爆炸挤淤置换法 在深厚淤泥地基海堤工程中的应用

黄 朝 煊

(浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002)

爆炸法处理软土地基可分为爆炸挤密、爆炸固结以及爆炸置换几种，主要在软土、砂土等地基上进行处理。最早Bathaih M H[1]在1932年对爆炸在土体中的物理化学作用进行研究，1940年Prugh B J[2]对砂土地基采用爆炸挤密处理进行了研究，之后，国内外的众多研究者[3-5]对爆炸法处理地基进行了深入的研究，因此获得丰富的资料和成果。但对于爆炸挤淤中需爆炸置换的淤泥深度D、爆炸置换的淤泥宽度以及炸药用量控制等问题仍需深入研究。基于此，本文依托漩门三期围垦工程，对爆炸挤淤置换法进行技术总结，并对爆炸挤淤相关参数进行了探讨。

爆炸挤淤置换法在国内已有30 a以上的研究与应用，目前已在浙江省多个工程(漩门三期围垦工程、玉环中心渔港工程、三门县洋市围垦海堤工程)中应用。

爆炸挤淤置换法是以控制抛填石料的加载高度、速率以及相关爆破技术为核心，将抛填石料挤入淤泥土中的施工方法，从而使得海堤断面结构达到设计稳定断面形式的要求。该施工法理论上是地基处理中换填法的延伸，爆炸挤淤置换法具有节约工程投资和加快工程施工进度的优点。

1 爆炸挤淤置换法

目前，在深淤泥滩涂面上建造海堤，其地基处理主要有2种方法：打设塑料排水板排水固结法[6-8]和爆炸挤淤置换法[9,10]。

爆炸挤淤置换法是利用抛填石料自重下沉到一定深度，然后通过埋设在抛填石料底部炸药的爆炸作用，挤开底部淤泥土，使抛填石料逐次下沉并挤出部分淤泥，达到抛填石料与淤泥软土之间置换的目的。其中炸药的爆炸作用主要有以下几个方面。

(1)爆炸排淤。炸药爆炸产生的高温、高压以及冲击波，使地基软土破坏并被抛掷出去，在药包附近形成较大的爆坑，达到排开淤泥的作用。

(2)堤身爆振下沉。炸药爆炸产生巨大的冲击波使得地基振动，堤身振动使得地基土中产生附加动应力，进而使得堤下地基软土发生破坏而挤出，堤身下沉。

(3)爆炸使堤身密实。堤身抛填石料经过多次爆炸振动作用，变得密实，堤身在后期运行中的堤身压缩量较小。

根据近几年来的理论探讨和工程实践应用，爆炸置换处理淤泥软土的深度在多处已突破20 m，如：象山海军护岸堤最大置换深度达26 m，福建可门电厂护岸最大置换深度达30 m以上，温州市洞头县北岙后二期围垦西围堤最大置换深度达20 m，漩门三期围垦工程置换深度为22 m。

通过相关工程实际对比分析，认为爆炸挤淤置换法处理的海堤后期沉降小(“座落式”后期沉降5～10 cm，“悬浮式”后期沉降20～40 cm)，因此爆炸挤淤置换法比排水插板排水固结法更具优势。

爆炸挤淤置换法处理的海堤工程施工程序为：控制点测量定位→抛填石料→堤头埋设炸药及爆炸→堤身侧面埋设炸药及爆炸→外海侧淤泥鼓包的清理→抛石护坦施工→护面理坡施工→碎石垫层铺设→混凝土灌砌块石施工→内坡的土工布铺设→闭气土方填筑施工→浆砌块石挡墙施工→背水坡土石界面反滤土工布铺设→干砌石护坡施工→堤顶路面施工。 其中炸药埋设示意图见图1。

图1 爆炸挤淤置换法中炸药埋设示意图

2 爆炸挤淤置换法控制性参数研究

《海堤工程爆炸挤淤置换法处理软土地基技术规范》(DB33/T839-2011)(以下简称：浙江省地标“DB33”)[11]分别对“座落式”和“悬浮式”2种爆炸处理断面结构尺寸进行初步表述，但对爆炸前抛填堆石体断面结构尺寸未作深入的定量说明，如爆炸前抛填堆石体宽度、最大处理深度以及抛填进尺等。另外炸药单药包用药量(或线药量)、药包埋深深度、药包间距等，这些爆炸控制性参数选值范围大，工程实际应用中难以控制，参数选取具有较大的不确定性。

2.1 对抛填堆石体自重挤淤深度D0计算分析

对于爆炸挤淤置换法中抛填堆石体自重挤淤深度D0，可采用土体的极限平衡法分析得到，浙江省地标“DB33”[11]附录中也给出了相关方程，抛填堆石体自重挤淤深度D0与堆石填筑体厚度h、顶宽B、淤泥抗剪强度等满足以下关系：

t>0.414B

(1)

式中：t为涂面淤泥厚度，m；B为填筑体顶宽度，m；cu为淤泥不排水抗剪强度，kPa；γ为填筑体平均密度；γs为淤泥的密度。

x3+3x2≈3.68x2-0.10x(0≤x≤0.5)

(2)

图2 函数x3+3 x2高精度二次函数拟合曲线

从而得到抛填堆石体自重挤淤深度D0的直接计算式：

(3)

2.2 对爆炸挤淤置换法悬浮式结构置换深D的建议

对于深淤泥地基上的“悬浮式”爆炸置换结构海堤，需爆炸置换的淤泥深度D，浙江省地标“DB33”[11]中“4.3.4”条认为“按置换深度为堤原涂面以上总高度的2～2.5倍，最大腰宽为置换深度的2～3倍控制。”，该条未考虑软土地基的抗剪强度、淤泥层厚度等重要因素的影响，因此关于“悬浮式”结构淤泥层置换深度D值选取时值得深入研究，笔者通过利用理正软件进行大量滑动稳定计算[12]，得出半经验性的淤泥层置换深度D拟合建议公式：

(4)

其中淤泥层抗剪强度修正参数分别为：

(5)

(6)

式中：H为涂面以上海堤的总高度，m；w为淤泥土层加权平均含水量，%；c为淤泥土层加权平均凝聚力，kPa；φ为淤泥土层加权平均摩擦角 ，(°)；h0为涂面至外海侧第1级消浪平台高度，m。

其中值得说明的是，爆炸挤淤置换法处理后，受淤泥土具有灵敏度的影响，地基淤泥土抗剪强度指标一般具有一定强度折减，因此建议本文中计算式(4)中地基土抗剪强度指标考虑该因素影响，根据浙江水利水电勘测设计院设计的浙江省省内项目，其爆炸法处理后的淤泥土抗剪强度指标一般折减0.8～0.9倍。

2.3 其余参数估算

(1)堤头爆破下沉平均高度D1估算式：

D1=K1(D-D0)

式中：K1为经验系数，一般取0.2～0.6。

(2)单药包重量估算。给定每炮抛填进尺b，考虑到本场址淤泥特性，以及因海堤堤心石均需水上船抛，给抛填进尺控制造成困难，取b=8～10 m，估算式为：

式中：K2为经验系数，一般取0.2～0.4；b为每炮进尺， m；Q为单药包重量，kg。

采用该公式对旋门三期围垦工程进行验算分析(见图3)，实际设计置换淤泥深D=22.5 m，采用本文公式计算推荐值21.7 m，与设计值基本吻合，因此本文式(3)、式(4)具有一定参考价值。

图3 漩门三期爆炸挤淤置换法典型海堤断面(单位：m)

3 爆炸挤淤置换法在漩门三期围垦工程中的应用

3.1 项目概况

漩门三期围垦工程位于玉环县东北的漩门湾，紧靠玉环县政府所在地珠港镇，东濒东海，南接珠港坎门，西邻芦浦，北靠龙溪、干江2镇。工程主要任务是增加陆域土地资源，改善水环境及城市周边防潮排涝条件。

工程围区涂面高程为-4～2 m，围区总面积0.453 万hm2，为Ⅲ等工程。主要由海堤和排涝闸组成，海堤设计标准为50 a一遇设计高潮位与同频率风浪组合，允许部分越浪；水闸挡潮设计标准为50 a一遇设计高潮位与同频风浪组合。初设概算投资为10.7 亿元。

海堤总长5 352 m，分3段：坎门海堤，从半边山经鸟笼屿至目鱼屿，长325 m，涂面高程-2.5～1.0 m(1985国家高程基准，下同)；珠港海堤，位于目鱼屿与冲坦屿之间，长4 077 m，涂面高程-4.2～-3.0 m；干江海堤，从冲坦屿至木杓头南侧，堤长950 m，涂面高程0～-3.5 m。工程布置示意图见图4。

图4 漩门三期围垦工程布置示意图

坎门海堤地基主要由表部的淤泥、碎块石和下部的基岩等组成。堤基表部的淤泥及碎块石厚度较薄，厚度一般小于2 m，工程地质条件较好。

根据地质勘察资料，珠港、干江海堤地基主要由Ⅰ层淤泥夹粉土、Ⅰsil层淤泥、Ⅱ层淤泥、Ⅲ层淤泥质粉质黏土、Ⅳ层黏土夹粉细砂等组成，需要进行地基处理。

石料场选择宫后山和炮台山，岩性为流纹质角砾凝灰岩、钾长花岗岩、凝灰岩及熔结凝灰岩等，新鲜岩石致密坚硬，根据所取岩石的室内试验成果：块石密度为2 571～2 684 kg/m3，新鲜岩石极限抗压强度84～127 MPa，软化系数为0.78～0.86，岩石开挖级别一般为Ⅹ～Ⅺ级。

3.2 海堤结构及施工

海堤采用土石堤，即外侧采用石坝挡潮，内侧采用海涂泥闭气。由于工程处于强风浪区，海堤外坡上部结构选用牢固可靠的整体式埋石混凝土重力直墙，坎门、珠港海堤防浪墙顶高程为10.5m，干江海堤防浪墙顶高程为9.0 m。外坡在高程4.0 m设有消浪平台，消浪平台以下为1∶1.8的斜坡至堤脚。外坡及堤脚采用扭王字块保护。

堤顶混凝土直墙内侧设7.0 m宽的交通公路。公路内侧为闭气土方，闭气土方顶高程为6.0 m，在2.5 m高程设5 m宽的平台，平台以上为1∶4的斜坡，以下为1∶15的斜坡至涂面。

珠港和干江海堤地基均为深厚的淤泥和淤泥质土，需要进行地基处理。爆炸挤淤置换法处理软土地基具有施工进度快，工后沉降小的优势。图5为炸药埋设简图，图6为爆炸现场图及爆炸后抛石落底深度探测试验，图7为根据实际布孔钻探推测爆填石料工后成形断面示意图，结果表明实际施工成形断面与设计断面基本一致，差异主要体现在实际成形断面底座比原设计稍宽厚。

图5 漩门三期围垦工程炸药埋设

图6 漩门三期围垦工程爆炸现场

图7 爆填石料实际钻探推测与原设计对比(单位：m)

3.3 爆炸挤淤置换法前后海堤地基淤泥土力学参数变化

灵敏度表示黏土对结构扰动的灵敏程度，为原状试样的不排水强度与相同含水量下重塑试样的不排水强度之比。灵敏度越大，表示黏土结构扰动后强度影响越大。根据相关规范，灵敏度小于2为低灵敏土，灵敏度2～4为中灵敏土，灵敏度大于4为高灵敏土。

根据相关地质勘探检测，爆炸挤淤置换法施工前后，漩门三期地基土物理力学指标对比见表1、表2。

表1 爆炸挤淤置换法前后海堤地基(Ⅱ层)力学参数变化

表2 爆炸挤淤置换法前后海堤地基土(Ⅲ层)力学参数变化

通过对爆炸前后的淤泥土(Ⅱ层淤泥土、Ⅲ层淤泥质黏土)力学指标进行对比分析可知，由于浙江沿海滩涂结构性淤泥软土具有一定灵敏度，爆炸法处理后的淤泥土强度一般有所降低，其中Ⅱ层淤泥土爆炸法施工后的淤泥土强度折减0.89，Ⅲ层淤泥质黏土爆炸法施工后的淤泥土强度折减0.88，为相关工程设计提供技术参考。

4 结论与建议

本文对爆炸挤淤置换法处理海堤淤泥地基进行了分析说明，并以浙江省水利水电勘测设计院设计的漩门三期围垦工程为例进行案例介绍，主要结论如下。

(1) 结合相关技术规程，如《海堤工程爆炸挤淤置换法处理软土地基技术规范》(DB33/T839-2011)、《爆炸法处理水下地基和基础技术规程》(JTJ258-98)，对爆炸挤淤置换法的技术特点、施工方式等进行说明，认为爆炸挤淤置换法具有处理地基置换深度深、范围大以及施工进度快等显著优势特点，爆炸挤淤置换法是地基处理中换填法的延伸。

(2) 根据土力学理论，对自重挤淤深度D0和悬浮式结构置换深度D进行理论推导分析，并分别给出了具有实用性的理论计算式，通过工程案例验证，结果表明本文所提公式的计算值与实测值基本一致。

(3) 以漩门三期围垦工程为例，对爆炸挤淤置换法进行详细分析，认为爆炸挤淤置换法比普通排水板处理固结法具有施工进度快、工后沉降小的优势。为了验证实际爆炸成形断面与原设计断面的差异，通过现场钻探分析，结果表明实际爆炸成形断面与设计断面基本一致。通过对爆炸前后的淤泥土力学指标进行对比分析，认为爆炸法处理后的淤泥土强度一般有所降低，其爆炸法施工后的淤泥土强度折减一般为0.8～0.9，为相关工程设计提供技术参考。

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