黃土路基中爆炸空腔的填筑技術

王志鵬，李海超，張艷萍，廖克非，常 健

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161;2.軍事交通學院 國防交通系，天津300161;

3.軍事交通學院 學員旅，天津300161)

黃土占據我國西北、華北等地約64 萬km2的疆土［1］，且分布厚度大，濕陷性嚴重。隨著在黃土軟基上修筑公路、鐵路的增多，爆炸法［2］作為一種快速處理深厚黃土路基的方法而得到廣泛重視。爆炸法屬于動力擠密壓實法，做法是在地基鉆孔中埋入工業炸藥，利用其爆炸能量和爆生氣體壓力使地基壓密，并在爆炸空腔中填筑填料，壓實后形成地基。本文在分析黃土中爆炸空腔特性和填筑要求的基礎上，對爆后空腔的填筑材料和填筑工藝進行研究。

1 黃土中爆炸空腔特性和填筑要求

1.1 空腔成因及特性

黃土是一種由固體顆粒、水、孔隙氣體組成的三相可壓縮性介質，在爆炸荷載作用下容易產生較大變形。炸藥爆炸產生105～106個大氣壓的高溫高壓爆生氣體［3］，由于爆炸氣體產物突然膨脹，當爆炸沖擊波波陣面的壓力大于土體強度時，黃土顆粒克服粒間阻力，產生與沖擊波傳播方向相同的位移，土體中的水分被擠出，空氣被壓縮逸出，就會在藥包周圍形成一個較為穩定的空腔(如圖1 所示)。爆炸空腔壁特性表現為:短時間內干燥無水，腔壁土層硬化，甚至由于爆炸產生的高溫使土體從松散結構轉變為不可逆的再結晶塊體，土體的凝聚力大幅度提高且短時間內不會塌陷。然而，由于黃土特殊的水理特性，決定了炸藥在黃土中爆炸后的空腔壁具有特殊的遇水濕陷性。黃土產生濕陷的原因是黃土內部固有的特殊因素和外界適當的條件共同作用的結果，內部因素主要指它的特殊粒狀架空結構及特殊組成成分，外界條件是指水和外力的作用。

圖1 黃土中爆炸空腔形態

1.2 填料粒徑要求

以河北承德道路施工為例，對于既有路面下的爆炸擠密施工，路面開孔直徑只有150 mm(如圖2 所示)，填料的尺寸應該進行嚴格的限制，理論上最大粒徑不應超過開孔直徑的1/4，因此需要利用特定尺寸的網篩進行篩選，填料的篩選和其他施工步驟可以同步進行以縮短工期。

圖2 承德施工時的路面開孔

上述分析是以河北承德高填路基的爆炸擠密加固為背景的，因為考慮到對現有路面的保護，路面開孔較小。對于一般的黃土中爆炸擠密施工，根據擠密區域的大小和布藥方式來確定開孔尺寸，一般為100 ～300 mm。

1.3 填筑時間要求

爆炸作用使得土體中的天然力場發生變化，破壞了原有的平衡狀態，黃土顆粒在爆炸發生后通過自組織和自適應，形成了應力重新分布和結構的再調整。此時，若黃土路基的強度大于重新分布的應力，則將以“和平”的方式維持空腔狀態，否則塌孔破壞。而對于黃土腔壁而言，因其特殊的物質組成和顆粒構造方式，尤其遇水濕陷時，其承載力幾乎喪失。進一步分析爆后空腔壁的特性，爆后空腔壁由于暴露在空氣中，又比較干燥，與地層中孔隙壓力形成一定的壓力差，使周圍土體中的空氣及水向空腔壁方向遷移，時間久了必然引起壁面地下水含量增大，造成濕陷塌方。因此，爆炸擠密法的填筑施工具有很強的時效性，即爆炸后要盡快填筑。另外，爆炸擠密法的施工還應避免選擇在多雨水的季節進行。

1.4 承載能力要求

黃土表現為非均質且多孔的骨架式結構，又由于形成過程中的原生層理構造，導致了黃土的各向異性以及物理力學性質的不均勻性。特殊的結構和物理性質決定了黃土的承載能力偏弱，是一種病害多發的路基材料。因此，爆炸擠密法的作用就是依靠爆炸的能量擠走原來的軟弱介質，填充入新的承載力強的介質。這種置換作用和擠密碎石樁、擠密混凝土樁［4］的原理類似，只不過擠密樁靠的是施加外力作用，爆炸擠密法利用的是爆炸能量。爆后空腔的填筑盡量選用本身強度大、不易壓縮的填料，如級配碎石、砂等，而不宜選用需要進一步壓實的承載力較弱的填料。

2 黃土中爆炸空腔填筑材料選擇

2.1 一般級配粒料

河北承德爆破施工中采用的填料是級配碎石。級配碎石由于其破碎率適當，大小粒徑搭配，既有大粒徑石料形成空間骨架，又有小粒徑石料填充骨架的空隙，容易形成密實結構。級配碎石由于自重大，形狀較規則，直接用小桶傾倒的施工方法是可行的，另外砂也可以采取這種直接傾倒方法。這兩種填料強度大、密實度高、透水性強、原料易得，并且填筑方式操作簡單、迅速，且不容易引起塌孔，是較理想的填筑材料。

施工中采用體積為0.007 065 m3的統一規格量筒盛裝碎石，對空腔進行填筑。記錄碎石體積(見表1)，得到空腔的體積，繪制散點圖及線性擬合結果如圖3 所示。

表1 填筑碎石體積

擬合得到的爆炸空腔體積與炸藥量的關系為

式中:V為爆炸空腔體積，m3;x為炸藥用量，kg。

從上述分析可以看出，炸藥在黃土路基中爆炸，其空腔體積與炸藥量之間存在一定的線性關系，該結論可以為爆后空腔的填筑施工提供一定的參考。

圖3 爆炸空腔體積與炸藥量關系

2.2 粉煤灰等粉料

粉煤灰是煤炭燃燒之后所排放的煙氣細灰，它是煤電廠排出的主要固體廢料。粉煤灰具有多孔結構和球形粒徑的特點，質量較輕、孔隙多且顆粒均勻，具有相當高的水穩性和無黏結性，在松散的狀態下具有較好的滲透性，是一種較為良好的路基填筑材料。由于自重較輕，粉煤灰應用在軟土路堤地段，可以減輕軟土地基的附加應力，從而減少總沉降并能提高路堤穩定性。而且粉煤灰在路基填筑時是可以以混合料的形式存在的，多為二灰土、二灰碎石等拌合物，具有強度高、穩定性好、滲透性好的特點。需要注意的是，粉煤灰在外力的荷載作用下，可以產生一定的壓縮，比相同黏度的土的壓縮變形小，但比起級配碎石和砂石，其壓縮性較大。又因為粉煤灰顆粒自重較輕，不能直接采用傾倒法填筑爆炸空腔，可以配合小型振搗設備進行施工。

2.3 生石灰、水泥等化學固化劑

對于需要加固的軟土地基，根據原土的物理和化學性質，選用合適的固化劑，經拌勻、壓實處理往往可以達到所需要的性能指標。常用的無機固化劑有生石灰、水泥、水玻璃等，有機固化劑包括有機高分子固化劑和生物酶類固化劑。

生石灰作為固化劑用于土體加固，是利用生石灰的吸水、膨脹、放熱作用以及石灰與土的物理化學作用，改善填料與周圍土體的物理力學性質，達到路基加固的目的。摻入的石灰最好選用已經充分磨細的生石灰粉，且石灰質量需滿足三級以上質量要求。

水泥用于軟土地基加固一般采用水泥土攪拌法，可以用于處理正常固結的淤泥與淤泥質土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土以及無流動地下水的飽和松散砂土等地基。用水泥加固軟土時，水泥顆粒表面的礦物很快與填料中的水分發生水解和水化反應，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣等化合物。當水泥的各種水化物生成后，有的自身繼續硬化，形成水泥石骨架，有的與周圍具有一定活性的黏土顆粒發生離子交換和團粒化作用，雙重作用使土體強度提高。

在爆炸空腔的填筑過程中，可以適當應用無機固化劑配合其他填料一并使用。但化學固化劑發生作用的時間周期較長，且都是涉及含水的地下施工，操作難度較大，容易引起塌孔，不適用于時效性要求很高的軟基加固。

3 黃土中爆炸空腔填筑工藝

3.1 級配碎石直接傾倒法

級配良好的碎石，混合均勻后，利用其自身重力直接傾倒的方法，實際的施工效果證明可以達到有效的密實。在填筑級配碎石的過程中，可以間斷性地用軟尺測量孔深，以把握施工進度，當填筑快結束時，視情進行一定程度的搗實，以加強擠密效果(如圖4 所示)。但在使用過程中，一定要注意操作的范圍和強度，避免引起爆腔塌陷。

圖4 直接傾倒法填筑級配碎石

3.2 小型振搗設備配合填筑法

對于一般意義上的地下深層爆破，因為土體受動力壓縮的響應時間較炸藥爆轟時間長得多，可以認為柱形藥包全長同時起爆［5］。然而，由于地下介質的不均勻性，爆炸產生的空腔往往會呈現“串珠狀腔體”，這種腔體形狀采取直接傾倒法往往效果不佳。借鑒混凝土施工中的小型振搗設備(如圖5 所示)，提出孔內深層小直徑振搗設備配合填筑法。這種填筑工藝采用高能量的振搗設備進行振密，不僅使得填料十分密實，而且受到振搗之后的填料對腔壁周土施加側向擠壓力，增大了側壁摩擦阻力，使得腔壁與填料產生很大側向約束的“抱緊”作用。配合填筑灰土、粉煤灰等粉料，邊填筑邊振實，或者填筑一層填料，振實一層，直到填料填滿空腔。這種方式科學有效地解決了直接填筑粉料不易密實的缺點，但涉及施工器械多，振搗器需要專業人員進行操作，所需施工時間較長。該工藝在操作過程中，同樣要注意振動的范圍和強度，避免塌孔。

圖5 插入式振搗設備

3.3 部分注漿法

河北承德爆炸擠密法施工時，在爆腔內填筑了級配碎石之后，對部分爆腔進行了注漿操作。其作用原理是先填筑級配碎石，再灌注水泥漿，碎石水泥漿成樁后，與路基土體共同承擔荷載，成為剛性樁復合地基，大大提高原地基的密實度和承載能力。

但是作為道路工程上的路基處理，成樁后會造成路基剛度不勻，成樁部分是剛性的，而未成樁部分是柔性的，使得行程顛簸，一段時間后還會出現路面下沉量不一，引發次生災害，影響行車。因此，本文提出部分注漿法，即采用分步填筑:第一步，先向深層爆破空腔內填筑級配良好的碎石，然后注入水泥漿液，讓其固結成剛性墩;第二步再向孔徑內注滿碎石、砂或粉煤灰等輕質填料，從路面開孔進行有效夯實，形成散料樁。這樣既保證了爆腔密實，又避免了近路面路基剛度不勻，是一種較為理想的填筑工藝。不足之處是由于分步施工，而且填料種類不一，使得工期延長、時間成本較高。

4 結 語

黃土路基中爆炸空腔的填筑技術，作為黃土中爆炸施工的重要步驟，直接決定了施工效率和加固效果。參考河北承德的爆炸擠密施工，從黃土中爆炸空腔的成因和特性分析入手，對爆后空腔的填料提出了粒徑、填筑時間、承載能力3 方面要求，對可以作為空腔填料的材料進行了分類研究，并提出了與不同填料相適應的級配碎石直接傾倒法、小型振搗設備配合填筑法和部分注漿法填筑工藝，研究成果可以對黃土中爆炸空腔的填筑施工提供一定的指導和借鑒作用。

［1］ 邵生俊，王婷. 一種深厚濕陷性黃土地基的處理方法:ZL200610041776.3［P］.2008.

［2］ 孫連軍，馮勇. 地基處理方法綜述［J］. 山西建筑，2007，33(4):141-142.

［3］ 林大能，王小林，員永峰，等.爆炸擠壓成井藥量估算的理論與實踐［J］.湘潭礦業學院學報，2003，18(3):21-24.

［4］ 朱明，范建華.淺談軟土地基處理方法及施工工藝［J］.山西建筑，2009(1):26-28.

［5］ 林大能，胡偉.爆炸擠壓成腔中的不耦合效應研究［J］.煤炭學報，2002，27(2):144-147.