爆破挤淤填石技术在软基围堤工程中的应用

余膳男，王 珏

（1．中交上航局航道建设有限公司，浙江 宁波 3152 00；2．上海交通建设总承包有限公司，上海 2001 36）

1 工程概况

岱山县大鱼山北部成陆工程无名峙—蝙蝠礁海堤全长604．3 m，堤身采用抛石斜坡堤的结构形式，地基处理采用爆破挤淤法置换软土。堤心石均采用开山石，为10～300 kg弱风化或新鲜块石，饱和抗压强度≥30 MPa。外侧为 400～800 kg块石垫层，垫层高度1．3 m，垫层以上安装 8 t扭王字块，坡比1∶2。内侧为浆砌块石护面，坡比 1∶1．75（见图1）。

图1 典型结构断面

2 自然条件

2.1 水文

设计高水位2．34 m（高潮累计频率10%），设计低水位 －1．66 m（低潮累计频率 90%），最高潮位3．08 m，最低潮位 －2．11 m，平均高潮位 1．19 m，平均低潮位 －0．79 m，平均潮位 0．24 m，最大潮差4．02 m，平均潮差1．98 m。

2.2 地质

根据《舟山市岱山县大小鱼山无名峙岛东侧成陆工程岩土工程勘察报告》，勘探揭露的土层主要为第四纪海相沉积的软弱土、冲洪积形成的碎石泥黏性土、砂土及风化层。工程区域水下泥面较为平坦，整体呈东向西微倾斜状，泥面高程一般为 －1．5～－3．3 m，淤泥层厚度14～29 m。淤泥层厚度变化较大，承载力较低无法作为海堤基础有效持力层。海堤两端靠近山体处，淤泥层以下为粉质黏土层，容许承载力满足设计要求，可作为海堤有效持力层。

3 爆破挤淤填石技术施工工艺

3.1 爆破挤淤填石技术原理

首先通过自卸车沿海堤轴线内侧和外侧按照一定宽度持续抛石、堆积一段距离并形成梯形边坡断面，然后先后在抛石体断面前端淤泥与石块混合区域的适当位置及适当深度插入炸药并引爆，爆破后堆石体下部淤泥被挤出，淤泥内部形成一个近似半椭球体的空腔，抛石体瞬间坍塌充填空腔并沿着抛石前进方向滑移形成“石舌”。同时抛石体前方和下方一定范围内淤泥被爆炸弱化，强度降低，抛石体将持续下沉滑移挤淤，当断面结构达到新的平衡时停止。随后继续抛石、堆积、爆破，当抛石体自重与土体结构再次达到平衡或抛石体与持力层有效衔接后滑移停止。通过抛填、堆积、爆破的方式沿着海堤轴线循环作业，用石方将一定深度淤泥置换并与持力层有效衔接，最终形成稳定的堤身基础（见图2）。

图2 堤身基础断面

除堤头端部爆填外还应结合堤身两侧爆破。堤头端部爆填旨在达到设计落底深度和宽度，侧爆则形成堤身外侧设计平台堤身宽度。

3.2 施工工艺流程

施工工艺流程如图3所示。

图3 施工工艺流程

3.3 装药工艺

常规装药方式有4种：挖掘机改装直插式装药设备、履带式吊机振冲装药设备、吊架式装药器和船式装药设备。根据本工程淤泥特性及施工条件，选用挖掘机改装式直插装药设备。

设计说明中提到不排除存在夹砂层的可能，因挖掘机改装的直插式布药设备无法穿透夹砂层，所以若在试验段及施工过程中发现有夹砂层，为达到设计落底要求，将改用履带式吊机振冲装药方式。

2种装药方式都是陆上作业，挖掘机直插式装药方式是利用挖掘机油压及伸缩长臂特点，将装药器安装在长臂端部，施工作业时，挖掘机开到堤头定位，通过挖掘机的移动和下压，将药包装到泥下指定位置。移机后连线起爆。这种方法装药施工工艺简单，缩短了装药作业时间。履带式吊机振冲装药方式是将振动锤连接在装药器上，用吊机将装药器放在设计的药孔位置，通过振动锤的外力振动使装药器里的药包埋到设计位置。这种装药方式施工工艺较复杂，但能顺利地使药包穿过砂层。

3.4 抛填参数设计

3.4.1 爆前抛填高程

抛填沿着堤身轴线向两侧展开进行，从堤端按照一定宽度整齐向前推进，小块石抛于内侧，大块石抛于外侧，爆前根据现场作业条件及设计断面高程尽可能抛高，保证抛石厚度足够且爆后顶堤高程不超过设计要求。根据抛石体自重挤淤深度公式，可计算出抛石体厚度与挤淤深度的关系：

式中，γs为淤泥密度，17～18 k N／m3；γg为石料密度，22 k N／m3；Cu为不排水剪切强度，17 kPa；B为抛填宽度；D为抛石体挤淤深度，m；H为抛填厚度，m；t为淤泥厚度，14～25 m。

结合填筑体厚度与挤淤深度关系曲线（见图4）和设计断面图，并考虑施工便利性，本工程爆前抛填高程统一为＋6．0 m，爆后高程按＋3．0 m控制。

图4 计算结果曲线

3.4.2 爆前抛填宽度

抛填宽度设计的原则是在爆破后可基本满足设计断面要求并尽可能减少理坡工程量，一般抛石体坡脚和泥面线交界处偏海堤轴线约4～6 m的位置为抛填体边界线。同时考虑淤泥包鼓起高度会减少抛填体有效宽度，本工程外侧21 m，内侧20 m。

3.4.3 水平进尺

水运工程爆破技术规范［2］中对于淤泥厚度在4～25 m范围内的爆破挤淤填石一次推进水平进尺为4～7 m。过去的研究工作认为，当进尺长度超过7 m，抛石层底部淤泥可能被包裹无法挤出。随着爆破挤淤技术不断发展，过去的“爆炸排淤填石技术”被如今“爆炸定向滑移法”所取代。进尺的长度主要取决于爆坑的大小，而石舌的大小正是爆坑大小的外在表现。现今采用的集群药包和特殊装药工艺，使爆破的有效作用范围有较大提高，所以通过试验爆破，观察“石舌”长度，是确定填石进尺的有效方法。本工程通过试验爆破，形成“石舌”长度在8～10 m，为保证施工质量，本工程按8 m进尺。

3.5 端头爆破参数设计

3.5.1 炸药量

式中，qL为线布药量（kg／m），即单位布药长度上分布的炸药量；q0为炸药单耗（kg／m3），即爆除单位体积淤泥所需药量，按Hs／Hm炸药单耗取值，当Hs／Hm≤1．0时，q0为 0．3～0．4；当 Hs／Hm＞1．0时，q0为0．4～0．5；其中 Hs为泥面以上填石厚度（m）；LH为一次推进的水平距离，取8 m；Hmw为计入覆盖水深的折算淤泥厚度；Hm为置换淤泥厚度，14～25 m，淤泥包隆起高度应计入；γw为水重度（k N／m3），γm为淤泥重度（k N／m3）；Hw为覆盖水深（m），1～5 m。

单次爆破炸药量越大爆破产生的能量越大，对周围建筑物造成的影响也就越大，若作业范围内有需要保护的建筑物时，则单次爆破总药量还应根据相关公式进行安全验算，确保爆破作业不对需保护建筑物造成不利影响，其端头爆参数如表1所示。

表1 端头爆参数

3.5.2 布药深度

布药深度一般取淤泥厚度的0．4～0．6倍。本工程需置换的淤泥厚度为14～25 m，系数取0．6，则布药深度为8～15 m。根据布药深度选择合适长度、性能的直插式布药机进行布药。

3.5.3 药包间距

药包间距可按下式计算：

式中，K为作用系数，取10～12；Q为单个药包质量，36 kg和 48 kg。

将导爆索加工成起爆体直接插入药包中，然后通过布药机将药包埋入淤泥中一定深度处并从炮孔中引出导爆索，于适当长度处将其割断与主导爆索相连（并联），主导爆索可采用双股，再将主导爆索与非电雷管相连并延伸至安全范围，最后用非电雷管起爆（见图5）。

图5 起爆网络断面

3.6 侧爆爆破参数

堤身推进至50～100 m后应对堤身进行内外侧侧爆，通过侧爆，加强海堤坡脚的稳固及拉宽，修整堤身。侧爆循环进尺按30～60 m控制，同时考虑外海侧承受风浪较大，抗浪要求高，需对外侧加大药量，使之更加稳定（见表2）。

4 爆破安全

本工程为露天浅水爆破，作业范围附近有部分需保护民舍，海上区域有往来施工船舶。爆破作业时主要考虑需保护建筑物、船舶、人员等是否在爆破引起的振动、个别飞散物、冲击波等的危害范围以内。

4.1 爆破振动

作业引起的爆破振动频率为60～150 H z，安全允许距离按下式计算：

式中，R为爆破振动安全允许距离（m）；Q为单次起爆总炸药量（kg）；V为保护对象振动安全允许速度（cm／s）；K、a分别为安全系数、指数。根据爆破安全规程，抛填石料地基 K＝450、a＝1．65。本工程300 m范围内无需保护建筑物，保护对象振动安全允许速度为 1．5 cm／s，此安全允许速度下最大药量（816 kg）的安全允许距离小于300 m，对范围内建筑物无振动危害。

表2 侧爆参数

4.2 个别飞散物

爆破挤淤施工时，个别飞散物的距离跟淤泥厚度、覆盖水深及装药量等有关。根据本工程试验爆破情况，个别飞散物的距离未超过200 m。本工程陆上安全距离设置为300 m，水上安全距离设置为350 m，可保证爆破作业安全。

4.3 冲击波

本工程药包埋入较深淤泥下并有一定深度海水覆盖可不考虑空气冲击波的危害。对人员和施工船舶的水中冲击波安全允许距离可按下式计算：

式中，R为水中冲击波的最小安全允许距离（m）；Q为一次起爆的炸药量（kg）；K0系数按表3取值。

表3 系数K0取值

5 质量检测

本工程无名峙—蝙蝠礁海堤基础现已完工，工程质量检测采用钻孔检测法、体积平衡法和物探法。利用过磅单数据通过体积平衡法将实际抛填方量和设计断面方量对比，每次爆前抛填量均不低于设计理论方量的98%。断面检测孔共布置6个断面，每个断面3个检测孔，检测结果表明各检测点抛填石料落底深度均满足设计要求，抛石层底与持力层直接无夹砂、夹泥。另每隔100 m布置沉降板，累计沉降量小于30 cm。

6 质量控制要点分析

爆破挤淤填石技术作业石料的落底深度和宽度无法通过肉眼直观了解，所以对整个施工过程中各项参数的控制、调整尤为重要，笔者认为施工质量控制主要包括以下3点。

1）抛填高度和水平进尺长度控制 每次爆前需要对抛填高度和水平进尺长度进行测量，并运用体积平衡法计算石料抛填方量与设计断面需求方量是否吻合，石料抛填方量应大于设计断面需求方量。

2）单孔药量和布药深度控制 药量过大将产生资源浪费并增大作业危险性，药量和布药深度不足将使石料落底深度和宽度无法满足设计要求，应严格按照爆破方案设计参数进行单孔药量和布药深度控制。

3）及时清淤 爆破挤淤填石作业使得挤出的淤泥向堤头前进方向不断累计，将严重影响下次爆破作业质量，所以爆后应及时进行清淤以保障下次作业效果。当清淤速度不满足爆破作业频率要求时，应根据淤泥包厚度及时调整设计参数，适当增加炸药量。

7 结语

大鱼山北部成陆工程围堤施工采用爆破挤淤填石技术工艺简单、成本低廉、作业高效，在防波堤工程软基处理中具有良好的应用，对于处理深厚淤泥地基具有明显的优越性。