爆炸擠淤置換法 在深厚淤泥地基海堤工程中的應用

黃 朝 煊

(浙江省水利水電勘測設計院，杭州 310002)

爆炸法處理軟土地基可分為爆炸擠密、爆炸固結以及爆炸置換幾種，主要在軟土、砂土等地基上進行處理。最早Bathaih M H[1]在1932年對爆炸在土體中的物理化學作用進行研究，1940年Prugh B J[2]對砂土地基采用爆炸擠密處理進行了研究，之后，國內(nèi)外的眾多研究者[3-5]對爆炸法處理地基進行了深入的研究，因此獲得豐富的資料和成果。但對于爆炸擠淤中需爆炸置換的淤泥深度D、爆炸置換的淤泥寬度以及炸藥用量控制等問題仍需深入研究。基于此，本文依托漩門三期圍墾工程，對爆炸擠淤置換法進行技術總結，并對爆炸擠淤相關參數(shù)進行了探討。

爆炸擠淤置換法在國內(nèi)已有30 a以上的研究與應用，目前已在浙江省多個工程(漩門三期圍墾工程、玉環(huán)中心漁港工程、三門縣洋市圍墾海堤工程)中應用。

爆炸擠淤置換法是以控制拋填石料的加載高度、速率以及相關爆破技術為核心，將拋填石料擠入淤泥土中的施工方法，從而使得海堤斷面結構達到設計穩(wěn)定斷面形式的要求。該施工法理論上是地基處理中換填法的延伸，爆炸擠淤置換法具有節(jié)約工程投資和加快工程施工進度的優(yōu)點。

1 爆炸擠淤置換法

目前，在深淤泥灘涂面上建造海堤，其地基處理主要有2種方法：打設塑料排水板排水固結法[6-8]和爆炸擠淤置換法[9,10]。

爆炸擠淤置換法是利用拋填石料自重下沉到一定深度，然后通過埋設在拋填石料底部炸藥的爆炸作用，擠開底部淤泥土，使拋填石料逐次下沉并擠出部分淤泥，達到拋填石料與淤泥軟土之間置換的目的。其中炸藥的爆炸作用主要有以下幾個方面。

(1)爆炸排淤。炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫、高壓以及沖擊波，使地基軟土破壞并被拋擲出去，在藥包附近形成較大的爆坑，達到排開淤泥的作用。

(2)堤身爆振下沉。炸藥爆炸產(chǎn)生巨大的沖擊波使得地基振動，堤身振動使得地基土中產(chǎn)生附加動應力，進而使得堤下地基軟土發(fā)生破壞而擠出，堤身下沉。

(3)爆炸使堤身密實。堤身拋填石料經(jīng)過多次爆炸振動作用，變得密實，堤身在后期運行中的堤身壓縮量較小。

根據(jù)近幾年來的理論探討和工程實踐應用，爆炸置換處理淤泥軟土的深度在多處已突破20 m，如：象山海軍護岸堤最大置換深度達26 m，福建可門電廠護岸最大置換深度達30 m以上，溫州市洞頭縣北岙后二期圍墾西圍堤最大置換深度達20 m，漩門三期圍墾工程置換深度為22 m。

通過相關工程實際對比分析，認為爆炸擠淤置換法處理的海堤后期沉降小(“座落式”后期沉降5～10 cm，“懸浮式”后期沉降20～40 cm)，因此爆炸擠淤置換法比排水插板排水固結法更具優(yōu)勢。

爆炸擠淤置換法處理的海堤工程施工程序為：控制點測量定位→拋填石料→堤頭埋設炸藥及爆炸→堤身側面埋設炸藥及爆炸→外海側淤泥鼓包的清理→拋石護坦施工→護面理坡施工→碎石墊層鋪設→混凝土灌砌塊石施工→內(nèi)坡的土工布鋪設→閉氣土方填筑施工→漿砌塊石擋墻施工→背水坡土石界面反濾土工布鋪設→干砌石護坡施工→堤頂路面施工。 其中炸藥埋設示意圖見圖1。

圖1 爆炸擠淤置換法中炸藥埋設示意圖

2 爆炸擠淤置換法控制性參數(shù)研究

《海堤工程爆炸擠淤置換法處理軟土地基技術規(guī)范》(DB33/T839-2011)(以下簡稱：浙江省地標“DB33”)[11]分別對“座落式”和“懸浮式”2種爆炸處理斷面結構尺寸進行初步表述，但對爆炸前拋填堆石體斷面結構尺寸未作深入的定量說明，如爆炸前拋填堆石體寬度、最大處理深度以及拋填進尺等。另外炸藥單藥包用藥量(或線藥量)、藥包埋深深度、藥包間距等，這些爆炸控制性參數(shù)選值范圍大，工程實際應用中難以控制，參數(shù)選取具有較大的不確定性。

2.1 對拋填堆石體自重擠淤深度D0計算分析

對于爆炸擠淤置換法中拋填堆石體自重擠淤深度D0，可采用土體的極限平衡法分析得到，浙江省地標“DB33”[11]附錄中也給出了相關方程，拋填堆石體自重擠淤深度D0與堆石填筑體厚度h、頂寬B、淤泥抗剪強度等滿足以下關系：

t>0.414B

(1)

式中：t為涂面淤泥厚度，m；B為填筑體頂寬度，m；cu為淤泥不排水抗剪強度，kPa；γ為填筑體平均密度；γs為淤泥的密度。

x3+3x2≈3.68x2-0.10x(0≤x≤0.5)

(2)

圖2 函數(shù)x3+3 x2高精度二次函數(shù)擬合曲線

從而得到拋填堆石體自重擠淤深度D0的直接計算式：

(3)

2.2 對爆炸擠淤置換法懸浮式結構置換深D的建議

對于深淤泥地基上的“懸浮式”爆炸置換結構海堤，需爆炸置換的淤泥深度D，浙江省地標“DB33”[11]中“4.3.4”條認為“按置換深度為堤原涂面以上總高度的2～2.5倍，最大腰寬為置換深度的2～3倍控制?！保摋l未考慮軟土地基的抗剪強度、淤泥層厚度等重要因素的影響，因此關于“懸浮式”結構淤泥層置換深度D值選取時值得深入研究，筆者通過利用理正軟件進行大量滑動穩(wěn)定計算[12]，得出半經(jīng)驗性的淤泥層置換深度D擬合建議公式：

(4)

其中淤泥層抗剪強度修正參數(shù)分別為：

(5)

(6)

式中：H為涂面以上海堤的總高度，m；w為淤泥土層加權平均含水量，%；c為淤泥土層加權平均凝聚力，kPa；φ為淤泥土層加權平均摩擦角 ，(°)；h0為涂面至外海側第1級消浪平臺高度，m。

其中值得說明的是，爆炸擠淤置換法處理后，受淤泥土具有靈敏度的影響，地基淤泥土抗剪強度指標一般具有一定強度折減，因此建議本文中計算式(4)中地基土抗剪強度指標考慮該因素影響，根據(jù)浙江水利水電勘測設計院設計的浙江省省內(nèi)項目，其爆炸法處理后的淤泥土抗剪強度指標一般折減0.8～0.9倍。

2.3 其余參數(shù)估算

(1)堤頭爆破下沉平均高度D1估算式：

D1=K1(D-D0)

式中：K1為經(jīng)驗系數(shù)，一般取0.2～0.6。

(2)單藥包重量估算。給定每炮拋填進尺b，考慮到本場址淤泥特性，以及因海堤堤心石均需水上船拋，給拋填進尺控制造成困難，取b=8～10 m，估算式為：

式中：K2為經(jīng)驗系數(shù)，一般取0.2～0.4；b為每炮進尺， m；Q為單藥包重量，kg。

采用該公式對旋門三期圍墾工程進行驗算分析(見圖3)，實際設計置換淤泥深D=22.5 m，采用本文公式計算推薦值21.7 m，與設計值基本吻合，因此本文式(3)、式(4)具有一定參考價值。

圖3 漩門三期爆炸擠淤置換法典型海堤斷面(單位：m)

3 爆炸擠淤置換法在漩門三期圍墾工程中的應用

3.1 項目概況

漩門三期圍墾工程位于玉環(huán)縣東北的漩門灣，緊靠玉環(huán)縣政府所在地珠港鎮(zhèn)，東瀕東海，南接珠港坎門，西鄰蘆浦，北靠龍溪、干江2鎮(zhèn)。工程主要任務是增加陸域土地資源，改善水環(huán)境及城市周邊防潮排澇條件。

工程圍區(qū)涂面高程為-4～2 m，圍區(qū)總面積0.453 萬hm2，為Ⅲ等工程。主要由海堤和排澇閘組成，海堤設計標準為50 a一遇設計高潮位與同頻率風浪組合，允許部分越浪；水閘擋潮設計標準為50 a一遇設計高潮位與同頻風浪組合。初設概算投資為10.7 億元。

海堤總長5 352 m，分3段：坎門海堤，從半邊山經(jīng)鳥籠嶼至目魚嶼，長325 m，涂面高程-2.5～1.0 m(1985國家高程基準，下同)；珠港海堤，位于目魚嶼與沖坦嶼之間，長4 077 m，涂面高程-4.2～-3.0 m；干江海堤，從沖坦嶼至木杓頭南側，堤長950 m，涂面高程0～-3.5 m。工程布置示意圖見圖4。

圖4 漩門三期圍墾工程布置示意圖

坎門海堤地基主要由表部的淤泥、碎塊石和下部的基巖等組成。堤基表部的淤泥及碎塊石厚度較薄，厚度一般小于2 m，工程地質(zhì)條件較好。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，珠港、干江海堤地基主要由Ⅰ層淤泥夾粉土、Ⅰsil層淤泥、Ⅱ?qū)佑倌?、Ⅲ層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、Ⅳ層黏土夾粉細砂等組成，需要進行地基處理。

石料場選擇宮后山和炮臺山，巖性為流紋質(zhì)角礫凝灰?guī)r、鉀長花崗巖、凝灰?guī)r及熔結凝灰?guī)r等，新鮮巖石致密堅硬，根據(jù)所取巖石的室內(nèi)試驗成果：塊石密度為2 571～2 684 kg/m3，新鮮巖石極限抗壓強度84～127 MPa，軟化系數(shù)為0.78～0.86，巖石開挖級別一般為Ⅹ～Ⅺ級。

3.2 海堤結構及施工

海堤采用土石堤，即外側采用石壩擋潮，內(nèi)側采用海涂泥閉氣。由于工程處于強風浪區(qū)，海堤外坡上部結構選用牢固可靠的整體式埋石混凝土重力直墻，坎門、珠港海堤防浪墻頂高程為10.5m，干江海堤防浪墻頂高程為9.0 m。外坡在高程4.0 m設有消浪平臺，消浪平臺以下為1∶1.8的斜坡至堤腳。外坡及堤腳采用扭王字塊保護。

堤頂混凝土直墻內(nèi)側設7.0 m寬的交通公路。公路內(nèi)側為閉氣土方，閉氣土方頂高程為6.0 m，在2.5 m高程設5 m寬的平臺，平臺以上為1∶4的斜坡，以下為1∶15的斜坡至涂面。

珠港和干江海堤地基均為深厚的淤泥和淤泥質(zhì)土，需要進行地基處理。爆炸擠淤置換法處理軟土地基具有施工進度快，工后沉降小的優(yōu)勢。圖5為炸藥埋設簡圖，圖6為爆炸現(xiàn)場圖及爆炸后拋石落底深度探測試驗，圖7為根據(jù)實際布孔鉆探推測爆填石料工后成形斷面示意圖，結果表明實際施工成形斷面與設計斷面基本一致，差異主要體現(xiàn)在實際成形斷面底座比原設計稍寬厚。

圖5 漩門三期圍墾工程炸藥埋設

圖6 漩門三期圍墾工程爆炸現(xiàn)場

圖7 爆填石料實際鉆探推測與原設計對比(單位：m)

3.3 爆炸擠淤置換法前后海堤地基淤泥土力學參數(shù)變化

靈敏度表示黏土對結構擾動的靈敏程度，為原狀試樣的不排水強度與相同含水量下重塑試樣的不排水強度之比。靈敏度越大，表示黏土結構擾動后強度影響越大。根據(jù)相關規(guī)范，靈敏度小于2為低靈敏土，靈敏度2～4為中靈敏土，靈敏度大于4為高靈敏土。

根據(jù)相關地質(zhì)勘探檢測，爆炸擠淤置換法施工前后，漩門三期地基土物理力學指標對比見表1、表2。

表1 爆炸擠淤置換法前后海堤地基(Ⅱ?qū)?力學參數(shù)變化

表2 爆炸擠淤置換法前后海堤地基土(Ⅲ層)力學參數(shù)變化

通過對爆炸前后的淤泥土(Ⅱ?qū)佑倌嗤?、Ⅲ層淤泥質(zhì)黏土)力學指標進行對比分析可知，由于浙江沿海灘涂結構性淤泥軟土具有一定靈敏度，爆炸法處理后的淤泥土強度一般有所降低，其中Ⅱ?qū)佑倌嗤帘ǚㄊ┕ず蟮挠倌嗤翉姸日蹨p0.89，Ⅲ層淤泥質(zhì)黏土爆炸法施工后的淤泥土強度折減0.88，為相關工程設計提供技術參考。

4 結論與建議

本文對爆炸擠淤置換法處理海堤淤泥地基進行了分析說明，并以浙江省水利水電勘測設計院設計的漩門三期圍墾工程為例進行案例介紹，主要結論如下。

(1) 結合相關技術規(guī)程，如《海堤工程爆炸擠淤置換法處理軟土地基技術規(guī)范》(DB33/T839-2011)、《爆炸法處理水下地基和基礎技術規(guī)程》(JTJ258-98)，對爆炸擠淤置換法的技術特點、施工方式等進行說明，認為爆炸擠淤置換法具有處理地基置換深度深、范圍大以及施工進度快等顯著優(yōu)勢特點，爆炸擠淤置換法是地基處理中換填法的延伸。

(2) 根據(jù)土力學理論，對自重擠淤深度D0和懸浮式結構置換深度D進行理論推導分析，并分別給出了具有實用性的理論計算式，通過工程案例驗證，結果表明本文所提公式的計算值與實測值基本一致。

(3) 以漩門三期圍墾工程為例，對爆炸擠淤置換法進行詳細分析，認為爆炸擠淤置換法比普通排水板處理固結法具有施工進度快、工后沉降小的優(yōu)勢。為了驗證實際爆炸成形斷面與原設計斷面的差異，通過現(xiàn)場鉆探分析，結果表明實際爆炸成形斷面與設計斷面基本一致。通過對爆炸前后的淤泥土力學指標進行對比分析，認為爆炸法處理后的淤泥土強度一般有所降低，其爆炸法施工后的淤泥土強度折減一般為0.8～0.9，為相關工程設計提供技術參考。

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