水中掘削および発破作業の改善戦略と技術的方法
水中掘削と発破を改善するためのいくつかの理論的および技術的対策
1 はじめに
水中掘削・発破工事は、施工中に水面下に水層が存在するため、岩盤表面の組織、カルスト亀裂などの構造状況や発破効果を直接観察できないため、施工がより困難であることは周知の事実です。水域における急流、横流、渦流などの悪条件の流動状態、そして岩盤表面を覆うシルトや砂利も、水中掘削・発破掘削工事をより困難なものにしています。
爆発物の爆発は高速化学反応現象です。一般的な民生用爆発物の爆発速度は3500～5000m/sに達し、空気衝撃波、水衝撃波、地震波などの大きな応力を伴います。これらの応力は、爆発地点付近の人、動物、船舶、建物の安全を脅かし、損害を与える可能性があるため、十分な注意が必要です。
爆薬が媒体（岩石）内で爆発する際の主な特徴は2つあります。1つ目は、爆薬が掘削孔の岩石内で爆発すると、高温、高圧、高速の爆発力が発生し、爆発点の最小抵抗線の方向に噴出することです。この特徴は、爆薬の量と方向性のある発破を計算する主な理論的根拠です。2つ目は、爆薬が岩石内で爆発した後、内側から外側に向かって圧縮破砕円、投げ込み破砕円、緩み損傷円、割れ振動円を生成することです。これは、発破孔で使用する爆薬の量、発破孔の間隔、列の間隔を計算する理論的根拠です。
2 水中掘削および岩礁発破プロジェクトにおける発破孔内の爆薬量の計算に関連するいくつかのパラメータの正しい選択
我が国は1970年代から、水中掘削や岩礁発破に海外からダウンザホール掘削リグを導入してきました。ダウンザホール掘削リグのインパクター（インパクトハンマーとドリルビットの組み合わせ）は常に岩盤の表面と内部に配置されているため、衝撃エネルギーの損失が非常に少なく、衝撃掘削効果は非常に高いです。そのため、水中掘削と発破は、水路における水中岩礁発破プロジェクトにおいて、最も重要かつ最も効率的な施工方法となっています。
水運工学技術仕様では、発破孔の充填量の計算式は次のとおりです。
最初の列の爆破孔の電荷 Q=0.9baH。
後列の爆破孔の充填量 Q=q.バ。
上記の式では、
Q----発破孔充填量（kg）
a----発破孔間隔（m）
b----発破孔列間隔（m）
H. ----設計掘削岩層厚、算出された超深値の厚さを含む（m）。
q. ----水中岩礁発破装置の爆薬消費量（kg/m3）は経験値であり、選択にあたっては水上交通工程技術仕様の表2.3.2を参照してください。
上述の発破孔充填量の計算式は、主に発破後の砕石量（超深砕石量の計算を含む）、石材の単位爆薬消費量、および経験係数の積によって決定されます。計算式は簡潔で明確ですが、発破孔充填量を実際の状況に適合させ、発破孔充填量による発破エリアの残留石材や石稜線、発破後の石材の過度の粗さによる掘削効率やスラグ除去効率への影響、または石材の過度の破砕による爆薬消費コストの増加を回避するために、以下の関連パラメータを正しく選択する必要があります。
2.1 発破孔長さL.パラメータ
"仕様"では、水中ボーリング孔の底標高は同じ列の孔の底標高と同じで、充填長さは孔深の2/3〜4/5にする必要があります。小さい方の値は軟岩に使用され、大きい方の値は硬岩に使用されます。ここで重要な問題は、計算された発破孔充填量が、充填長さが発破孔深の2/3〜4/5であるというパラメータ要件を満たすかどうかです。水中リーフ発破の施工実務では、発破孔の直径が小さすぎるか、線装填爆薬の直径と発破孔の直径の比が0.80未満であるため、発破孔の充填長さが発破孔の深度の2/3〜4/5という要件よりも大きくなることがよくあります。つまり、発破孔に装填した後、発破孔には装填長さ分の十分なスペースがなく、発破孔の深さでさえ計算された装填量を収容することができません。発破孔装填物の長さが長すぎると、発破エリアに残留石や石の隆起が発生することが多く、発破が不完全になります。上記の問題を変更して克服するための主な対策は、発破孔の直径を適切に大きくするか、発破孔装填物のロール包装の品質を向上させるか、ロールの外側に結ばれた竹の厚さを適切に減らすか、ロール包装として硬質プラスチックチューブを使用して装填物のパッケージの直径を効果的に大きくし、装填物のパッケージの直径≥発破孔直径を使用することです。
2.2 ブラストホールオーバードリリング深度hのパラメータ
発破孔の過剰掘削深度とは、設計掘削岩の厚さ以下の過剰掘削深度値を指し、計算による過剰深度値（陸上掘削の場合は0.2m、水中掘削の場合は0.4m）を含みます。発破孔の直径、間隔、列間隔、発破孔充填量などの経験的係数に基づいて設計発破漏斗サイズを形成することによって決定されます。仕様"hの過剰掘削深度値hは、1.0〜1.5mのパラメータとして選択されます。このパラメータには理論的根拠と経験的要因の両方がありますが、建設の実際では、発破孔充填量長さLが現れます。値が掘削孔径の2/3〜4/5を超えると、発破効果は一般的に悪くなります。この矛盾を解決するため、掘削深度を2.0～2.2m、あるいは3～4mまで深く掘り下げる試みがなされてきましたが、掘削孔の充填量によって盲目的に掘削深度が深くなっていきます。しかし、実際には、底岩が過度に破砕されるだけでなく、表層岩塊が大きすぎるため、掘削とスラグ除去が困難になり、二次発破が必要となる場合が多く、水中岩礁発破における単位爆薬消費量と工事コストが大幅に増加するという問題がありました。
2.3 水中リーフ発破における爆薬消費量と発破孔間隔、列間隔などのパラメータの調整
水中岩石の硬度、成層構造、組織、溶岩の亀裂、水深などの複雑な地質地形的要因により、水中岩礁発破プロジェクトで高い利益を達成するための最も信頼性が高く基本的な対策は、大規模な発破掘削工事の前、または工事の初期段階で、小面積（100〜600平方メートル）の石層に対して掘削、発破、掘削、スラグ除去のテストを実施し、発破後の実際の効果をタイムリーに確認することです。発破後の石スラグが粗すぎる、機械掘削およびスラグ除去の効率が低い、残留石スラブおよび石棟の発破が不完全、発破後の石スラグが過度に破砕されている、単位爆薬消費量が多すぎるなどの不利な条件がある場合は、発破後の良好な効果が得られるまで、実際の状況に応じて発破孔の間隔、列間隔、過剰掘削深さ、単位爆薬消費量を適切に調整する必要があります。
3 水中サンゴ礁発破の実際の効果を高めるためのいくつかの技術的対策
3.1 掘削位置
水中岩礁発破のために設計された水路では、各発破孔の位置を正確に配置することが、発破の見落としや重複を防ぐための基本的な対策です。経験上、1/100～1/300スケールの水路地形図とトータルステーションを使用して掘削の位置を特定し、配置するのが最適です。水準器を使用したり、巻尺で直接距離を測定して位置を特定し、配置することは適切ではありません。発破孔の位置が設計位置から0.2m以内であることを確認してください。発破孔の実際の位置がカルスト溝などの地質条件が悪く、掘削が不可能な場合は、計画された掘削位置に近い適切な場所で掘削を行う必要があります。
3.2 発破回数を最小限に抑える対策
大規模な掘削・発破工事において、掘削・発破のたびに境界岩盤に発生する亀裂は、次回の正常な掘削効率やスラグ除去効率に様々な影響を与えます。例えば、ある埠頭で数十平方メートルの橋脚基礎石2基の掘削・発破工事を行った際、狭い範囲で1～2孔ずつの掘削という不適切な方法で多層発破を行ったため、掘削・発破効率が極めて低く、工期とコストが計画の2倍以上となりました。そのため、積込・配線発破の対策を強化し、大規模な発破の発破回数を最小限に抑えることは、作業効率を向上させる効果的な対策となります。
3.3 大規模発破の精度向上策
3.3.1 雷管の量的爆発と送電線の接続の問題による発破孔パッケージの盲爆破の発生を防ぐために、発破前に雷管と送電線の量的爆発を厳密に検査することに加え、各発破孔の爆薬パック間の間隔に少なくとも2本の起爆コードを入れることが実践で証明されており、これは水中の岩礁発破の精度を向上させる効果的な対策の1つです。
3.3.2 大規模な面積と複数のボーリング孔を発破する前に、必ず発破ネットワーク設計を行う必要があります。ネットワーク設計では、ボーリング孔起爆用の雷管と電線の材質、回線接続方法、爆薬パッケージの防水性能を考慮する必要があります。発破シミュレーションテストを実施して、タイムリーにネットワーク設計を最適化する必要があります。現在、複数のボーリング孔ネットワークを起爆する場合、複数のプラスチック起爆コードを並列に接続し、8＃電気雷管または雷管と組み合わせて起爆するのが一般的です。複数のプラスチック起爆コードが並列に接続されているため、電気雷管による起爆の信頼性は、それらすべてが正確に起爆することを保証するのが難しく、正確率を向上させるために、電気雷管の数を増やすか、小さな爆薬パッケージを追加して起爆することができます。さらに、最も重要な発破ネットワークでは、爆轟コードを直接使用し、さらに、打撃爆轟用の複数のボーリングホールグループを並列または直列に接続するなどの手段を採用しています。
3.3.3 発破区域の水面が複雑な場合は、ネットワークの接続と検査を容易にするために、複数のブイの水面に発破ネットワークラインを配置し、急激な流れによってワイヤーが外れて爆発するのを防ぎます。
3.4 微小差発破技術の活用策
爆破孔への爆薬投入をミリ秒単位で遅延させるマイクロ差発破技術は、最大断面（ショット）内の爆薬量を可能な限り低減し、地震波や水衝撃による近隣の建物や船舶の安全への脅威を効果的に低減するだけでなく、各マルチホール大面積でマイクロ差遅延発破を実施すると、各爆破孔の発破によって発生する地震波がずらされるため、地震応力の重なりが低減し、岩石破砕や機械スラグ除去の効率向上につながります。
4 結論
水中リーフ発破は、大規模なエンジニアリングを伴う特殊な水輸送プロジェクトです。施工においては、「水輸送エンジニアリング技術仕様書」を厳格かつ正確に実施することが、高品質で効率的なプロジェクトエンジニアリングを実現するための重要な保証となります。「仕様書」に記載されている様々な計算パラメータと技術対策を具体的に適用する際、施工前の小規模試験、あるいは施工実務において、各現場の工学地質や水理特性などの異なる条件に応じて継続的に総括・修正することで、真に価値のあるパラメータと技術対策を得ることができます。
