对爆炸法处理软土地基技术中炸药作用的几点认识

李永和，韦昌富，陈 盼，王吉利，陈 林，于桓飞

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020；2.岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；3.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；4.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

随着社会经济的不断发展，可利用的土地资源日趋紧缺，为了有效缓解这一矛盾，社会活动不断向沿海地带聚集，各类工程建设数量日益增长。而在沿海地区广泛存在着厚度不等的淤泥或淤泥质软土层，建设安全可靠的工程，必须对软土层进行处理，以构筑各种围堤基础。目前常用技术为排水板法和爆炸挤淤置换法，相对排水板法，爆炸挤淤置换法处理软基工后沉降量较小，工期较短，因此，用爆炸挤淤置换法处理软基的工程日渐增多。爆炸挤淤置换法处理较浅层淤泥（堤身为落底结构，即堤身落在持力土层上）软基的技术已成熟，早期提出的爆破排淤填石法所能处理的淤泥厚度较浅，一般不超过12 m，并要求软基上有覆盖水层[1-2]。如今随着沿海建设的发展，越来越多地遇到深厚淤泥层需处理，如采用落底式结构，费用相当巨大或者难以实现，目前逐步采用的悬浮式结构[3-4]（填料部分置换软基，堤身不落底到持力层），需经大规模工程实践验证，其中许多机理有待进一步探索。本文结合悬浮式海堤工程结构（所依托的海堤长度超过5 000 m，最大置换深度超过30 m）爆炸挤淤置换法施工过程中的爆炸参数、抛石填量和爆炸前后海堤抛石的沉降变化等实测数据，对其中的相关性进行分析探讨，研究成果对此领域的实践和研究具有参考和指导意义。

爆炸挤淤置换法的原理是在堤头预先抛填混合石料，在抛填堤头前方6～8 m埋置炸药包群，埋置深度为涂面下6～8 m；起爆后，产生的爆炸效应及石料在软土地基上或地基中所产生的附加应力超过土体的抗剪强度时，土体产生破坏，石料在自重作用下，淤泥被挤出，石料下沉，达到预定的落底深度，从而提高深厚软土层的承载能力。即使使用爆炸挤淤置换法处理淤泥质软基，由于深厚软土层的特性、施工工艺的限制与节约成本的考虑，回填海堤的底部并未落在深处、承载力较高的土层上，而是落在承载力并不是很高的上伏深厚软土层中，成为所谓的悬浮式结构。

为了解爆炸挤淤置换法在海堤建造过程中的内在关系，在爆炸前后对海堤断面进行测量，爆炸前首先测量抛石体的堤头横断面（垂直于堤轴线）及堤身纵断面（自堤头沿堤轴线）外轮廓高程，符合设计的抛填参数后再起爆，爆炸后再次测量堤头横断面及堤身纵断面外轮廓高程，用于对比爆炸产生的瞬时变化（沉降），以便分析爆炸与海堤施工的机理内涵。

2 爆炸对海堤沉降的影响程度分析

浙江省玉环市漩门三期围垦工程，是至今省内一次性围涂面积最大的围垦工程，总围涂面积4 530 hm2（6.795万亩）。漩门三期围垦工程位于玉环市（2017年4月玉环撤县设市）东北的漩门湾，东濒东海，南接玉城、坎门街道，西邻芦浦镇，北靠龙溪、干江2镇。海堤总长5 352 m，由南向北分为坎门海堤（325 m）、珠港海堤（4 077 m）、干江海堤（950 m）3段。海堤基础软基设计置换深度27 m，基础底宽28 m，最大腰宽超过70 m。珠港海堤段软基最深，超过40 m，涂面高程-4.40～-3.00 m。其中，干江海堤、珠港海堤基础处理采用爆炸挤淤置换法，珠港海堤南段1 520 m（涂面高程较低）为Ⅰ标海堤，珠港海堤北段2 557 m（涂面高程次于Ⅰ标）为Ⅱ标海堤。海堤地基土层主要由Ⅰ层淤泥夹粉土、Ⅱ层淤泥、Ⅲ淤泥质粉质黏土、Ⅳ层黏土夹粉细砂等组成。

用爆炸挤淤置换法处理淤泥（质）软基，抛石体置换淤泥（质）软基的深度为16～30 m，最大置换软基深度30.8 m。炸药包一般埋设在泥面以下8 m左右，单包炸药量最大为40～50 kg，仅利用炸药包的爆炸作用将淤泥排除（形成空腔使抛石下落充填）至30 m的深度，是不可能实现的。爆炸挤淤置换法主要是利用多次“炸药爆炸——抛石下沉”的叠加效应，再加上抛石体的自沉累计深度，最终挤淤达到抛石体的置换深度。经分析现场实测数据，得出以下规律：

（1）Ⅰ标海堤堤头爆炸沿海堤水平方向影响范围超过51 m，按每次起爆堤头抛石进尺5 m计，对堤身同一断面的瞬时沉降影响可达9个炮次，逐次堤头炮爆前和爆后瞬时沉降量对比叠加深度为16.29 m（见表1），约为海堤钻探检测落底深度（抛石置换软基，下同）的57%，其余43%的深度由自沉累计沉降产生。与炸药包距离不同，抛石沉降差异明显。一次堤头炮爆炸产生的抛石瞬时沉降数据中，距炸药包8 m处，一次沉降420 cm的频次最高；距炸药包21 m处，一次沉降217 cm的频次最高；距炸药包36 m处，一次沉降116 cm的频次最高；距炸药包51 m处，一次沉降67 cm的频次最高。沉降值的分布情况见图1。

表1 Ⅰ标海堤逐次堤头炮沉降量叠加统计数据表 cm

图1 Ⅰ标海堤沉降量直方图

（2）Ⅱ标海堤堤头爆炸沿海堤水平方向影响范围约39.8 m，按每炮堤头抛石进尺5 m计，对堤身同一断面的瞬时沉降影响可达7个炮次，逐次堤头炮爆前和爆后瞬时沉降量对比叠加深度为11.27 m（见表2），约为海堤钻探检测落底深度的44%，其余56%的深度由自沉累计沉降产生。与炸药包距离不同，抛石沉降差异明显。一次堤头炮爆炸产生的抛石瞬时沉降数据中，距炸药包8 m处，一次沉降375～406 cm的频次最高；距炸药包18 m处，一次沉降189 cm的频次最高；距炸药包28 m处，一次沉降55～86 cm的频次最高；距炸药包38 m处，一次沉降26 cm的频次最高。其沉降值的分布情况见图2。

图2 Ⅱ标海堤沉降量直方图

表2 Ⅱ标海堤逐次堤头炮沉降量叠加统计数据表 cm

（3）干江海堤堤头爆炸沿海堤水平方向影响范围约33.6 m，按每炮堤头抛石进尺5 m计，对堤身同一断面的瞬时沉降影响可达6个炮次，逐次堤头炮爆前和爆后瞬时沉降量对比叠加深度为6.35 m（见表3），约为海堤钻探检测落底深度的38%，其余62%的深度由自沉累计沉降产生。与炸药包距离不同，抛石沉降差异明显。一次堤头炮爆炸产生的抛石瞬时沉降数据中，距炸药包8 m处，一次沉降271 cm的频次最高；距炸药包15 m处，一次沉降142 cm的频次最高；距炸药包20 m处，一次沉降69 cm的频次最高；距炸药包30 m处，一次沉降31 cm的频次最高。其沉降值的分布情况见图3。

表3 干江海堤逐次堤头炮沉降量叠加统计数据表 cm

图3 干江海堤沉降量直方图

续表3

通过现场情况分析，瞬时沉降量越大，由瞬时沉降量所占累计沉降量的比例越大，自沉量越小，工后沉降量越小，沉降期越短；反之，瞬时沉降量越小，瞬时沉降量占累计沉降量的比例越小，自沉量越大，工后沉降量越大，沉降期越长。

3 海堤抛石数量与炸药数量的关系

根据1999年5月1日实施的行业标准JTJ/T 258——98《爆炸法处理水下地基和基础技术规程》[2]，其中“4.1.1爆破排淤填石是在抛石体外缘一定距离和深度的淤泥质软基中埋放药包群，起爆瞬间在淤泥中形成空腔，抛石体随即坍塌充填空腔形成‘石舌’，达到置换淤泥的目的……”。从中可以得出，炸药数量决定抛石体所填充的空腔大小，规范推荐的炸药用量，是当HS（泥面以上填石厚度，m）与Hm（置换淤泥厚度，m）的比值为0.8～1.2时，爆破排淤填石炸药单耗q0（爆除单位体积淤泥所需的炸药量，kg/m3）为0.6～0.8 kg/m3。现行行业标准JTS 204——2008《水运工程爆破技术规范》中，有关“爆破排淤填石”的内容大体沿用原规程[2]的核心内容。

在采用悬浮式海堤工程结构的施工建造过程中，发现利用爆炸法置换淤泥的机理及炸药用量和上述规范内容差异甚大，实践中炸药用量（炸药单耗量）与抛石体落底的深度及置换淤泥的体积并非成正比。炸药只是一个触发因素，炸药爆炸的作用使淤泥和抛石体之间的临界平衡状态被打破（产生淤泥结构强度瞬间弱化的迹象，目前尚无法给出定量的解释，下同），抛石体在自重荷载作用下将淤泥挤开达到置换淤泥的目的。爆炸前抛石体积越大、质量越大，爆后抛石体沉降深度、置换淤泥的体积就越大。漩门三期围垦工程的海堤分为Ⅰ标海堤、Ⅱ标海堤、干江海堤，其具体分段和地质条件情况见参考文献5，根据各堤头炸药单耗量X（每次堤头起爆炸药量/每次堤头起爆抛石体总量，kg/m3；炸药量含海堤侧爆的药量，未包含爆夯的药量）和海堤堤头抛石量（每次堤头起爆抛石体总量/抛石进尺，m3/m）的数据，进行数理统计分析，两者关系十分密切，函数关系及相关性见表4。

表4 海堤炸药量与抛石量相关关系分析表

实施中首先在干江海堤进行爆炸挤淤试验，最初上堤抛石体的数量为每断面方（m3/m）按1.8 t计抛，爆后经钻孔探摸，悬浮式海堤抛石体落底深度未达到设计深度，而堤头起爆炸药量最大为540 kg，最大单耗药量为0.24 kg/m3。经分析认为所选用的上堤抛石体数量不足，在随后Ⅰ标海堤、Ⅱ标海堤施工中，上堤抛石体的数量调整后为每断面方按2.1 t计抛。调整方案施工后，钻孔探摸表明悬浮式海堤抛石体落底深度均达到设计深度。干江海堤设计平均断面方为806 m3/m，Ⅰ标海堤和Ⅱ标海堤是同一条海堤，Ⅰ标海堤设计平均断面方为1 592 m3/m，Ⅱ标海堤设计平均断面方为1 347 m3/m，将3段海堤堤头爆炸药量和抛石量的相关关系进行比较，其拟合趋势见图4。抛石量在600 m3以下时，爆炸挤淤堤头炸药单耗量干江海堤最大，Ⅱ标海堤次之，Ⅰ标海堤最小，变化趋势和海堤平均断面方量成反比；抛石量在600～1 300 m3/m时，Ⅱ标海堤炸药单耗量高于Ⅰ标海堤。由此表明，在相同环境条件下，爆炸挤淤置换体量的主要因素是抛石荷载，而非单纯依靠炸药用量。

图4 海堤抛石量与炸药量关系图

4 爆炸对海堤沉降的影响范围分析

堤头起爆后，爆炸的综合作用使淤泥和抛石体之间的临界平衡被打破（产生淤泥结构瞬间弱化，强度降低），抛石体在震动及自重荷载的作用下迅速下沉，沉降深度靠近炸药包最大，随着与炸药包的距离增大而逐渐减小。根据起爆前后堤头抛石体高程的测量数据，经计算分析，堤身沉降量与炸药包的距离呈负相关，其数理统计关系十分密切（见表5）。经分析发现，Ⅰ标海堤（平均断面方为1 592 m3/m）爆炸沉降影响距离约为51.0 m，Ⅱ标海堤（平均断面方为1 347 m3/m）爆炸沉降影响距离约为39.8 m，干江海堤（平均断面方为806 m3/m）爆炸沉降影响距离约为33.6 m，反映出堤头爆炸沉降影响距离与抛石体的荷载大小成正比。与炸药包距离不同，对应沉降量见图5。从中可以得出，沉降范围大小与抛石体的体积（荷载）大小成正比，炸药量（单耗）大小不是唯一的影响因素。

图5 海堤距炸药包不同距离沉降关系图

表5 海堤距炸药包不同距离沉降相关关系分析表

5 结 语

（1）海堤抛石数量与炸药数量的关系，并非如规范（程）所表述，抛石置换量越大，炸药单耗用量越大，而是在爆前（一次起爆）抛石的数量（荷载）越大，炸药的单耗量（即单位置换量所需炸药量）越小。反映出在相同环境条件下，爆炸挤淤置换体量的主要因素是抛石荷载，强调抛石的自重挤淤作用[6]，而非单纯依靠炸药用量。

（2）爆炸对海堤沉降的影响范围，堤头起爆后，爆炸的综合作用使抛石体在震动及自重荷载的作用下迅速下沉，沉降深度靠近炸药包最大，随着与炸药包的距离增大而逐渐减小，堤体沉降量与炸药包的距离呈负相关性。

（3）爆炸对海堤沉降的影响程度，是利用多次“炸药起爆——抛石下沉”的叠加效应，加上抛石体的自沉累计深度，最终挤淤形成抛石体达到的置换深度，表明沉降大小和抛石体的荷载大小成正比。

（4）通过现场情况分析，瞬时沉降量越大，由瞬时沉降量所占累计沉降量的比例越大，自沉量越小，工后沉降量越小，沉降期越短；反之，瞬时沉降量越小，瞬时沉降量占累计沉降量的比例越小，自沉量越大，工后沉降量越大，沉降期越长。

因此，提高爆炸挤淤置换淤泥的效果，减少工后沉降，缩短沉降周期，应设法增大瞬时沉降量，也就是适当增大爆前抛石体的数量。