對(duì)爆炸法處理軟土地基技術(shù)中炸藥作用的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

李永和，韋昌富，陳 盼，王吉利，陳 林，于桓飛

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020；2.巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071；4.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，可利用的土地資源日趨緊缺，為了有效緩解這一矛盾，社會(huì)活動(dòng)不斷向沿海地帶聚集，各類工程建設(shè)數(shù)量日益增長。而在沿海地區(qū)廣泛存在著厚度不等的淤泥或淤泥質(zhì)軟土層，建設(shè)安全可靠的工程，必須對(duì)軟土層進(jìn)行處理，以構(gòu)筑各種圍堤基礎(chǔ)。目前常用技術(shù)為排水板法和爆炸擠淤置換法，相對(duì)排水板法，爆炸擠淤置換法處理軟基工后沉降量較小，工期較短，因此，用爆炸擠淤置換法處理軟基的工程日漸增多。爆炸擠淤置換法處理較淺層淤泥（堤身為落底結(jié)構(gòu)，即堤身落在持力土層上）軟基的技術(shù)已成熟，早期提出的爆破排淤填石法所能處理的淤泥厚度較淺，一般不超過12 m，并要求軟基上有覆蓋水層[1-2]。如今隨著沿海建設(shè)的發(fā)展，越來越多地遇到深厚淤泥層需處理，如采用落底式結(jié)構(gòu)，費(fèi)用相當(dāng)巨大或者難以實(shí)現(xiàn)，目前逐步采用的懸浮式結(jié)構(gòu)[3-4]（填料部分置換軟基，堤身不落底到持力層），需經(jīng)大規(guī)模工程實(shí)踐驗(yàn)證，其中許多機(jī)理有待進(jìn)一步探索。本文結(jié)合懸浮式海堤工程結(jié)構(gòu)（所依托的海堤長度超過5 000 m，最大置換深度超過30 m）爆炸擠淤置換法施工過程中的爆炸參數(shù)、拋石填量和爆炸前后海堤拋石的沉降變化等實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)其中的相關(guān)性進(jìn)行分析探討，研究成果對(duì)此領(lǐng)域的實(shí)踐和研究具有參考和指導(dǎo)意義。

爆炸擠淤置換法的原理是在堤頭預(yù)先拋填混合石料，在拋填堤頭前方6～8 m埋置炸藥包群，埋置深度為涂面下6～8 m；起爆后，產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)及石料在軟土地基上或地基中所產(chǎn)生的附加應(yīng)力超過土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體產(chǎn)生破壞，石料在自重作用下，淤泥被擠出，石料下沉，達(dá)到預(yù)定的落底深度，從而提高深厚軟土層的承載能力。即使使用爆炸擠淤置換法處理淤泥質(zhì)軟基，由于深厚軟土層的特性、施工工藝的限制與節(jié)約成本的考慮，回填海堤的底部并未落在深處、承載力較高的土層上，而是落在承載力并不是很高的上伏深厚軟土層中，成為所謂的懸浮式結(jié)構(gòu)。

為了解爆炸擠淤置換法在海堤建造過程中的內(nèi)在關(guān)系，在爆炸前后對(duì)海堤斷面進(jìn)行測量，爆炸前首先測量拋石體的堤頭橫斷面（垂直于堤軸線）及堤身縱斷面（自堤頭沿堤軸線）外輪廓高程，符合設(shè)計(jì)的拋填參數(shù)后再起爆，爆炸后再次測量堤頭橫斷面及堤身縱斷面外輪廓高程，用于對(duì)比爆炸產(chǎn)生的瞬時(shí)變化（沉降），以便分析爆炸與海堤施工的機(jī)理內(nèi)涵。

2 爆炸對(duì)海堤沉降的影響程度分析

浙江省玉環(huán)市漩門三期圍墾工程，是至今省內(nèi)一次性圍涂面積最大的圍墾工程，總圍涂面積4 530 hm2（6.795萬畝）。漩門三期圍墾工程位于玉環(huán)市（2017年4月玉環(huán)撤縣設(shè)市）東北的漩門灣，東瀕東海，南接玉城、坎門街道，西鄰蘆浦鎮(zhèn)，北靠龍溪、干江2鎮(zhèn)。海堤總長5 352 m，由南向北分為坎門海堤（325 m）、珠港海堤（4 077 m）、干江海堤（950 m）3段。海堤基礎(chǔ)軟基設(shè)計(jì)置換深度27 m，基礎(chǔ)底寬28 m，最大腰寬超過70 m。珠港海堤段軟基最深，超過40 m，涂面高程-4.40～-3.00 m。其中，干江海堤、珠港海堤基礎(chǔ)處理采用爆炸擠淤置換法，珠港海堤南段1 520 m（涂面高程較低）為Ⅰ標(biāo)海堤，珠港海堤北段2 557 m（涂面高程次于Ⅰ標(biāo)）為Ⅱ標(biāo)海堤。海堤地基土層主要由Ⅰ層淤泥夾粉土、Ⅱ?qū)佑倌?、Ⅲ淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、Ⅳ層黏土夾粉細(xì)砂等組成。

用爆炸擠淤置換法處理淤泥（質(zhì)）軟基，拋石體置換淤泥（質(zhì)）軟基的深度為16～30 m，最大置換軟基深度30.8 m。炸藥包一般埋設(shè)在泥面以下8 m左右，單包炸藥量最大為40～50 kg，僅利用炸藥包的爆炸作用將淤泥排除（形成空腔使拋石下落充填）至30 m的深度，是不可能實(shí)現(xiàn)的。爆炸擠淤置換法主要是利用多次“炸藥爆炸——拋石下沉”的疊加效應(yīng)，再加上拋石體的自沉累計(jì)深度，最終擠淤達(dá)到拋石體的置換深度。經(jīng)分析現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，得出以下規(guī)律：

（1）Ⅰ標(biāo)海堤堤頭爆炸沿海堤水平方向影響范圍超過51 m，按每次起爆堤頭拋石進(jìn)尺5 m計(jì)，對(duì)堤身同一斷面的瞬時(shí)沉降影響可達(dá)9個(gè)炮次，逐次堤頭炮爆前和爆后瞬時(shí)沉降量對(duì)比疊加深度為16.29 m（見表1），約為海堤鉆探檢測落底深度（拋石置換軟基，下同）的57%，其余43%的深度由自沉累計(jì)沉降產(chǎn)生。與炸藥包距離不同，拋石沉降差異明顯。一次堤頭炮爆炸產(chǎn)生的拋石瞬時(shí)沉降數(shù)據(jù)中，距炸藥包8 m處，一次沉降420 cm的頻次最高；距炸藥包21 m處，一次沉降217 cm的頻次最高；距炸藥包36 m處，一次沉降116 cm的頻次最高；距炸藥包51 m處，一次沉降67 cm的頻次最高。沉降值的分布情況見圖1。

表1 Ⅰ標(biāo)海堤逐次堤頭炮沉降量疊加統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表 cm

圖1 Ⅰ標(biāo)海堤沉降量直方圖

（2）Ⅱ標(biāo)海堤堤頭爆炸沿海堤水平方向影響范圍約39.8 m，按每炮堤頭拋石進(jìn)尺5 m計(jì)，對(duì)堤身同一斷面的瞬時(shí)沉降影響可達(dá)7個(gè)炮次，逐次堤頭炮爆前和爆后瞬時(shí)沉降量對(duì)比疊加深度為11.27 m（見表2），約為海堤鉆探檢測落底深度的44%，其余56%的深度由自沉累計(jì)沉降產(chǎn)生。與炸藥包距離不同，拋石沉降差異明顯。一次堤頭炮爆炸產(chǎn)生的拋石瞬時(shí)沉降數(shù)據(jù)中，距炸藥包8 m處，一次沉降375～406 cm的頻次最高；距炸藥包18 m處，一次沉降189 cm的頻次最高；距炸藥包28 m處，一次沉降55～86 cm的頻次最高；距炸藥包38 m處，一次沉降26 cm的頻次最高。其沉降值的分布情況見圖2。

圖2 Ⅱ標(biāo)海堤沉降量直方圖

表2 Ⅱ標(biāo)海堤逐次堤頭炮沉降量疊加統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表 cm

（3）干江海堤堤頭爆炸沿海堤水平方向影響范圍約33.6 m，按每炮堤頭拋石進(jìn)尺5 m計(jì)，對(duì)堤身同一斷面的瞬時(shí)沉降影響可達(dá)6個(gè)炮次，逐次堤頭炮爆前和爆后瞬時(shí)沉降量對(duì)比疊加深度為6.35 m（見表3），約為海堤鉆探檢測落底深度的38%，其余62%的深度由自沉累計(jì)沉降產(chǎn)生。與炸藥包距離不同，拋石沉降差異明顯。一次堤頭炮爆炸產(chǎn)生的拋石瞬時(shí)沉降數(shù)據(jù)中，距炸藥包8 m處，一次沉降271 cm的頻次最高；距炸藥包15 m處，一次沉降142 cm的頻次最高；距炸藥包20 m處，一次沉降69 cm的頻次最高；距炸藥包30 m處，一次沉降31 cm的頻次最高。其沉降值的分布情況見圖3。

表3 干江海堤逐次堤頭炮沉降量疊加統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表 cm

圖3 干江海堤沉降量直方圖

續(xù)表3

通過現(xiàn)場情況分析，瞬時(shí)沉降量越大，由瞬時(shí)沉降量所占累計(jì)沉降量的比例越大，自沉量越小，工后沉降量越小，沉降期越短；反之，瞬時(shí)沉降量越小，瞬時(shí)沉降量占累計(jì)沉降量的比例越小，自沉量越大，工后沉降量越大，沉降期越長。

3 海堤拋石數(shù)量與炸藥數(shù)量的關(guān)系

根據(jù)1999年5月1日實(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ/T 258——98《爆炸法處理水下地基和基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》[2]，其中“4.1.1爆破排淤填石是在拋石體外緣一定距離和深度的淤泥質(zhì)軟基中埋放藥包群，起爆瞬間在淤泥中形成空腔，拋石體隨即坍塌充填空腔形成‘石舌’，達(dá)到置換淤泥的目的……”。從中可以得出，炸藥數(shù)量決定拋石體所填充的空腔大小，規(guī)范推薦的炸藥用量，是當(dāng)HS（泥面以上填石厚度，m）與Hm（置換淤泥厚度，m）的比值為0.8～1.2時(shí)，爆破排淤填石炸藥單耗q0（爆除單位體積淤泥所需的炸藥量，kg/m3）為0.6～0.8 kg/m3?，F(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 204——2008《水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范》中，有關(guān)“爆破排淤填石”的內(nèi)容大體沿用原規(guī)程[2]的核心內(nèi)容。

在采用懸浮式海堤工程結(jié)構(gòu)的施工建造過程中，發(fā)現(xiàn)利用爆炸法置換淤泥的機(jī)理及炸藥用量和上述規(guī)范內(nèi)容差異甚大，實(shí)踐中炸藥用量（炸藥單耗量）與拋石體落底的深度及置換淤泥的體積并非成正比。炸藥只是一個(gè)觸發(fā)因素，炸藥爆炸的作用使淤泥和拋石體之間的臨界平衡狀態(tài)被打破（產(chǎn)生淤泥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度瞬間弱化的跡象，目前尚無法給出定量的解釋，下同），拋石體在自重荷載作用下將淤泥擠開達(dá)到置換淤泥的目的。爆炸前拋石體積越大、質(zhì)量越大，爆后拋石體沉降深度、置換淤泥的體積就越大。漩門三期圍墾工程的海堤分為Ⅰ標(biāo)海堤、Ⅱ標(biāo)海堤、干江海堤，其具體分段和地質(zhì)條件情況見參考文獻(xiàn)5，根據(jù)各堤頭炸藥單耗量X（每次堤頭起爆炸藥量/每次堤頭起爆拋石體總量，kg/m3；炸藥量含海堤側(cè)爆的藥量，未包含爆夯的藥量）和海堤堤頭拋石量（每次堤頭起爆拋石體總量/拋石進(jìn)尺，m3/m）的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，兩者關(guān)系十分密切，函數(shù)關(guān)系及相關(guān)性見表4。

表4 海堤炸藥量與拋石量相關(guān)關(guān)系分析表

實(shí)施中首先在干江海堤進(jìn)行爆炸擠淤試驗(yàn)，最初上堤拋石體的數(shù)量為每斷面方（m3/m）按1.8 t計(jì)拋，爆后經(jīng)鉆孔探摸，懸浮式海堤拋石體落底深度未達(dá)到設(shè)計(jì)深度，而堤頭起爆炸藥量最大為540 kg，最大單耗藥量為0.24 kg/m3。經(jīng)分析認(rèn)為所選用的上堤拋石體數(shù)量不足，在隨后Ⅰ標(biāo)海堤、Ⅱ標(biāo)海堤施工中，上堤拋石體的數(shù)量調(diào)整后為每斷面方按2.1 t計(jì)拋。調(diào)整方案施工后，鉆孔探摸表明懸浮式海堤拋石體落底深度均達(dá)到設(shè)計(jì)深度。干江海堤設(shè)計(jì)平均斷面方為806 m3/m，Ⅰ標(biāo)海堤和Ⅱ標(biāo)海堤是同一條海堤，Ⅰ標(biāo)海堤設(shè)計(jì)平均斷面方為1 592 m3/m，Ⅱ標(biāo)海堤設(shè)計(jì)平均斷面方為1 347 m3/m，將3段海堤堤頭爆炸藥量和拋石量的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行比較，其擬合趨勢見圖4。拋石量在600 m3以下時(shí)，爆炸擠淤堤頭炸藥單耗量干江海堤最大，Ⅱ標(biāo)海堤次之，Ⅰ標(biāo)海堤最小，變化趨勢和海堤平均斷面方量成反比；拋石量在600～1 300 m3/m時(shí)，Ⅱ標(biāo)海堤炸藥單耗量高于Ⅰ標(biāo)海堤。由此表明，在相同環(huán)境條件下，爆炸擠淤置換體量的主要因素是拋石荷載，而非單純依靠炸藥用量。

圖4 海堤拋石量與炸藥量關(guān)系圖

4 爆炸對(duì)海堤沉降的影響范圍分析

堤頭起爆后，爆炸的綜合作用使淤泥和拋石體之間的臨界平衡被打破（產(chǎn)生淤泥結(jié)構(gòu)瞬間弱化，強(qiáng)度降低），拋石體在震動(dòng)及自重荷載的作用下迅速下沉，沉降深度靠近炸藥包最大，隨著與炸藥包的距離增大而逐漸減小。根據(jù)起爆前后堤頭拋石體高程的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算分析，堤身沉降量與炸藥包的距離呈負(fù)相關(guān)，其數(shù)理統(tǒng)計(jì)關(guān)系十分密切（見表5）。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，Ⅰ標(biāo)海堤（平均斷面方為1 592 m3/m）爆炸沉降影響距離約為51.0 m，Ⅱ標(biāo)海堤（平均斷面方為1 347 m3/m）爆炸沉降影響距離約為39.8 m，干江海堤（平均斷面方為806 m3/m）爆炸沉降影響距離約為33.6 m，反映出堤頭爆炸沉降影響距離與拋石體的荷載大小成正比。與炸藥包距離不同，對(duì)應(yīng)沉降量見圖5。從中可以得出，沉降范圍大小與拋石體的體積（荷載）大小成正比，炸藥量（單耗）大小不是唯一的影響因素。

圖5 海堤距炸藥包不同距離沉降關(guān)系圖

表5 海堤距炸藥包不同距離沉降相關(guān)關(guān)系分析表

5 結(jié) 語

（1）海堤拋石數(shù)量與炸藥數(shù)量的關(guān)系，并非如規(guī)范（程）所表述，拋石置換量越大，炸藥單耗用量越大，而是在爆前（一次起爆）拋石的數(shù)量（荷載）越大，炸藥的單耗量（即單位置換量所需炸藥量）越小。反映出在相同環(huán)境條件下，爆炸擠淤置換體量的主要因素是拋石荷載，強(qiáng)調(diào)拋石的自重?cái)D淤作用[6]，而非單純依靠炸藥用量。

（2）爆炸對(duì)海堤沉降的影響范圍，堤頭起爆后，爆炸的綜合作用使拋石體在震動(dòng)及自重荷載的作用下迅速下沉，沉降深度靠近炸藥包最大，隨著與炸藥包的距離增大而逐漸減小，堤體沉降量與炸藥包的距離呈負(fù)相關(guān)性。

（3）爆炸對(duì)海堤沉降的影響程度，是利用多次“炸藥起爆——拋石下沉”的疊加效應(yīng)，加上拋石體的自沉累計(jì)深度，最終擠淤形成拋石體達(dá)到的置換深度，表明沉降大小和拋石體的荷載大小成正比。

（4）通過現(xiàn)場情況分析，瞬時(shí)沉降量越大，由瞬時(shí)沉降量所占累計(jì)沉降量的比例越大，自沉量越小，工后沉降量越小，沉降期越短；反之，瞬時(shí)沉降量越小，瞬時(shí)沉降量占累計(jì)沉降量的比例越小，自沉量越大，工后沉降量越大，沉降期越長。

因此，提高爆炸擠淤置換淤泥的效果，減少工后沉降，縮短沉降周期，應(yīng)設(shè)法增大瞬時(shí)沉降量，也就是適當(dāng)增大爆前拋石體的數(shù)量。