爆破擠淤填石技術在軟基圍堤工程中的應用

余膳男，王 玨

（1．中交上航局航道建設有限公司，浙江 寧波 3152 00；2．上海交通建設總承包有限公司，上海 2001 36）

1 工程概況

岱山縣大魚山北部成陸工程無名峙—蝙蝠礁海堤全長604．3 m，堤身采用拋石斜坡堤的結構形式，地基處理采用爆破擠淤法置換軟土。堤心石均采用開山石，為10～300 kg弱風化或新鮮塊石，飽和抗壓強度≥30 MPa。外側為 400～800 kg塊石墊層，墊層高度1．3 m，墊層以上安裝 8 t扭王字塊，坡比1∶2。內側為漿砌塊石護面，坡比 1∶1．75（見圖1）。

圖1 典型結構斷面

2 自然條件

2.1 水文

設計高水位2．34 m（高潮累計頻率10%），設計低水位 －1．66 m（低潮累計頻率 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 地質

根據《舟山市岱山縣大小魚山無名峙島東側成陸工程巖土工程勘察報告》，勘探揭露的土層主要為第四紀海相沉積的軟弱土、沖洪積形成的碎石泥黏性土、砂土及風化層。工程區域水下泥面較為平坦，整體呈東向西微傾斜狀，泥面高程一般為 －1．5～－3．3 m，淤泥層厚度14～29 m。淤泥層厚度變化較大，承載力較低無法作為海堤基礎有效持力層。海堤兩端靠近山體處，淤泥層以下為粉質黏土層，容許承載力滿足設計要求，可作為海堤有效持力層。

3 爆破擠淤填石技術施工工藝

3.1 爆破擠淤填石技術原理

首先通過自卸車沿海堤軸線內側和外側按照一定寬度持續拋石、堆積一段距離并形成梯形邊坡斷面，然后先后在拋石體斷面前端淤泥與石塊混合區域的適當位置及適當深度插入炸藥并引爆，爆破后堆石體下部淤泥被擠出，淤泥內部形成一個近似半橢球體的空腔，拋石體瞬間坍塌充填空腔并沿著拋石前進方向滑移形成“石舌”。同時拋石體前方和下方一定范圍內淤泥被爆炸弱化，強度降低，拋石體將持續下沉滑移擠淤，當斷面結構達到新的平衡時停止。隨后繼續拋石、堆積、爆破，當拋石體自重與土體結構再次達到平衡或拋石體與持力層有效銜接后滑移停止。通過拋填、堆積、爆破的方式沿著海堤軸線循環作業，用石方將一定深度淤泥置換并與持力層有效銜接，最終形成穩定的堤身基礎（見圖2）。

圖2 堤身基礎斷面

除堤頭端部爆填外還應結合堤身兩側爆破。堤頭端部爆填旨在達到設計落底深度和寬度，側爆則形成堤身外側設計平臺堤身寬度。

3.2 施工工藝流程

施工工藝流程如圖3所示。

圖3 施工工藝流程

3.3 裝藥工藝

常規裝藥方式有4種：挖掘機改裝直插式裝藥設備、履帶式吊機振沖裝藥設備、吊架式裝藥器和船式裝藥設備。根據本工程淤泥特性及施工條件，選用挖掘機改裝式直插裝藥設備。

設計說明中提到不排除存在夾砂層的可能，因挖掘機改裝的直插式布藥設備無法穿透夾砂層，所以若在試驗段及施工過程中發現有夾砂層，為達到設計落底要求，將改用履帶式吊機振沖裝藥方式。

2種裝藥方式都是陸上作業，挖掘機直插式裝藥方式是利用挖掘機油壓及伸縮長臂特點，將裝藥器安裝在長臂端部，施工作業時，挖掘機開到堤頭定位，通過挖掘機的移動和下壓，將藥包裝到泥下指定位置。移機后連線起爆。這種方法裝藥施工工藝簡單，縮短了裝藥作業時間。履帶式吊機振沖裝藥方式是將振動錘連接在裝藥器上，用吊機將裝藥器放在設計的藥孔位置，通過振動錘的外力振動使裝藥器里的藥包埋到設計位置。這種裝藥方式施工工藝較復雜，但能順利地使藥包穿過砂層。

3.4 拋填參數設計

3.4.1 爆前拋填高程

拋填沿著堤身軸線向兩側展開進行，從堤端按照一定寬度整齊向前推進，小塊石拋于內側，大塊石拋于外側，爆前根據現場作業條件及設計斷面高程盡可能拋高，保證拋石厚度足夠且爆后頂堤高程不超過設計要求。根據拋石體自重擠淤深度公式，可計算出拋石體厚度與擠淤深度的關系：

式中，γs為淤泥密度，17～18 k N／m3；γg為石料密度，22 k N／m3；Cu為不排水剪切強度，17 kPa；B為拋填寬度；D為拋石體擠淤深度，m；H為拋填厚度，m；t為淤泥厚度，14～25 m。

結合填筑體厚度與擠淤深度關系曲線（見圖4）和設計斷面圖，并考慮施工便利性，本工程爆前拋填高程統一為＋6．0 m，爆后高程按＋3．0 m控制。

圖4 計算結果曲線

3.4.2 爆前拋填寬度

拋填寬度設計的原則是在爆破后可基本滿足設計斷面要求并盡可能減少理坡工程量，一般拋石體坡腳和泥面線交界處偏海堤軸線約4～6 m的位置為拋填體邊界線。同時考慮淤泥包鼓起高度會減少拋填體有效寬度，本工程外側21 m，內側20 m。

3.4.3 水平進尺

水運工程爆破技術規范［2］中對于淤泥厚度在4～25 m范圍內的爆破擠淤填石一次推進水平進尺為4～7 m。過去的研究工作認為，當進尺長度超過7 m，拋石層底部淤泥可能被包裹無法擠出。隨著爆破擠淤技術不斷發展，過去的“爆炸排淤填石技術”被如今“爆炸定向滑移法”所取代。進尺的長度主要取決于爆坑的大小，而石舌的大小正是爆坑大小的外在表現。現今采用的集群藥包和特殊裝藥工藝，使爆破的有效作用范圍有較大提高，所以通過試驗爆破，觀察“石舌”長度，是確定填石進尺的有效方法。本工程通過試驗爆破，形成“石舌”長度在8～10 m，為保證施工質量，本工程按8 m進尺。

3.5 端頭爆破參數設計

3.5.1 炸藥量

式中，qL為線布藥量（kg／m），即單位布藥長度上分布的炸藥量；q0為炸藥單耗（kg／m3），即爆除單位體積淤泥所需藥量，按Hs／Hm炸藥單耗取值，當Hs／Hm≤1．0時，q0為 0．3～0．4；當 Hs／Hm＞1．0時，q0為0．4～0．5；其中 Hs為泥面以上填石厚度（m）；LH為一次推進的水平距離，取8 m；Hmw為計入覆蓋水深的折算淤泥厚度；Hm為置換淤泥厚度，14～25 m，淤泥包隆起高度應計入；γw為水重度（k N／m3），γm為淤泥重度（k N／m3）；Hw為覆蓋水深（m），1～5 m。

單次爆破炸藥量越大爆破產生的能量越大，對周圍建筑物造成的影響也就越大，若作業范圍內有需要保護的建筑物時，則單次爆破總藥量還應根據相關公式進行安全驗算，確保爆破作業不對需保護建筑物造成不利影響，其端頭爆參數如表1所示。

表1 端頭爆參數

3.5.2 布藥深度

布藥深度一般取淤泥厚度的0．4～0．6倍。本工程需置換的淤泥厚度為14～25 m，系數取0．6，則布藥深度為8～15 m。根據布藥深度選擇合適長度、性能的直插式布藥機進行布藥。

3.5.3 藥包間距

藥包間距可按下式計算：

式中，K為作用系數，取10～12；Q為單個藥包質量，36 kg和 48 kg。

將導爆索加工成起爆體直接插入藥包中，然后通過布藥機將藥包埋入淤泥中一定深度處并從炮孔中引出導爆索，于適當長度處將其割斷與主導爆索相連（并聯），主導爆索可采用雙股，再將主導爆索與非電雷管相連并延伸至安全范圍，最后用非電雷管起爆（見圖5）。

圖5 起爆網絡斷面

3.6 側爆爆破參數

堤身推進至50～100 m后應對堤身進行內外側側爆，通過側爆，加強海堤坡腳的穩固及拉寬，修整堤身。側爆循環進尺按30～60 m控制，同時考慮外海側承受風浪較大，抗浪要求高，需對外側加大藥量，使之更加穩定（見表2）。

4 爆破安全

本工程為露天淺水爆破，作業范圍附近有部分需保護民舍，海上區域有往來施工船舶。爆破作業時主要考慮需保護建筑物、船舶、人員等是否在爆破引起的振動、個別飛散物、沖擊波等的危害范圍以內。

4.1 爆破振動

作業引起的爆破振動頻率為60～150 H z，安全允許距離按下式計算：

式中，R為爆破振動安全允許距離（m）；Q為單次起爆總炸藥量（kg）；V為保護對象振動安全允許速度（cm／s）；K、a分別為安全系數、指數。根據爆破安全規程，拋填石料地基 K＝450、a＝1．65。本工程300 m范圍內無需保護建筑物，保護對象振動安全允許速度為 1．5 cm／s，此安全允許速度下最大藥量（816 kg）的安全允許距離小于300 m，對范圍內建筑物無振動危害。

表2 側爆參數

4.2 個別飛散物

爆破擠淤施工時，個別飛散物的距離跟淤泥厚度、覆蓋水深及裝藥量等有關。根據本工程試驗爆破情況，個別飛散物的距離未超過200 m。本工程陸上安全距離設置為300 m，水上安全距離設置為350 m，可保證爆破作業安全。

4.3 沖擊波

本工程藥包埋入較深淤泥下并有一定深度海水覆蓋可不考慮空氣沖擊波的危害。對人員和施工船舶的水中沖擊波安全允許距離可按下式計算：

式中，R為水中沖擊波的最小安全允許距離（m）；Q為一次起爆的炸藥量（kg）；K0系數按表3取值。

表3 系數K0取值

5 質量檢測

本工程無名峙—蝙蝠礁海堤基礎現已完工，工程質量檢測采用鉆孔檢測法、體積平衡法和物探法。利用過磅單數據通過體積平衡法將實際拋填方量和設計斷面方量對比，每次爆前拋填量均不低于設計理論方量的98%。斷面檢測孔共布置6個斷面，每個斷面3個檢測孔，檢測結果表明各檢測點拋填石料落底深度均滿足設計要求，拋石層底與持力層直接無夾砂、夾泥。另每隔100 m布置沉降板，累計沉降量小于30 cm。

6 質量控制要點分析

爆破擠淤填石技術作業石料的落底深度和寬度無法通過肉眼直觀了解，所以對整個施工過程中各項參數的控制、調整尤為重要，筆者認為施工質量控制主要包括以下3點。

1）拋填高度和水平進尺長度控制 每次爆前需要對拋填高度和水平進尺長度進行測量，并運用體積平衡法計算石料拋填方量與設計斷面需求方量是否吻合，石料拋填方量應大于設計斷面需求方量。

2）單孔藥量和布藥深度控制 藥量過大將產生資源浪費并增大作業危險性，藥量和布藥深度不足將使石料落底深度和寬度無法滿足設計要求，應嚴格按照爆破方案設計參數進行單孔藥量和布藥深度控制。

3）及時清淤 爆破擠淤填石作業使得擠出的淤泥向堤頭前進方向不斷累計，將嚴重影響下次爆破作業質量，所以爆后應及時進行清淤以保障下次作業效果。當清淤速度不滿足爆破作業頻率要求時，應根據淤泥包厚度及時調整設計參數，適當增加炸藥量。

7 結語

大魚山北部成陸工程圍堤施工采用爆破擠淤填石技術工藝簡單、成本低廉、作業高效，在防波堤工程軟基處理中具有良好的應用，對于處理深厚淤泥地基具有明顯的優越性。