爆破挤淤施工技术发展概述
刘永强 杨仕春
(北京中科力爆炸技术工程有限公司，北京，100035)
摘要：本文回顾了爆破挤淤的发展历史，介绍了爆破挤淤机理的新认识和重要突破，总结了爆破挤淤新工艺和技术改进方面的进展，指出爆破挤淤良好的发展前景，并重点分析了爆破挤淤作业对环境的不良影响和制约爆破挤淤发展的关键因素，进而提出后续技术研究方向。
关键词：爆破挤淤；爆破机理；复合软基；直立堤；水生生物
1爆破挤淤软基处理技术概要
1．1软基处理分类及特点
在土建、交通、水利工程中，当天然的地基强度和变形不能满足工程要求时，需要对地基进行处理。软土地基的处理质量是保证建筑物安全、高效运营的关键，也直接影响到地基的基础承载力。地基处理方法众多，对每一个具体的工程往往都有其特殊性，通常的处理方法有两大类。
(1)软基加固法。主要包括：插纸板、堆载预压、真空预压、砂桩(井)、碎石桩、旋喷桩等方法。
(2)淤泥置换法。包括用开山石料或砂换填软基和爆破排淤填石法(或称爆破挤淤法)。
1．2爆破挤淤法的发展历史
20世纪80年代中期，由于连云港口人堤建设的需要，由中国科学院力学研究所、连云港建港指挥部、中交三航设计院、连云港锦屏磷矿四家单位组成联合科研组开展了爆破排淤填石法的技术研究工作，并在连云港海军堤和连云港西大堤工程中得到应用(见图1)，研究成果曾获国家专利金奖和国家科技进步二等奖。从20世纪90年代开始，该项技术在南起三亚北至大连沿海海洋工程中得到普遍应用。淤泥处理深度由最初的10m左右，到目前普遍20多米，更深达到38m(福建可门电厂工程)，个别工程局部达到42m深(浙江头门港南围堤工程)。
随着淤泥处理深度的加大，工程应用的扩大，促使对爆破挤淤的认识经历了三个主要阶段：理论探索期(20世纪80年代)、实践反作用期(20世纪90年代)和确立新认识期(2000年以来)。
1．3爆破挤淤发展前景
爆炸法挤淤的原理不同于其他软基处理方法，它不是通过提高和改善淤泥层的自身承载力，诸如排水固结或是加入某些特殊材料和加固等，而是在通过爆炸作用改变淤泥结构性强度的同时利用堆石体本身的自重作用挤淤，达到泥、石置换目的。这种方法实质上是抛石挤淤和压载挤淤的进一步发展。抛石挤淤仅限于淤泥层厚度小于3m的情况，即使是加载的情况下也只能达到4～6m的挤淤深度，而利用爆炸法则可以达到更深的挤淤深度，这无疑使其能应用于深厚淤泥层上的防波堤建设，具有很高的技术经济推广价值。
应用爆破挤淤新技术处理水下软基具有以下优点：使业主方填海设备更安全可靠、缩短沉降期、地基后期沉降小及造价低等：近儿在国内得到迅速地推广和应用，并且在环保、质量、安全等方面具有明显的优势。
根据国家沿海经济发展规划，需要在沿海海域扩展将海岸线衍生，大量的沿海水工工程的建设面临越来越复杂的地质状况，要求我们不断地解决深厚淤泥(20～40m)、特殊地质条件和复杂周边环境软基处理难题。
随着爆破挤淤新技术的不断发展，各种地质条件下的处理技术不断成熟，对石料的要求可以根据不同工程的要求适当放宽，应用范围也不断扩大，扩展到水利、火电厂、核电厂、造船厂、铁路、公路、矿山等既可用于沿海海域也可以在江河内湖中应用。
2爆破挤淤机理分析
2．1爆破挤淤技术可行性分析
爆破挤淤技术是否可行，主要从充足的石料、足够的能量、淤泥的出路三方面进行分析。
(1)充足的石料。主要有两层含义：一是石料的来源得到保障；二是置换过程中要有足够的石料。置换过程中要有足够的石料，这一点属于技术层面，需要有合理的抛填参数。
(2)足够的能量。用石料置换淤泥的过程实际上也是能量做功的过程，置换越深需要做的功越大，需要的能量越大。能量除炸药爆炸做功的能量外，还包括势能-抛填高程，原则上抛得越高，势能越大，利用自重挤淤的深度越深。
(3)充分的淤泥出路。为实现泥石置换，需要有淤泥排出的通道，还要有淤泥排出后的堆积空问，统称为淤泥的出路。在特殊地质条件及周围的环境下，淤泥的出路不良时，需创造充分的淤泥出路。
2．2技术发展初期形成的爆破挤淤机理
初期机理建立在“几何相似理论”基础上，提出了“泥下石舌”和“瞬间置换”的概念，爆破置换淤泥深度与炸药在泥下爆炸形成的爆坑大小相关，爆坑的大小决定了能够置换的深度。
基于专利“水下淤泥质软基的爆炸处理法”，采用陆上抛填和在水下淤泥质软基中埋置炸药控制爆破的方法，使排淤和填石同步进行，被称作爆炸排淤填石法[1]。
2．3机理新认识
应用“强度相似理论”，把土力学中承载力和有效应力等概念引入到爆炸力学中，将爆炸产生的冲击和振动载荷与淤泥强度的丧失相联系，利用炸药的强烈载荷扰动和上部抛石体重力的共同作用，使淤泥在瞬间丧失强度和承载能力，失稳并产生滑动，使抛石体下沉、落底。
新认识强调覆盖水对软化淤泥影响、抛填参数的合理设计、圆弧滑动计算的作用。
基于认识而获得新专利“水下淤泥质软地基爆炸定向滑移处理法”，与以往认识的不同之处在于，限定位置的淤泥内埋置群药包，群药包爆炸产生的强扰动使深层淤泥的强度大大降低，形成抛石体定向滑移，实现泥、石置换，达到软地基处理的要求[2]。
2．4重视防波堤、护岸堤身的失稳分析
爆破挤淤施工抛填参数设计至关重要，设计时，在堤身整体稳定验算满足要求的条件下，堤身坡脚结构应主要从构造上充分考虑，以防止局部失稳。确保堤身落底达到设计标高和堤侧水下平台完整形成是防止堤身发生失稳破坏的关键，合理的施工方法是保证堤身整体和局部稳定的重要条件。
王健等[3]结合工程实例，对爆炸挤淤防波堤、护岸堤身的失稳形式进行分析，讨论堤身失稳的两种主要形式，即整体失稳和局部失稳，并从设计和施工两个方面提出保证堤身稳定应注意的要点。
在施工中设计抛填参数时，要充分考虑堤身的失稳因素，重点注意堤身稳定的要点，保证堤身断面轮廓的准确性，尤其是落底宽度、最大腰宽、水上水下平台高程与宽度以及堤身内外坡角的位置。
3爆破挤淤新工艺应用与技术发展
随着爆破挤淤技术的发展，应用范围逐渐扩大，从常见的斜坡式围堤、护岸、防波堤发展到直立式海堤，由线式海堤发展到面式软基区大面积回填，由单一淤泥地质发展到含砂层、含卵石层复杂地质情况，由新建海堤发展到不稳定的陈旧老堤改造，由单一的陆上抛填石料发展到可结合水上抛填。工艺改进上由爆破推进进尺4～6m发展到最大可达8～10m，大大提高施工进度，使爆破挤淤工艺应用更加广泛。装药机具的改进主要有挖机直插式装药、吊机振冲式装药及船式装药。
3．1 水抛石爆破挤淤筑堤技术与工程应用
针对岛式防波堤、码头等离岸构筑物，提供一种水抛石水下淤泥质软地基爆炸处理方法。该方法根据水抛石施工的特性进行分层抛填，根据水抛石的厚度控制最佳布药位置。利用爆炸作用机理，横向与侧向同时布设药包，对淤泥质软基原位扰动，使水抛石原位均匀沉降，通过“抛填一爆破一抛填”循环施工多次后实现泥石背换，直至达到软地基处理的要求。
离岸构筑物(如岛式防波堤、离岸码头等)的深厚软基爆炸挤淤处理，采取多层抛填、堤身横向与侧向爆破联合起爆的方式，从而达到双向推进的目的。
3．2控制海堤落底底层为软弱淤泥层的爆破挤淤技术
在遇到超深厚淤泥时，应用爆破挤淤置换处理软基时，考虑到足够的置换石料造价很高或超深厚淤泥爆破挤淤难度大时，在设计沉降计算、稳定性验算的基础上置换部分淤泥，运用控制海堤落底底层为软弱淤泥层的爆破挤淤技术。此项技术的推广应用更丰富了爆破挤淤的应用前景，为超深厚软基处理提供了新的解决思路。
以华润电力苍南电厂防波堤爆破挤淤工程为例，原泥面地质可勘查淤泥厚度超过50m，具体深度不详，设计只置换其中28m，控制海堤落底底层为软弱淤泥层，是一项典型的控制海堤落底底层为软弱淤泥层的新技术。抛填参数、爆破参数设计要求更加精细化，施工中应加强沉降观察，根据沉降情况和石料体积平衡计算情况，对防波堤抛填堤顶高程进行控制并作动态调整，如未达要求应及时补抛填石料，做好质量过程控制。处理后的堤身宽度与落底深度均能满足设计要求，未被爆破置换的淤泥没有被扰动破坏，工程于2011年竣工，竣工验收一次通过，防波堤经受了2013年超强台风考验。
3．3 复合软基条件下爆破挤淤技术
随着海岸线衍生发展，建设工程地质情况越来越复杂，由处理单一淤泥，转变为处理各种复杂复合软基，如：淤泥含砂、含黏土层、含贝壳层、含卵石层等。
此类复杂地质条件下的爆破挤淤软基处理，需要重点解决两个难题，一是如何进行穿透硬夹层的装药，二是如何解决淤泥出路将夹层形成流动，排出设计堤身断面，实现泥石置换。
在遇到此类工程难题时，首先解决装药器的问题，目前可用的有以下几种：(1)锤击式；(2)挖掘机液压震冲式；(3)吊机电震冲式。
解决另一个工程难点是含硬夹层的流动性问题，需要足够的爆炸能量和充分的排出通道，一方面将夹层液化，一方面随淤泥流动排出。处理方法有：(1)侧向挤淤法；(2)双排药包法；(3)双层药包法；(4)预处理法。
通常的爆破挤淤筑堤为斜坡式海堤，这与直立堤、码头式海堤的修建工艺有较大的差别，爆填处理中，将堤头与堤的两侧同时爆破，使堤头与两侧同时落底。爆填处理后，进行基床爆夯和整平，并安放混凝土块。
3．5大进尺爆破挤淤技术
《水运工程爆破技术规范》给出的爆破挤淤筑堤每次推进的水平距离为4～6m。目前技术实施的进尺为6～8m，个刖工程达到10m。其中，在长兴岛西防波堤的爆破挤淤筑堤施工过程中，根据环境、水深、泥厚、堤高以及工程进度要求条件，通过力学计算和可行性及风险分析，达到了最大单次进尺18m，采用体积平衡验算和钻孔探测得到的挤淤效果检测表明，大进尺推进部位未发现有淤泥火层，落底情况较好，达到了设计要求。“。
3．6侧向爆破挤淤技术
侧向爆破挤淤技术是先以子堤方式直接抛填，再以侧向爆填方式向两侧扩展，最终形成堤身全段面。适用于淤泥出路不畅的情况，尤其遇到海堤合拢段施工时常采用此项技术，特殊环境下可以借鉴使用。
成功的工程实例有：浙江省头门港南围堤工程，U形槽地质，淤泥深度40m，可以使堤下淤泥排出，应用效果良好；浙江三门二电厂老堤改造工程，开挖侧向槽后侧爆推进，侧向槽是创造的淤泥出路，侧爆后淤泥顺利从侧向槽中排出，应用效果良好；宁德电厂厂区大面积爆破挤淤，因行不成堤头式推进的工作面，利用侧向爆破逐步推进，应用效果良好。
4爆破安全及不良影响控制
爆破挤淤施工的危害厅式主要表现为：水中冲击波、爆破振动作用和淤泥及碎石的抛掷。
可能危及的对象包括：周边水域来往船只、水下工作人员、陆上施工人员、周围建(构)筑物和水下生物。
4．1水下爆破振动安全核算
评价各种爆破对不同类型建(构)造物和其他保护对象的振动影响，应采用不同的安全判据和允许标准。
振动速度可按式(1)计算：
v=K(R/Q1/3)-a (1)
式中v----介质质点振动速度，cm／s；
Q----同段起爆的最大药量，kg；
R----爆心距，即测点至爆破源的距离，m；
K，a----与爆破振动安全距离有关的系数、指数，它们与爆区的地质、地形条件和爆破方式有关。抛填石料地基，通常取K=450，a=1．65。
在爆破挤淤振动测试中得出振动频率约为10Hz，与一般房屋的固有频率更为接近，对房屋的危害较土石方台阶爆破时要大。爆破挤淤测振数据分析时，需要关注振动频率的大小，在振动控制中需通过调整埋深和覆盖水深改变振动频率。
4．2 水下爆破作业对水生生物资源的影响
近年来，随着沿海养殖业的大规模发展，个别地区对养殖区域没有统一规划，与建设工程选址发生冲突，在养殖区周边进行爆破挤淤施工和养殖业中间的矛盾日益突出，在辽宁大连、福建省、广东等地都有出现因考虑到对养殖区的保护被迫取消爆破挤淤施工工艺，变更设计，改为其他非爆破办法的软基处理。爆破作业对水下生物的影响问题，建设方与设计方在项目立项和施工准备期中应予特别重视。
4．2．1 爆炸导致鱼类受伤或死亡的机理
爆炸导致鱼类死亡是由爆炸中鱼鳔破裂所引起的(对于有鳔鱼类来说)。除了鱼鳔以外，其他内部器官也容易受到损伤。随着到爆炸点距离的增大，鱼类受到爆炸的影响会越来越小。而对于无鳔鱼类来说，同样条件下存活的机会要大得多。对于同种鱼类来说，体重越轻的鱼受到爆炸的影响会越大[6]。
为了保护产卵区域鱼卵和仔幼鱼不受到爆炸的伤害，在加拿大渔业水域爆炸物使用指南中，还规定了在爆炸施工中，不同数量的爆炸物应该离开鱼类产卵地的最小距离。50kg炸药量的爆炸对鱼类安全距离为143m，100kg炸药量的爆炸安全距离为200m。在鱼类产卵区域及其附近进行爆破施工时，保持规定的安全距离对于减少或避免爆炸对鱼卵和仔幼鱼的影响很有必要。
水下冲击波对鱼类伤害可以按冲击波超压和安全能量密度进行安全核算。
4．2．2 水下冲击波超压安全核算
由库尔公式计算冲击波超压见式(2)：
式中Pm----冲击波超压；
Q----等效TNT当量的炸药(使用乳化炸药计算时需要等效为TNT当量的炸药)；
R----到爆源的距离。
计算后的冲击波衰减曲线如图2所示。
梁向前等[7]对爆破挤淤水中冲击波特性进行了研究，并在实际工程中进行了水中冲击波的监测。运用数理统计方法进行综合回归分析后，可以得到使用乳化炸药爆破挤淤时，水中冲击波的传播衰减经验公式为：Pm=195(Q1/3／R)1.31。
赵根[8]等通过对试验实测成果和有关文献资料的分析，认为鱼类承受水中冲击波的能力不仅与鱼类的品种有关，还与鱼类的生活环境有关。对于石首鱼科鱼类的水中冲击波超压安全控制标准应小于O．05MPa；对于处于自由状态的非石首鱼科鱼类，和处于约束状态如网箱内的非石首鱼科鱼类分别为0．30MPa和0．20MPa。
4．2．3 由鱼类安全能量密度的公式估算鱼类的爆破安全距离
美国学者库尔在深水区进行了一系列实验，归纳水中冲击波波阵面的能量密度见式(3)：
经过此公式变形为
式中 R----安全距离，m；
Q----齐发的总药量，延时爆破是单响的最大药量，kg；
k----炸药系数；
Ef----水中冲击波对鱼类的安全能量密度，J/m2.
通过作图得出能量桁瞍随距离变化的关系如图3所示。
计算结果：当药量为360kg的时候，石首科鱼类的安全距离为439m。
以上用于估算鱼类在爆炸中的安全距离的公式是用于在水中发生爆炸的情况。爆破挤淤作业时，往往是将炸药埋入淤泥中，这时发生爆炸对鱼类的影响往往小于在水中爆炸的情形。
4．3减小爆破对水生物影响的措施
减小爆破对水生物影响的措施如下：
(1)有关爆破操作的优化设计以及建立在爆破设计基础上的减轻影响的措施。也就是说，通过采取适当措施，减少爆炸产生的压强、冲量和能量向水域中的传播。
(2)对爆炸的潜在影响进行评估，并从生物学方面考虑应采取的措施，包括施工时尽量避开鱼类的主要洞游、广：印季节，避开产卵区域或鱼类幼鱼生长区域。
(3)对爆炸的潜在影响进行评估，然后从物理学角度采取措施来减轻这种影响。从爆炸设计的角度采取必要的拼拖，减少渔业水域环境中爆炸冲击波的强度，以减轻爆炸可能对渔业资源的影响；另一方面，对爆破施工进行时间限制，尽量避免在敏感区域进行爆破作业。还可以利用爆炸以外的其他驱赶方法将鱼类赶出爆炸实施区域。还有一种物理方法就是在爆炸点周围制造气泡幕，可以大大减少从爆炸点传出的压力，从而有效地避免爆炸对周围鱼类和环境的影响。
为了研究气泡幕用于减轻爆炸对周围鱼类影响的效果，Keevin等人专门做了试验。试验是用2kg高爆炸药(T-100)在1．25m的水深对蓝鳃太阳鱼(L． macrochirus)进行的(每组蓝鳃太阳鱼为50尾，离炸药的距离分别为6．5m、9．0m、11．5m和14．0m)。试验结果表明，气泡幕可以将爆炸中能够导致鱼类受伤或死亡的3个重要指标峰值压强、冲量和能通量密度分别减少99．4％～87．5％、89．8％～80．7％和99．8％～89．7％，而蓝鳃太阳鱼的死亡率从不用气泡幕的100％减少到使用气泡幕时的零。由于使用气泡幕的成本很高，在有些情况下操作起来会有一定的困难，因此只在爆破施工对周围鱼类或环境带来很大危害的情况下才会被采用[9]。
5结语
爆破挤淤施工技术经过近30年的理论研究、实践应用以及现场施工技术改进，取得了长足的进步，随着大量建设工程的应用，条件的不断变化，会出现更多需要解决的课题，后续研究与应用的方向有：
(1)爆破挤淤对周围环境的影响将是爆破挤淤发展前景上最不利的因素，施工中需要加强爆破安全控制，对爆破安全加大研究力度，研究适宜于爆破挤淤精细的延时爆破技术、对建(构)筑物起到有效防护的措施、减小对鱼类伤害盼可靠措施等。
(2)对复杂地质环境下爆破挤淤工程的可行性需要在项目初设阶段作论证，分析技术的可行性，必要时做现场试验研究，为建设方、设计方提供可靠的论证依据。
(3)将数码雷管应用于爆破挤淤施工，通过理论研究与试验研究，采取延时干扰和叠加的办法实现对淤泥软化的改进措施，以减小炸约使用量，实现成本控制与环境保护的双重效果。 ．
(4)发展物探实时监测技术，对泥石置换深度作实时监测，可更好地控制堤身落底深度和断面轮廓，更精细地控制石料消耗，保证工程质量与成本控制的双重效果。
参考文献
[1]张建华，等．水下淤泥质软基的爆炸处理法：中旧，87106811．7[P]．1989．
[2]张建华．水下淤泥质软地基爆炸定向滑移处理法：中国，99122358．6[P]．1999．
[3]王健，等．爆炸挤淤防波堤、护岸堤身的失稳形式分析[J]．水运工程，2012，06．
[4]王田，等．大进尺爆破挤淤筑堤施工方法的探讨[J]．爆破，2011，03．
[5]顾毅成，等．工程爆破安全[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2009．
[6]李文涛，张秀梅．水下爆破施工对鱼类影响的估算及预防措施[J]．科学视野，2003，27(11)．
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[9]Keevin T M，Hempen G L． A tiered approach to mitigating the environmental effects of underwater blasting[J]．Joumal of Explosives Engineering，1995，13：20～25．
摘自《中国爆破新进展》