CN102635108A - 山区沟谷淤泥质软基爆炸法处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种山区沟谷淤泥质软基爆炸法处理工艺，先根据淤泥厚度及其基本物理力学参数进行爆破设计，得到药包质量、抛填进尺量以及药包埋深的参数；然后先在垂直路基轴线修建导堤，并以导堤为基础循环推进，每次循环按照抛填、充水、布药、起爆、补填的步骤进行，直至软基处理结束；最后阶段进行质量检测。本发明与传统的软基处理方法相比较，经济性更好，处理效果更佳，同时可加快施工进度。现场试验表明，与碎石桩法相比，可节约成本15％左右，缩短工期5％左右。另外，该处理方法明显减少了无水情况下爆炸法软基处理技术存在的夹杂淤泥现象，承载力更高。

Description

山区沟谷淤泥质软基爆炸法处理工艺

技术领域

本发明涉及建筑工程领域的地基处理方法，具体的说，是涉及一种针对淤泥质软基的处理工艺。

背景技术

近年来，随着我国交通建设的飞速发展，以公路和铁路为主干的运输网络正逐步扩展和日趋完善。由于我国地质条件复杂，地形地貌多变，交通线路的扩展对建设者和研究人员提出了更高的要求，其中，特殊地区的软弱地基处理就是一个具有高挑战性的问题，而山区沟谷地区的软土地基则在特殊软基中具有鲜明代表性。由于排水不畅，山区沟谷软基具有淤泥层厚度大、常年饱和，材料、电力供应难度大等特点，常规的软基处理技术很难达到满足设计和方便施工的要求。因此，发展山区沟谷陆上特殊地区软基处理技术，提出具有优良经济技术指标的软基处理方法对于保证交通建设的工程质量和满足工程进度具有重要意义。

早在上世纪80年代，由连云港建港指挥部、中科院等单位结合连云港防波堤等港口工程基础处理进行攻关，利用爆破挤淤法成功地解决了长6.7km的西大堤堤防等工程的基础处理问题，取得了以“水下爆破挤淤填石法”为代表的多项技术和理论成果^[1～3]。该套技术主要针对近海域地区防波堤工程的水下淤泥质软基，其特点是，首先在构筑物的基础处、水下淤泥面的表面或泥中铺设一根或一根以上的工程塑料管，然后进行水抛石，再将条形药包装入工程塑料管内，实施堤下爆炸，排挤出抛石体下的淤泥，抛石体落至下部硬土层上，达到挤淤的目的。随后，水下爆破挤淤填石法被广泛应用于国内众多近海域地区的港口、公路的软基处理中^[4～5]，并在技术上作了一定的改进以适应不同的水文地质条件，其中，以“控制加载爆炸挤淤法”为主要代表^[6]。其原理就是利用炸药爆炸产生的巨大能量将地基基础中的软土挤开，同时借助堆石体的自重及炸药爆炸产生的附加荷载将堆石体“压沉”入软土基础中，最终形成设计要求的抛石断面结构的一种施工工法。上述爆炸法施工技术主要适合于近海域地区的饱和淤泥质基础，且存在一定的上覆水层，同时，相应的爆炸设计主要依靠经验。

山区沟谷地区的软土地基与近海地区的淤泥质软基有着很多的相似性，都存在淤泥层厚度大、含水量大、物理力学性质极差以及传统处理法施工难度大的特点。因此，在借鉴水下爆破挤淤填石法的技术后，天津大学等单位将爆炸法处理软基技术推广应用到沟谷地区的软基处理中^[7～9]。但是，在实际操作中，却存在着一些技术问题影响施工进度和处理效果。例如，在江西地区赣定高速公路工程的软基处理中，由于软土层并无上覆水层，采用爆炸法处理后普遍存在碎石层夹有一定量淤泥质软土的情况^[7]，而在内蒙古老集高速公路穿越沟谷湿地段的软基处理中，处理后基础承载力差异较大，部分路段工后沉降明显。

综上所述，由于山区沟谷地区淤泥质软基一般存在厚度大、强度低的特点，同时，由于交通、电力供应不便，传统的软基处理技术，如换填法、置换法、碎石桩法、夯实水泥土桩法等存在成本大、工期长及处理效果差的弊端；而已有的爆炸法软基处理技术，主要针对近海域地区的饱和淤泥质基础，且存在一定的上覆水层，同时，爆炸设计主要依靠经验，也很难推广到山区沟谷软基处理中。因此，就目前技术水平来看，针对山区沟谷地区饱和淤泥质软基，还缺乏能满足施工质量控制要求而经济指标优越的处理技术。

参考文献：

[1]杨振声，张加华，金镠.堤下爆炸挤淤法，中国专利，97125894[P].1999.7.28

[2]葛存榴，刘怀仁.连云港西大堤工程爆炸法处理软基工艺[J].水运工程，1993，12(5)：23～35.

[3]石峰.连云港墟沟港区陆域形成爆炸处理地基工作总结[J].水运工程，1993，12(5)：36～41.

[4]林峰华.爆炸挤淤处理软地基在高速公路建设中的应用[J].工程爆破，2003，9(4)：51～54.

[5]候文恒.爆炸挤淤法处理铁路软土地基施工技术[J]，西部探矿工程，2005，(1)：15～17.

[6]江礼茂.控制加载爆炸挤淤置换法，中国专利，03119314[P].2004.2.25

[7]崔溦，闫澍旺，周宏杰.用爆破挤淤法处理陆上软基[J].爆炸与冲击，2005，25(1)，64～69.

[8]崔溦，闫澍旺，周宏杰.爆破挤淤法处理山区沟谷软基的试验研究[J]，岩石力学与工程学报，2005，24(S)，5231～5236.

[9]Yan Shuwang，Li Baoqiang，Cui Wei.Road foundation improvement by explosive force[J]，Transactions of Tianjin University，2006，12(2)：132-136.

发明内容

本发明要解决的主要是已有爆炸法处理技术导致的夹杂淤泥和处理后路堤不均匀沉降过大的技术问题，提供一种适应于山区沟谷淤泥质软基的爆炸法处理工艺，并建立进行准确爆炸设计的理论方法，该技术可避免已有爆炸法处理技术导致的夹杂淤泥和处理后路堤不均匀沉降过大问题，同时经济指标优越。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种山区沟谷淤泥质软基爆炸法处理工艺，该处理工艺按照如下步骤进行：

(1)爆破设计：根据淤泥厚度及其基本物理力学参数进行爆破设计，由以下公式得到药包质量、抛填进尺量以及药包埋深的参数：

① $Q=\frac{4{\mathrm{\ρ}}_n\·2.18\sqrt{g}}{A}\·w^3\·{\left(\frac{1+n^2}{2}\right)}^2\·[1+B(w+5)]\·\sqrt{\frac{1+f}{2}}$

其中，Q为药包质量，单位为kg；ρ_n为淤泥密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为N/kg；w为药包埋深，单位为m；r为漏斗半径，单位为m；

即漏斗的形状系数；f为淤泥的摩擦系数，取值0.2；A与B为炸药与淤泥的作用系数，根据爆破试验获得；

② $S=\frac{5}{4}r$

其中，S为抛填进尺量，单位为m；r为漏斗半径，单位为m；

③药包埋深 $w=\frac{3}{4}H$

其中，w为药包埋深，单位为m；H为淤泥厚度，单位为m；

(2)施工处理：先垂直路基轴线修建导堤，并以导堤为基础循环推进，每次循环按照如下步骤进行：

a.抛填：采用石料由根部向顶部进行抛填，其中所述石料中的含土量不允许超过5％；

b.充水：根据步骤(1)爆破设计所确定的药包位置采用钢管插入淤泥中进行充水，充水深度在药包埋深以上2～5m，充水速度应低于0.01m³/s，充水量以淤泥表面出现渗水为控制标准；

c.布药：采用陆地布药机根据步骤(1)爆破设计所确定的药包质量和药包位置进行布药，布药机参数应满足：布药深度大于10m，单孔药量大于24kg，最大静压力5～10吨；

d.起爆：采用串联式网络、电起爆的方式进行；

e.起爆结束后完成一次处理循环，根据步骤(1)爆破设计所确定的抛填进尺量再次进行补充抛填以进行下一循环，直至软基处理结束；

(3)质量检测：采用钻探和静载试验及地质雷达检测相结合的方法，对处理后路堤断面的效果进行检测。

对于厚度超过10m的深厚层淤泥，可采用双排药包布药，总药量与步骤(1)爆破设计中所述药包质量的计算一致，底层药包埋深与步骤(1)爆破设计中所述药包埋深的计算一致，上排药包埋深距淤泥表面应在

之间，其中H为淤泥厚度，单位为m。

所述步骤(2)中(a)抛填时，堆石高出处理后堤顶的高度为2～6m，堆高范围5～6m。

对于厚度超过10m的深厚层淤泥，所述步骤(2)中(a)抛填时，堆石高出处理后堤顶的高度为3～6m。

本发明的有益效果是：

按照本发明所提供的处理工艺，药包爆炸后软土内产生瞬时爆腔，在炸药能量作用下，水与淤泥充分混合，以增加其流动性，同时爆炸挤压下部土层和后侧抛石体，使抛石体产生前倾趋势并形成较陡坡面以为其挤入创造条件。随着爆腔的扩展，爆炸冲击力逐渐减弱，前方堆石在其自重及爆破振动作用下下压，填充爆腔同时向路基外侧挤压淤泥，从而达到处理软土地基的目的。在置换淤泥同时，冲击波在淤泥自由表面的反射会引起淤泥表层剥离，经扰动之后的淤泥强度更低，可为下次处理提供条件。

本发明的处理工艺与传统的软基处理方法，如置换法、碎石桩法、夯实水泥土桩法等相比较，经济性更好，处理效果更佳，同时可加快施工进度。现场试验表明，与碎石桩法相比，可节约成本15％左右，缩短工期5％左右。另外，该处理方法明显减少了无水情况下爆炸法软基处理技术存在的夹杂淤泥现象，承载力更高。试验施工表明，利用本发明的处理工艺施工后的地基承载力特征值均大于420KPa，如图3所示；而地质雷达检测结果显示，夹杂淤泥现象也减少明显，如图4所示。

附图说明

图1是本发明的爆炸设计说明示意图；

图2(a)是本发明施工处理中的爆炸前堆石断面示意图；

图2(b)是本发明施工处理中的爆炸后堆石断面及回填断面示意图；

图3(a)是处理后路堤第一断面地基承载力检测结果的P-s曲线图；

图3(b)是处理后路堤第二断面地基承载力检测结果的P-s曲线图；

图4是处理后路堤断面的地质雷达检测结果图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，下面详细说明本发明的山区沟谷淤泥质软基爆炸法处理工艺：

根据淤泥厚度和基本物理力学指标确定爆炸设计的主要参数，包括：药包质量、抛填进尺量以及药包埋深等。

用药量的理论计算公式，可以由下式得出：

$Q=\frac{4{\mathrm{\ρ}}_n\·2.18\sqrt{g}}{A}\·w^3\·{\left(\frac{1+n^2}{2}\right)}^2\·[1+B(w+5)]\·\sqrt{\frac{1+f}{2}}$

其中，Q为药包质量，单位为kg；ρ_n为淤泥密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为N/kg；w为药包埋深，单位为m；r为漏斗半径，单位为m；

即漏斗的形状系数；f为淤泥的摩擦系数，取值0.2；A与B为炸药与淤泥的作用系数，根据爆破试验获得。参数Q、r、w反映了布药性质，参数ρ_n、f反映了淤泥性质。

抛填进尺量可由

大致确定，其中，S为抛填进尺量，单位为m；r为漏斗半径，也可理解为布药距离，单位为m；

药包埋深与淤泥厚度的关系可由漏斗锥心位置确定，大致可由

得到，其中，w为药包埋深，单位为m；H为淤泥厚度，单位为m；

对于厚度超过10m的深厚层淤泥，可采用双排药包布药，总药量及底层药包埋深上述计算一致，上排药包埋深距淤泥表面应在

之间。

施工处理时，宜先在垂直路基轴线修建一定宽度的导堤，路堤高出淤泥面至少1m，并以此为基础循环推进。每次循环先进行堤头填爆，爆至距端头约50m时，改为在内侧抛填，向外侧进行堤侧爆破。堤头、堤侧爆破完成后，对路基两侧坡脚石方进行爆夯落底处理。具体地，每次循环按照如下步骤进行：

抛填：采用石料由根部向顶部进行抛填，抛填料可采用其他基础及边坡处理等开挖料，但要注意其中强风化岩体及软岩开挖料含量应低于20％，石料中的含土量(含泥量)不允许超过5％。一般来讲，堆石高出处理后堤顶的高度为2～6m，堆高范围5～6m；而对于超过10m的深厚淤泥，堤前堆料高度应控制为不小于3m。爆填断面如图2(a)所示。

充水：根据前述爆破设计所确定的药包位置，采用钢管插入淤泥中一定深度进行充水，充水时应控制充水位置、充水速度和充水量。充水位置应在药包埋深以上2～3m；充水速度不能太快，以低于0.01m³/s为宜，充水量以淤泥表面出现渗水为控制标准。

布药：采用陆地布药机根据前述爆破设计所确定的药包质量和药包位置进行布药，布药机参数应满足：布药深度大于10m，单孔药量大于24kg，最大静压力5～10吨。

陆地布药机可采用挖掘机加装装药器，装药器采用约φ21.3cm钢套管，钢套管长度大于淤泥厚度2m以上，应严格控制药包埋深。药包应注意防水，导爆管串联式网络连接于导爆索上，导爆索绑在毫秒微差电雷管上。

采用反铲挖掘机作为陆地布药机施工作业时，先将药包填充至装药器底部，然后挖掘机就位，起吊装药器至设计孔口位置，下放装药器，在装药器自重及挖掘机的反压作用下，使套管下沉。装药器下沉过程不宜太快，以保证装药器的垂直度。套管底至设计深度后，通过下设药包自动脱钩装置将药包放至孔底，最后提拔套管，完成一次布药循环。为使药包便于搬动，容易从套管中脱出，药包直径应比套管内径略小。

采用陆地布药机应核算其吊能力，即起吊一定重量时的有效作业半径，主要与淤泥的力学指标有关。计算装药器侧壁摩阻力时，淤泥的粘聚力可取天然强度的10％～20％。

起爆：采用串联式网络、电起爆的方式进行。

布药时，每个药包的导爆索或非电雷管拉到堤上用主导爆索或非电雷管联接，当单次起爆药量较大时，应核算爆破振动影响，并宜采用分段起爆技术。布药连接结束后检查无误并做好警戒安全后用电雷管引爆。

起爆过程须控制爆破可能引起的各种危害，包括震动、个别飞散物、冲击波、噪音等对周围的危害。为了防止过大的爆破震动影响周围建筑物的安全，必要时需进行地震参数测试。

起爆结束后完成一次处理循环，如图2(b)所示。根据步骤(1)爆破设计所确定的抛填进尺量再次进行补抛以进行下一循环，直至软基处理结束。

为严格控制处理效果，每一个施工环节都要有专人进行质量控制，做好完整的抛石计量记录，每次爆破完后进行断面测量，并采用地质雷达仪、钻孔和静压载荷试验检查处理效果。

采用地质雷达勘测断面，查明爆填堤心石与混合过渡层的厚度、断面形状。宜按每5米堤身选择一个断面进行勘测，勘测时间应在爆炸处理完后。

采用钻孔检测抛石体下部状态。全堤钻孔至少布置4个，根据淤泥厚度至少布置3个测量断面，建议一个断面钻两孔，分别在堤顶和外侧坡上。第一次钻孔与探地雷达同步进行，钻孔通过抛石层进入持力层。

对爆炸施工结束的堤身，每50米设置一个沉降位移观测点，定期观测，单点观测连续时间路基填土施工前每天观察一次，至工程竣工验收。在施工填土施工中每填高一米观测一次，进入路面施工后每半月观察一次。

尽管上面结合附图和优选实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种山区沟谷淤泥质软基爆炸法处理工艺，其特征在于，该处理工艺按照如下步骤进行：

(1)爆破设计：根据淤泥厚度及其基本物理力学参数进行爆破设计，由以下公式得到药包质量、抛填进尺量以及药包埋深的参数：

① $Q=\frac{4{\mathrm{\ρ}}_n\·2.18\sqrt{g}}{A}\·w^3\·{\left(\frac{1+n^2}{2}\right)}^2\·[1+B(w+5)]\·\sqrt{\frac{1+f}{2}}$

其中，Q为药包质量，单位为kg；ρ_n为淤泥密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为N/kg；w为药包埋深，单位为m；r为漏斗半径，单位为m；

即漏斗的形状系数；f为淤泥的摩擦系数，取值0.2；A与B为炸药与淤泥的作用系数，根据爆破试验获得；

② $S=\frac{5}{4}r$

其中，S为抛填进尺量，单位为m；r为漏斗半径，单位为m；

③药包埋深 $w=\frac{3}{4}H$

其中，w为药包埋深，单位为m；H为淤泥厚度，单位为m；

(2)施工处理：先垂直路基轴线修建导堤，并以导堤为基础循环推进，每次循环按照如下步骤进行：

a.抛填：采用石料由根部向顶部进行抛填，其中所述石料中的含土量不允许超过5％；

b.充水：根据步骤(1)爆破设计所确定的药包位置采用钢管插入淤泥中进行充水，充水深度在药包埋深以上2～5m，充水速度应低于0.01m³/s，充水量以淤泥表面出现渗水为控制标准；

c.布药：采用陆地布药机根据步骤(1)爆破设计所确定的药包质量和药包位置进行布药，布药机参数应满足：布药深度大于10m，单孔药量大于24kg，最大静压力5～10吨；

d.起爆：采用串联式网络、电起爆的方式进行；

e.起爆结束后完成一次处理循环，根据步骤(1)爆破设计所确定的抛填进尺量再次进行补充抛填以进行下一循环，直至软基处理结束；

(3)质量检测：采用钻探和静载试验及地质雷达检测相结合的方法，对处理后路堤断面的效果进行检测。

2.根据权利要求1所述的一种山区沟谷淤泥质软基充水爆炸法处理工艺，其特征在于，对于厚度超过10m的深厚层淤泥，可采用双排药包布药，总药量与步骤(1)爆破设计中所述药包质量的计算一致，底层药包埋深与步骤(1)爆破设计中所述药包埋深的计算一致，上排药包埋深距淤泥表面应在

之间，其中H为淤泥厚度，单位为m。

3.根据权利要求1所述的一种山区沟谷淤泥质软基充水爆炸法处理工艺，其特征在于，所述步骤(2)中(a)抛填时，堆石高出处理后堤顶的高度为2～6m，堆高范围5～6m。

4.根据权利要求1所述的一种山区沟谷淤泥质软基充水爆炸法处理工艺，其特征在于，对于厚度超过10m的深厚层淤泥，所述步骤(2)中(a)抛填时，堆石高出处理后堤顶的高度为3～6m。

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