上游高水位下黏土壩爆破拆除技術(shù)研究應(yīng)用*

楊 帆，高朋飛,，馬國強，肖 健，王 峰，陳 歡，胡坤倫，韓體飛

(1.安徽江南爆破工程有限公司，宣城 242300；2.安徽理工大學(xué)，淮南 232001)

自2019年以來，我國自然災(zāi)害以洪澇、臺風(fēng)災(zāi)害為主，特別是2020年主汛期南方地區(qū)遭遇1998年以來最重汛情。2021年進入第三季度后，7月份相繼發(fā)生河南、四川、山西、河北等地嚴重暴雨洪澇和“煙花”臺風(fēng)災(zāi)害，其中，7月中下旬河南特大暴雨洪澇災(zāi)害影響范圍廣、造成損失重；8月份湖北、陜西局地發(fā)生嚴重暴雨洪澇災(zāi)害；9月份發(fā)生四川雅安天全縣山洪泥石流災(zāi)害，造成較大損失。對于洪澇、臺風(fēng)以及山洪泥石流等都應(yīng)用到了爆破技術(shù)來進行搶險救災(zāi)[1,2]。

土作為一種最普遍的基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于各類民用和國防工程建設(shè)。黏土分布廣泛，是一種力學(xué)性質(zhì)極為復(fù)雜的材料，爆炸作用下的土結(jié)構(gòu)物的耦合機制影響因素多而復(fù)雜[3,4]?！侗▌恿W(xué)及其應(yīng)用》[5]、《巖土中的沖擊爆炸效應(yīng)》[6]等書中討論了土中爆炸效應(yīng)實驗和理論研究方面的成果。其中爆腔主要從四個方面來闡述，第一種是依據(jù)模型相似理論確定爆腔體積，但該方法不能鑒別、區(qū)分土體各組分的影響。

(1)

式中：R爆腔為爆腔半徑，m；RW為炸藥半徑，m；Q為裝藥量，kg；K、K′為經(jīng)驗系數(shù)。

第二種是將土體看成流體，爆生氣體不能滲透進土體孔隙中的準靜態(tài)理論，爆腔體積只與周圍介質(zhì)壓力有關(guān)。

(2)

式中：R爆腔為爆腔半徑，m；RW為炸藥半徑，m；D為炸藥爆速，m/s；ρW為炸藥密度；Patm為大氣壓力，Pa；γ0為土壤容重，m；σs為土中內(nèi)力達到平衡極限時的爆腔壓力，Pa；ω為炸深，m；g為重力加速度，m/s2。

第三種是將土介質(zhì)作為彈-粘-塑性介質(zhì)處理，其動力變形曲線呈非線性壓實，介于靜態(tài)曲線和極限動態(tài)曲線之間，利用爆轟波參數(shù)計算，但是該方法有一定的局限性，即爆破介質(zhì)必須是彈-粘-塑性介質(zhì)且加荷載速度近似一維線性加速、卸載與變形速度無關(guān)。

(3)

第四種是在封閉爆炸中將土介質(zhì)作為流體，內(nèi)部虛擬靜水壓力P0等于動力屈服值和真實靜水壓力之和。建立一種土在爆炸波通過后密度由ρ0增加到ρ1后不可壓縮介質(zhì)的模型，該方法適用于自由孔隙率高的塑性巖土。

(4)

(5)

a=3+β1/3(1+β1/3+ρ2/3)

(6)

式中：μW為R爆腔=RW時的巖土質(zhì)點速度。

D Ambrosini[7]、王海亮和萬曉智[8-10]、李海超、魏連雨等人通過實驗[11-13]，針對爆腔半徑計算的公式進行了推導(dǎo)，并通過數(shù)值模擬進行了相關(guān)驗證，但探索的范圍均在上述四種模型內(nèi)。王海亮依據(jù)第一種球形藥包爆炸相似理論的模型，通過試驗爆破的炸藥量和爆炸后形成的爆腔體積能確定一個與炸藥和土壤性質(zhì)有關(guān)的無量綱常數(shù)，依據(jù)文獻[8]中可得出含水黏性土取證范圍為0.56～0.71，試爆得出的半經(jīng)驗公式在同等條件下計算的爆腔體積都較準確。通過對上述四種模型給出的爆腔體積計算方法比較，結(jié)合爆破試驗測試結(jié)果，可以看出大體積土質(zhì)建筑物拆除工程中并不需要十分精確的爆腔體積，實際上為了施工操作的方便性和連續(xù)性，我們的爆腔體積要大于需裝藥量的體積。

但抗洪搶險過程中仍需要解決兩個問題：一是在汛期上游洪水上漲，水壓力不斷增加，土質(zhì)堤壩擋水時間越長堤身含水率及滲漏量增大，容易發(fā)生散浸、漏洞等危險，若使用大型挖掘機械施工，會造成濕陷性塌陷危險，有機毀人亡的風(fēng)險；二是如何確定快速爆破拆除的方案及參數(shù)，使施工時間短、爆破可控、拆除有效。

針對上游高水位下黏性土堤壩爆破拆除搶險工程需要，通過設(shè)計具有吸泥排土功能的鉆機進行鉆孔作業(yè)，通過選取合適品種爆破器材和爆破參數(shù)配套新的施工工藝解決長時間高水壓下大體積土體快速爆破難題。

1 工程概況

荒草二圩和荒草三圩位于全椒縣武崗鎮(zhèn)滁河干流與襄河交匯處，已列入國家蓄滯洪區(qū)名冊，總蓄洪面積超過10 km2，設(shè)計總蓄洪量為6071萬m3。為應(yīng)對滁河防洪的壓力，保證滁河流域其他圩口內(nèi)人員生命和財產(chǎn)免受威脅，荒草二圩和荒草三圩曾分別于1991年、2003年2008年、2015年和2020年5次運用。

2020年7月18日安徽省抗洪指揮部決定對滁河下游土質(zhì)堤壩進行爆破泄洪，安徽江南爆破工程有限公司承擔(dān)此次爆破泄洪任務(wù)。土質(zhì)大壩縱向剖面形狀為梯形，上邊長 5.0 m，迎水面?zhèn)冗呴L約2.0 m，背水面?zhèn)冗呴L7.0 m，堤壩高出水面1.0 m。見圖1。

圖 1 土質(zhì)堤壩示意圖(單位：m)Fig. 1 Diagram of clayey dyke(unit:m)

2 施工方案與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 鉆孔機械的設(shè)計

針對黏性土較軟，可選用轉(zhuǎn)速慢的手持鉆機作為空心鉆桿的動力，將空心鉆桿通過軟管與活塞相連，人工用鍬在炮孔位置挖一個近似長方體的小坑，鉆孔前往小坑和活塞裝置內(nèi)注滿水，這樣小坑、鉆桿和活塞通過水產(chǎn)生了密閉空間，利用活塞往復(fù)運動將鉆頭破碎的泥土和小坑內(nèi)的水沿空心鉆桿吸到活塞內(nèi)，并排出。鉆孔的同時將鉆出的泥巴吸走，既可以對爆破孔進行清理，又避免了爆破孔容易塌陷、堵塞的情況。見圖2。

圖 2 吸泥清孔鉆機示意圖Fig. 2 Mud suction and soil discharge drilling rig

2.2 施工工藝

土質(zhì)堤壩爆破拆除方法由球狀藥包的擴腔爆破方法和空腔大藥量強拋擲爆破方法組成，主要流程為布孔→鉆孔→裝擴腔藥→爆破擴腔→檢查擴腔質(zhì)量→插管裝藥→裝起爆藥包→填塞炮孔→連接網(wǎng)路→警戒→起爆→檢查，其具體工藝流程如下：

(1)爆破前準備：確定孔網(wǎng)參數(shù)、強拋擲爆破的大藥量、爆腔體積和擴腔所需藥量四個關(guān)鍵參數(shù)，孔網(wǎng)參數(shù)包括孔距、孔深。見圖3。

圖 3 關(guān)鍵參數(shù)確定流程圖Fig. 3 Flow chart for determining key parameters

(2)布孔和鉆孔：人工用鍬按照設(shè)計的孔網(wǎng)參數(shù)在堤壩頂相應(yīng)的位置挖一個小坑，使用鉆孔設(shè)備移動至小坑長邊的一端進行鉆孔，鉆好孔后使用直徑小于孔徑的一端堵塞的空心塑料管或竹竿檢查鉆孔質(zhì)量。

(3)擴腔爆破：在鉆好的孔內(nèi)裝入擴腔藥包，爆破擴腔，并檢查擴腔質(zhì)量。

(4)插管裝藥：

1)在爆腔上部插入空心塑料管，使用空心塑料管快速裝入炸藥，避免因泥孔粗糙、粘性大導(dǎo)致裝藥過程中發(fā)生堵孔的現(xiàn)象，裝藥完成后，拔掉空心塑料管。

2)裝入起爆藥包：在裝入一半藥量時，裝入一個起爆藥包，如果藥量較大，則分兩次裝入兩個起爆藥包。

(5)堤壩爆破。

1)填塞炮孔：使用鉆孔出來的泥巴進行堵塞。

2)連接網(wǎng)路：沿著堤壩放爆破主線，將每個孔的起爆雷管接入主線；一般所有孔一次起爆，如果藥量太大，也可延期一次，延期時間間隔不超過25 ms。

3)警戒：警戒安全距離為500 m。

4)起爆：待警戒完成后，爆破拆除土質(zhì)堤壩。

(6)注意事項：

1)檢查擴腔質(zhì)量是在擴腔爆破完成后觀察炮孔處堤壩外觀，如果堤壩頂未出現(xiàn)明顯裂紋、塌陷，再使用竹竿或一頭堵塞、直徑略小于孔徑的空心塑料管進行孔深測量，通過鉆孔孔深和擴腔后的深度進行比較，當(dāng)擴腔的孔深大于或等于鉆孔孔深，即可確認爆破擴腔質(zhì)量合格。

2)警戒距離設(shè)置為500 m，警戒完成后起爆，結(jié)束爆破15 min后至現(xiàn)場檢查是否有盲炮。如果有盲炮按《爆破安全工程》(GB 6722—2014)相關(guān)規(guī)定處理。

3)安全技術(shù)措施執(zhí)行《爆破安全工程》(GB 6722—2014)以及其他相關(guān)的規(guī)程。

2.3 參數(shù)選取與設(shè)計

為了達到泄洪要求，爆破形成加強拋擲爆破漏斗效果最佳。根據(jù)堤壩尺寸，為降低洪水位r必須大于r1，一般情況下r/w1取值1.2～2.5，同時根據(jù)相似三角形可以得出r1/r=(w1-1)/w1，計算得3.09≤w1≤4.53，同時結(jié)合鉆機設(shè)備和人員操作的方便些選取鉆孔深度為3.6 m。其中r為爆破漏斗半徑，r1為距壩頂1 m處堤壩橫截面長度一半，本次工程r1為4.23 m，w1為最小抵抗線。見圖4。

圖 4 加強拋擲爆破漏斗示意圖Fig. 4 Schematic diagram of enhanced throwing blasting funnel

一般壓實土的拋擲爆破單耗取0.4～0.5 kg/m3，考慮到上游高水壓作用，本次施工取0.8 kg/m3以上。按照孔間距2.5 m計算，單孔負擔(dān)壩體體積101 m3，即單次強拋擲爆破裝藥量要達到80.8 kg，按照直徑32 mm小藥卷裝箱標(biāo)準約3.5箱，其體積約為0.27 m3。

本次施工選用的鉆孔設(shè)備的鉆頭直徑為 45 mm，孔徑不宜過大，過大的孔徑易造成爆生氣體快速溢出，不利于爆腔形成。布孔的方式為根據(jù)堤壩頂寬度沿堤壩長邊在堤壩頂中心位置布置一排孔。

爆破所采用的炸藥為直徑 32 mm、長度200 mm、重量200 g的乳化炸藥或直徑35 mm、長度300 mm、重量200 g的水膠炸藥。本次施工選用的是水膠炸藥。雷管選用高精度毫秒延期導(dǎo)爆管雷管。

空心PVC塑料管的長度大于孔深、內(nèi)徑大于炸藥直徑、外徑小于炮孔直徑，空心塑料管外徑為40 mm，內(nèi)徑為36～39 mm。見表1。

表 1 爆破參數(shù)表

在堤壩頂中間位置布置小坑，即長50 cm、寬30 cm、深40 cm的長方體小坑，間隔2.5 m一個，共12個；鉆孔深度為3.6 m；裝入擴腔藥包，藥包包括：兩卷規(guī)格為φ32 mm×200 mm×200 g的水膠炸藥，一發(fā)7 m MS3段高精度毫秒延期導(dǎo)爆管雷管。網(wǎng)路為導(dǎo)爆管連接，所有孔同時起爆。擴腔爆破后仔細檢查擴腔質(zhì)量，質(zhì)量合格才能進行下一步空腔大藥量強拋擲爆破。

插入PVC管裝入一箱半(36 kg)的規(guī)格為φ32 mm×200 mm×200 g的水膠炸藥后，抽出PVC管，裝入兩個起爆藥包，雷管為7 m長導(dǎo)爆管的MS3段導(dǎo)爆管雷管，每個孔雷管段別統(tǒng)一為MS3段導(dǎo)爆管雷管，再插入PVC管裝入兩箱(48 kg)規(guī)格為φ32 mm×200 mm×200 g的水膠炸藥。

空腔強拋擲爆破網(wǎng)路設(shè)計：孔內(nèi)雷管導(dǎo)爆管直接搭接到爆破主導(dǎo)爆管上，前6個孔和后6個孔采用孔外延期，延期雷管段別為MS2導(dǎo)爆管雷管。

本段共12個孔，擴腔爆破共使用炸藥量4.8 kg，使用雷管MS3共12發(fā)；空腔大藥量強拋擲爆破使用總藥量為1008 kg，使用雷管MS3共24發(fā)、MS2共2發(fā)。見圖5。

圖 5 爆破效果圖Fig. 5 Blasting effect

3 結(jié)語

(2)通過設(shè)計手持鉆機帶動鉆桿作為壓實土介質(zhì)鉆孔裝置，配合通過活塞裝置的運動產(chǎn)生吸力將鉆孔時產(chǎn)生的泥由空心鉆桿吸出的吸泥清孔裝置，在能鉆孔的同時將鉆出的泥巴吸走，對爆破孔內(nèi)部進行清理，解決了爆破孔容易堵塞的困難，避免了大型挖掘機械在長時間高水位下的擋水土堤壩工作時塌陷風(fēng)險。

(3)2020年7月19日凌晨滁河土質(zhì)堤壩爆破拆除工程的圓滿成功，驗證了以吸泥排土鉆機為基礎(chǔ)的擴腔+強拋擲爆破拆除技術(shù)應(yīng)用于防汛搶險中土介質(zhì)建筑物拆除的可行性和有效性。