偏心爆破擠淤技術(shù)應(yīng)用研究

王衛(wèi)東，宋兵

（連云港港口工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

爆破擠淤法是利用炸藥爆炸的力量將石料置換淤泥的動(dòng)力地基處理方法，適合于海堤及圍堰地基處理。爆破擠淤法施工工藝是通過(guò)爆破形成空腔讓已拋土石方靠自重填入空腔，并落在硬土層上，形成在原軟土層內(nèi)含土石方比例較大的混合體。拋石工藝采用陸上拋填，先進(jìn)行堤頭爆填，每次爆破循環(huán)推進(jìn)量一般為6～8 m，然后進(jìn)行側(cè)爆，使坡腳充分落底，最終形成堤身坡度為1∶0.8～1∶1.5。該方法顯著優(yōu)點(diǎn)是非常適合淺灘作業(yè)條件，拋石和埋藥、起爆可全部在陸上施工完成，不存在挖泥和棄土問(wèn)題；不需要大型施工機(jī)械設(shè)備和復(fù)雜的施工工藝，施工速度較快、投資省、見效快；軟基處理深度可達(dá)到10～30 m，落底效果好，成堤和陸域吹填時(shí)的整體穩(wěn)定性強(qiáng)。

1 工程情況

連云港海濱新城金海一期陸域形成海堤及圍堰工程位于黃海海州灣南部，海堤及圍堰總長(zhǎng)近15 800 m。根據(jù)勘探資料，場(chǎng)區(qū)土質(zhì)表層為淤泥，淤泥層層底標(biāo)高-11.65～-6.70 m，平均-9.13 m；厚度5.15～11.75 m，平均8.17 m。該淤泥層含水量高，孔隙比大，壓縮性高，力學(xué)強(qiáng)度低及透水性差，為海灣緩慢流水條件下的沉積物，易產(chǎn)生沉降和不均勻沉降，屬不良工程地質(zhì)。針對(duì)該地區(qū)的地質(zhì)條件，工程采用爆破擠淤施工工藝進(jìn)行施工。爆破擠淤填石筑堤工藝為連云港當(dāng)?shù)匕l(fā)明，具有施工速度快、工期短、工后沉降小、沉降時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。

2 常規(guī)爆破擠淤技術(shù)運(yùn)用的局限性

當(dāng)軟土厚度在15 m以內(nèi)時(shí)，常規(guī)爆破法要求圍堰橫斷面落底寬度為不小于0.8倍堤底寬度B，其中堤中落地寬度為0.4B，內(nèi)外坡為0.2B，經(jīng)爆破后堤底殘留混合層厚度≤1.0 m，形成如圖1的典型斷面。

連云港海濱新城金海一期陸域形成海堤及圍堰工程若采用常規(guī)爆破擠淤技術(shù)，即通過(guò)堤頭爆填法推進(jìn)形成拋石堤身，然后進(jìn)行兩側(cè)爆破將形成圖1所示斷面，這樣的斷面其拋填開山石的工程量是非常巨大的。尋求一種結(jié)構(gòu)上安全可靠、工后沉降小、工程量小的優(yōu)化斷面迫在眉睫。

3 設(shè)計(jì)斷面型式及穩(wěn)定計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)斷面型式

根據(jù)圍堰內(nèi)側(cè)吹填的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)上采用“堤頭端部偏心爆填（將炸藥布置在軸線的外側(cè)）+海側(cè)爆填，海側(cè)坡腳爆夯”的施工工序，經(jīng)過(guò)堤頭爆填，堤身海側(cè)爆填，外側(cè)坡腳爆夯、理坡以及護(hù)面結(jié)構(gòu)等工序形成近期和遠(yuǎn)期斷面型式，詳見圖2和圖3，此斷面比常規(guī)爆破擠淤斷面節(jié)省21%的用石量。

圖1 常規(guī)爆破擠淤典型斷面圖

圖2 近期斷面

圖3 遠(yuǎn)期斷面

3.2 斷面穩(wěn)定計(jì)算

為了保證以上設(shè)計(jì)斷面的可行性，分別對(duì)近期和遠(yuǎn)期斷面的不利情況進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。對(duì)于近期，最不利情況即堤后方吹填對(duì)堤的不利影響。近期斷面設(shè)計(jì)頂標(biāo)高為6.5 m，吹填標(biāo)高為6.5 m，吹填土為淤泥，并考慮10 kPa施工荷載，計(jì)算結(jié)果詳見圖4。

圖4 近期穩(wěn)定計(jì)算圖

根據(jù)計(jì)算，該斷面穩(wěn)定系數(shù)：k=1.204，滿足規(guī)范要求。

為了確保使用期海堤的穩(wěn)定性，現(xiàn)對(duì)海堤的遠(yuǎn)期斷面穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，考慮10 kN使用荷載，其計(jì)算結(jié)果如圖5。

圖5 遠(yuǎn)期穩(wěn)定計(jì)算圖

根據(jù)計(jì)算，該斷面穩(wěn)定系數(shù)：k=1.254，滿足規(guī)范要求。因此，偏心爆破擠淤技術(shù)在理論上是可行的。

4 施工工藝

本工程采用偏心爆破擠淤技術(shù)處理軟基，雖然偏心爆破擠淤的機(jī)理與傳統(tǒng)爆破擠淤機(jī)理一致，但是在施工工藝上略有不同，即在炸藥擺放位置上不同。在堤頭爆填時(shí)，埋藥的位置是偏軸線的而不是對(duì)稱的（如圖6），這樣就形成了不對(duì)稱的斷面，從而符合設(shè)計(jì)斷面的要求。

圖6 端部爆破平面示意圖

4.1 堤頭爆填

4.1.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

1）藥量計(jì)算：

①線藥量：q=（0.2～0.6）LH·Hm

式中：q為線藥量，kg/m；LH為單循環(huán)進(jìn)尺量，一般為8～12 m；Hm為淤泥深度，m，本工程按9 m計(jì)算。

②單次爆炸藥量 Q=（0.8～1.2）B·q。

式中：B為堤頭處寬度，m。如果爆炸場(chǎng)地附近有重要建筑物時(shí)，一次爆炸總藥量應(yīng)根據(jù)爆炸振動(dòng)速度公式進(jìn)行驗(yàn)算。

2）藥包埋深：HB=（0.45～0.55）Hm，m。

3）藥包間距b：一般取2～3 m。

4）群藥包寬度：LB=（0.8～1.2）B，m。

4.1.2 施工工序

采用自卸卡車按設(shè)計(jì)要求推填堤心，當(dāng)達(dá)到爆填進(jìn)尺時(shí)，開始爆填作業(yè)。在推填堤心前方一定距離內(nèi)，將藥包埋入淤泥下，采用導(dǎo)爆索傳爆網(wǎng)絡(luò)，陸上起爆。爆炸動(dòng)能將淤泥排開，形成爆坑，同時(shí)爆炸的震動(dòng)效應(yīng)使淤泥受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，強(qiáng)度大大降低，堤頭石料在瞬時(shí)內(nèi)塌落，并沿淤泥強(qiáng)度小的方向滑移。在嚴(yán)格控制進(jìn)尺和拋填量的情況下，經(jīng)過(guò)多次爆炸和振動(dòng)，石料落到持力層上，完成了石料對(duì)淤泥的置換。工藝過(guò)程：①設(shè)立堤軸線和兩側(cè)拋填邊沿線標(biāo)記；②按兩側(cè)拋填邊沿線標(biāo)記和進(jìn)尺要求進(jìn)行拋填；③進(jìn)行堤頭進(jìn)尺、堤身寬度及高程測(cè)量，滿足要求后進(jìn)行裝藥作業(yè)，否則補(bǔ)拋；④在推填堤心石前方一定距離內(nèi)，將藥包埋入淤泥下，采用導(dǎo)爆索傳爆網(wǎng)絡(luò)陸上起爆；⑤爆炸動(dòng)能將淤泥排開，形成爆坑，同時(shí)爆炸的震動(dòng)效應(yīng)使淤泥受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，強(qiáng)度大大降低，堤頭石料在瞬時(shí)內(nèi)塌落，并沿淤泥強(qiáng)度小的方向滑移；⑥在嚴(yán)格控制進(jìn)尺和拋填量的情況下，經(jīng)過(guò)多次爆炸和振動(dòng)，石料落到持力層上，完成了石料對(duì)淤泥的置換。

4.2 堤身側(cè)爆填

完成堤頭爆填后，石料基本落到持力層上，在本工程中為滿足圍堰承受側(cè)向荷載的要求，仍需對(duì)堤身外側(cè)進(jìn)行側(cè)爆填，以便加寬堤身和整形，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如圖7所示。爆炸設(shè)計(jì)和施工方法與堤頭爆填相同。一般情況下，堤身側(cè)爆填可在堤頭爆填后100 m時(shí)開始。堤身側(cè)爆填循環(huán)進(jìn)尺一般為30～60 m。按設(shè)計(jì)要求，外側(cè)進(jìn)行1次側(cè)爆。

圖7 側(cè)面爆破平面示意圖

堤頭和堤身內(nèi)、外側(cè)爆填處理后，經(jīng)理坡達(dá)到設(shè)計(jì)斷面。

布藥方式都為陸上裝藥，不受風(fēng)浪及氣候的影響。

4.3 外側(cè)坡腳平臺(tái)爆夯

完成堤頭和側(cè)向爆填，對(duì)圍堰進(jìn)行補(bǔ)拋達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，在外側(cè)坡腳平臺(tái)進(jìn)行一次爆夯，使平臺(tái)進(jìn)一步密實(shí)和整形，如圖8所示。

圖8 爆夯過(guò)程示意圖

5 階段檢測(cè)

5.1 體積平衡檢驗(yàn)

根據(jù)每炮拋填石料質(zhì)量、方量記錄，堤心爆填進(jìn)尺每30 m左右進(jìn)行1次體積平衡檢驗(yàn)，即在準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)上堤方量的基礎(chǔ)上，比對(duì)設(shè)計(jì)斷面方量，以便確定堤心石落底情況。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，可適當(dāng)調(diào)整爆炸參數(shù)。

5.2 鉆孔檢測(cè)

采用拋石體鉆孔檢測(cè)方法，直接探明拋石體下部狀態(tài)。鉆孔位置由業(yè)主單位和監(jiān)理單位共同確定。在堤完成200 m后，鉆2～4個(gè)孔進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果作為調(diào)整拋填及爆破參數(shù)的依據(jù)。其它鉆孔檢測(cè)可在爆炸處理過(guò)程中或者結(jié)束后進(jìn)行。

5.3 沉降位移觀測(cè)

爆炸處理結(jié)束時(shí)，在堤身上設(shè)立沉降和位移觀測(cè)點(diǎn)各15個(gè)，連續(xù)觀測(cè)3個(gè)月，累積沉降量應(yīng)小于20 cm。

6 效果檢測(cè)

6.1 鉆孔檢測(cè)

考慮到爆破落底對(duì)圍堤的穩(wěn)定至關(guān)重要，需對(duì)已施工的圍堤進(jìn)行檢測(cè)。共布置3個(gè)檢測(cè)斷面分別位于圍堤側(cè)、中側(cè)、東側(cè)，每個(gè)檢測(cè)斷面3個(gè)鉆孔，共9個(gè)鉆孔。檢測(cè)結(jié)果表明，9個(gè)孔均無(wú)殘留淤泥，塊石均落底，達(dá)到設(shè)計(jì)斷面，從而保證了堤的穩(wěn)定性。

6.2 沉降位移檢測(cè)

為確保施工期和使用期圍堤的穩(wěn)定情況，在施工期必須進(jìn)行地基監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，隨時(shí)掌握地基的變形和穩(wěn)定情況，以利于指導(dǎo)和調(diào)整施工速率，保證工程質(zhì)量。本次監(jiān)測(cè)布置沉降觀測(cè)點(diǎn)和位移觀測(cè)點(diǎn)分別為11個(gè)，觀測(cè)時(shí)間為5個(gè)月，主要是圍堤內(nèi)吹填期的觀測(cè)。為了更好地掌握沉降和位移變化過(guò)程，選取觀測(cè)點(diǎn)繪制出其平均沉降和位移隨時(shí)間的變化曲線，如圖9。

圖9 沉降和位移變化曲線

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，堤頂產(chǎn)生的累積沉降量為251 mm，累積側(cè)向位移為2 mm，觀測(cè)期間最大沉降速率為0.86 mm/d，最大位移速率為0.9 mm/d。沉降速率和位移速率均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，從而保證了施工期間圍堤的安全性和穩(wěn)定性。

偏心爆破擠淤方法是在現(xiàn)有爆破擠淤法上的改進(jìn)，由于該種方法形成的斷面尺寸小于傳統(tǒng)爆破擠淤法，因此可以節(jié)省一定的藥量、石料以及工期，即節(jié)省一定的資金和時(shí)間。另一方面，從海堤穩(wěn)定性來(lái)看，偏心爆破擠淤斷面穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求且穩(wěn)定系數(shù)較好。

7 結(jié)語(yǔ)

1）偏心爆破擠淤法在海濱新城的施工已經(jīng)基本完成，通過(guò)多種檢測(cè)方法檢測(cè)表明，工程質(zhì)量完全合格達(dá)到設(shè)計(jì)要求，表明偏心爆破擠淤技術(shù)在本工程中取得了成功。

2）偏心爆破擠淤是傳統(tǒng)爆破擠淤的改良，它具有比傳統(tǒng)的爆破擠淤更節(jié)約成本，節(jié)省時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。

3）偏心爆破擠淤的前景是廣闊的,但有必要進(jìn)一步對(duì)不同地區(qū)和性質(zhì)的軟土進(jìn)行不同品種炸藥使用的設(shè)計(jì)參數(shù)研究,以便進(jìn)一步積累工程設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)。

4）偏心爆破擠淤法在連云港海濱新城工程中的成功應(yīng)用為以后同類工程的施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1]武可貴，高兆福.淤泥地基爆炸排水加固的試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究，1998（6）：178-184.

[2]張建華.爆炸法處理水下軟基筑堤法[J].水運(yùn)工程，1998（6）：29-33.

[3]許連坡.填石排淤法中的爆炸作用[J].爆炸與沖擊，1992，12（1）：54-61.

[4]金謬，石峰.關(guān)于爆炸法處理水下淤泥地基的工藝[J].中國(guó)港灣建設(shè)，1999（3）：16-27.