楊 帆，高朋飛,，馬國(guó)強(qiáng)，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(lái)，我國(guó)自然災(zāi)害以洪澇、臺(tái)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(lái)最重汛情。2021年進(jìn)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(yán)重暴雨洪澇和“煙花”臺(tái)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(yán)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(duì)于洪澇、臺(tái)風(fēng)以及山洪泥石流等都應(yīng)用到了爆破技術(shù)來(lái)進(jìn)行搶險(xiǎn)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(lèi)民用和國(guó)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(jī)制影響因素多而復(fù)雜[3,4]。《爆炸動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》[5]、《巖土中的沖擊爆炸效應(yīng)》[6]等書(shū)中討論了土中爆炸效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和理論研究方面的成果。其中爆腔主要從四個(gè)方面來(lái)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(yàn)系數(shù)。

第二種是將土體看成流體，爆生氣體不能滲透進(jìn)土體孔隙中的準(zhǔn)靜態(tài)理論，爆腔體積只與周?chē)橘|(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(dá)到平衡極限時(shí)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(dòng)力變形曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性壓實(shí)，介于靜態(tài)曲線(xiàn)和極限動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)之間，利用爆轟波參數(shù)計(jì)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(xiàn)性加速、卸載與變形速度無(wú)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(dòng)力屈服值和真實(shí)靜水壓力之和。建立一種土在爆炸波通過(guò)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(shí)的巖土質(zhì)點(diǎn)速度。

D Ambrosini[7]、王海亮和萬(wàn)曉智[8-10]、李海超、魏連雨等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)[11-13]，針對(duì)爆腔半徑計(jì)算的公式進(jìn)行了推導(dǎo)，并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)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(guò)試驗(yàn)爆破的炸藥量和爆炸后形成的爆腔體積能確定一個(gè)與炸藥和土壤性質(zhì)有關(guān)的無(wú)量綱常數(shù)，依據(jù)文獻(xiàn)[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(yàn)公式在同等條件下計(jì)算的爆腔體積都較準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)上述四種模型給出的爆腔體積計(jì)算方法比較，結(jié)合爆破試驗(yàn)測(cè)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(shí)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(xiǎn)過(guò)程中仍需要解決兩個(gè)問(wèn)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(shí)間越長(zhǎng)堤身含水率及滲漏量增大，容易發(fā)生散浸、漏洞等危險(xiǎn)，若使用大型挖掘機(jī)械施工，會(huì)造成濕陷性塌陷危險(xiǎn)，有機(jī)毀人亡的風(fēng)險(xiǎn)；二是如何確定快速爆破拆除的方案及參數(shù)，使施工時(shí)間短、爆破可控、拆除有效。

針對(duì)上游高水位下黏性土堤壩爆破拆除搶險(xiǎn)工程需要，通過(guò)設(shè)計(jì)具有吸泥排土功能的鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，通過(guò)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(zhǎng)時(shí)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(guó)家蓄滯洪區(qū)名冊(cè)，總蓄洪面積超過(guò)10 km2，設(shè)計(jì)總蓄洪量為6071萬(wàn)m3。為應(yīng)對(duì)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(cái)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(yùn)用。

2020年7月18日安徽省抗洪指揮部決定對(duì)滁河下游土質(zhì)堤壩進(jìn)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(zhǎng) 5.0 m，迎水面?zhèn)冗呴L(zhǎng)約2.0 m，背水面?zhèn)冗呴L(zhǎng)7.0 m，堤壩高出水面1.0 m。見(jiàn)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(jì)

2.1 鉆孔機(jī)械的設(shè)計(jì)

針對(duì)黏性土較軟，可選用轉(zhuǎn)速慢的手持鉆機(jī)作為空心鉆桿的動(dòng)力，將空心鉆桿通過(guò)軟管與活塞相連，人工用鍬在炮孔位置挖一個(gè)近似長(zhǎng)方體的小坑，鉆孔前往小坑和活塞裝置內(nèi)注滿(mǎn)水，這樣小坑、鉆桿和活塞通過(guò)水產(chǎn)生了密閉空間，利用活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(shí)將鉆出的泥巴吸走，既可以對(duì)爆破孔進(jìn)行清理，又避免了爆破孔容易塌陷、堵塞的情況。見(jiàn)圖2。

圖 2 吸泥清孔鉆機(jī)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(kuò)腔爆破方法和空腔大藥量強(qiáng)拋擲爆破方法組成，主要流程為布孔→鉆孔→裝擴(kuò)腔藥→爆破擴(kuò)腔→檢查擴(kuò)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(zhǔn)備：確定孔網(wǎng)參數(shù)、強(qiáng)拋擲爆破的大藥量、爆腔體積和擴(kuò)腔所需藥量四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，孔網(wǎng)參數(shù)包括孔距、孔深。見(jiàn)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(jì)的孔網(wǎng)參數(shù)在堤壩頂相應(yīng)的位置挖一個(gè)小坑，使用鉆孔設(shè)備移動(dòng)至小坑長(zhǎng)邊的一端進(jìn)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(kuò)腔爆破：在鉆好的孔內(nèi)裝入擴(kuò)腔藥包，爆破擴(kuò)腔，并檢查擴(kuò)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(guò)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(shí)，裝入一個(gè)起爆藥包，如果藥量較大，則分兩次裝入兩個(gè)起爆藥包。

(5)堤壩爆破。

1)填塞炮孔：使用鉆孔出來(lái)的泥巴進(jìn)行堵塞。

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

1)檢查擴(kuò)腔質(zhì)量是在擴(kuò)腔爆破完成后觀(guān)察炮孔處堤壩外觀(guān)，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(jìn)行孔深測(cè)量，通過(guò)鉆孔孔深和擴(kuò)腔后的深度進(jìn)行比較，當(dāng)擴(kuò)腔的孔深大于或等于鉆孔孔深，即可確認(rèn)爆破擴(kuò)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(chǎng)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(jì)

為了達(dá)到泄洪要求，爆破形成加強(qiáng)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(shí)根據(jù)相似三角形可以得出r1/r=(w1-1)/w1，計(jì)算得3.09≤w1≤4.53，同時(shí)結(jié)合鉆機(jī)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(zhǎng)度一半，本次工程r1為4.23 m，w1為最小抵抗線(xiàn)。見(jiàn)圖4。

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

一般壓實(shí)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(jì)算，單孔負(fù)擔(dān)壩體體積101 m3，即單次強(qiáng)拋擲爆破裝藥量要達(dá)到80.8 kg，按照直徑32 mm小藥卷裝箱標(biāo)準(zhǔn)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(guò)大，過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)度200 mm、重量200 g的乳化炸藥或直徑35 mm、長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiàn)表1。

表 1 爆破參數(shù)表

在堤壩頂中間位置布置小坑，即長(zhǎng)50 cm、寬30 cm、深40 cm的長(zhǎng)方體小坑，間隔2.5 m一個(gè)，共12個(gè)；鉆孔深度為3.6 m；裝入擴(kuò)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(shí)起爆。擴(kuò)腔爆破后仔細(xì)檢查擴(kuò)腔質(zhì)量，質(zhì)量合格才能進(jìn)行下一步空腔大藥量強(qiáng)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(gè)起爆藥包，雷管為7 m長(zhǎng)導(dǎo)爆管的MS3段導(dǎo)爆管雷管，每個(gè)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(qiáng)拋擲爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)：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(gè)孔和后6個(gè)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(gè)孔，擴(kuò)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(qiáng)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(jiàn)圖5。

圖 5 爆破效果圖Fig. 5 Blasting effect

3 結(jié)語(yǔ)

(2)通過(guò)設(shè)計(jì)手持鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿作為壓實(shí)土介質(zhì)鉆孔裝置，配合通過(guò)活塞裝置的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生吸力將鉆孔時(shí)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(shí)將鉆出的泥巴吸走，對(duì)爆破孔內(nèi)部進(jìn)行清理，解決了爆破孔容易堵塞的困難，避免了大型挖掘機(jī)械在長(zhǎng)時(shí)間高水位下的擋水土堤壩工作時(shí)塌陷風(fēng)險(xiǎn)。

(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(mǎn)成功，驗(yàn)證了以吸泥排土鉆機(jī)為基礎(chǔ)的擴(kuò)腔+強(qiáng)拋擲爆破拆除技術(shù)應(yīng)用于防汛搶險(xiǎn)中土介質(zhì)建筑物拆除的可行性和有效性。