点与被保护建（构）筑物的距离，m；K——与爆破点地形、地质等条件有关的系数和衰减指数，结合该工程的地质情况，根据JTS 204—2008《水运工程爆破技术规范》的有关规定，对坚硬岩石取K=150，a=1.5；V——爆破地震安全速度，该工程中村庄取V=1cm/s；Q——一次起爆炸药量，kg，微差起爆时取最大一段的装药量。

2.5.2 水中冲击波的安全距离

根据JTS 204—2008《水运工程爆破技术规范》，工程施工中，起爆前应将警戒范围水域内的船舶、人员远离施工区。根据工程的实际情况设置以爆点为中心，半径200m为警戒圈。在爆破警戒圈边界设置标志，明确以施工船为中心的爆破警戒指挥系统，保证警戒过程中信息联系畅通，确保爆破安全万无一失。

施工中采取爆破一段即清碴一段的控制方法。一方面，用清碴施工检验爆破质量和初定爆破参数和技术措施的合理性；另一方面，从清碴施工中及早发现质量问题，及早采取有效应对措施，对爆破参数和技术措施进行必要的调整修正。

该工程共计爆破500m，爆破量10 340.0m3。水下岩石爆破完成后，及时对管沟内石方进行清理，清理的石方用船运至岸上统一处理。