60 m水深沉井助沉水下爆破關(guān)鍵技術(shù)研究

徐順香 陳德志 李本偉 羅鵬 甄夢陽 陳晨

(1.武漢科技大學(xué) 武漢 430081； 2.武漢爆破有限公司 武漢 430056； 3.中鐵二十三局集團(tuán)(湖北)爆破有限公司 武漢 430081； 4.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院 南京 210098)

0 引言

由于造橋資源的緊張和社會(huì)發(fā)展的需要，某長江大橋主塔沉井基礎(chǔ)需建造在硬質(zhì)黏土層中。由于沉井規(guī)模大與沉井基底持力層為硬塑黏土，需要沉井在堅(jiān)硬的黏土中下沉一定距離，導(dǎo)致井壁摩擦阻力與刃腳下土的正面阻力較大，沉井下沉困難。在下沉接觸到硬塑黏土層后，傳統(tǒng)的沉井施工技術(shù)和水下爆破技術(shù)均不能解決沉井在硬塑黏土持力層下沉的難題[1-4]。因此，迫切需要研發(fā)一種切實(shí)可行適用于60 m水深以內(nèi)的基于硬塑黏土持力層的水下爆破助沉技術(shù)，指導(dǎo)工程實(shí)際。

1 沉井助沉水下爆破關(guān)鍵技術(shù)

1.1 預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向管技術(shù)

(1)根據(jù)爆破區(qū)域環(huán)境、地層性質(zhì)和沉井的結(jié)構(gòu)尺寸[5]確定孔網(wǎng)參數(shù)：井壁寬度如果小于1 m，炮孔定在井壁寬度中心線外側(cè)10 cm處，孔距2 m；井壁厚度如果大于1 m，就采用交錯(cuò)雙排孔，一排炮孔定在井壁中心線外側(cè)20 cm處，另一排孔定在井壁中心線內(nèi)側(cè)10 cm處，孔距2 m。分艙板寬度小于1 m時(shí)，炮孔就定在分艙板寬度中心線上，孔距2 m；分艙板寬度大于1 m時(shí)，炮孔就定在分艙板寬度中心線往兩側(cè)各偏離30 cm處，孔距2 m。

(2)按孔網(wǎng)參數(shù)在澆筑沉井時(shí)預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向管：考慮不破壞沉井強(qiáng)度及保證鉆孔效率，選擇公稱外徑160 mm鋼管及PVC管較合適。沉井澆筑混凝土前，在設(shè)計(jì)炮孔位置的鋼筋籠內(nèi)安裝長6 m、公稱外徑160 mm鋼管，此鋼管頂部內(nèi)圈預(yù)制螺紋，固定鋼管豎直后澆灌混凝土至將淹沒鋼管頂部；再在預(yù)埋鋼管頂部正上方鋼筋籠內(nèi)安裝公稱外徑160 mm鋼管或PVC管，此鋼管或PVC管底部外圈預(yù)制與底部鋼管內(nèi)圈螺紋相匹配的螺紋，將上下兩管旋轉(zhuǎn)擰接后用鐵絲固定連接處，再澆筑混凝土；如此反復(fù)加裝鋼管或PVC管即可完成沉井平臺(tái)內(nèi)鉆孔爆破導(dǎo)向管的安裝。

(3)由于在沉井澆筑施工過程中會(huì)出現(xiàn)PVC管被壓碎或傾斜的情況，導(dǎo)致混凝土砂漿進(jìn)入管內(nèi)造成堵孔，故在布孔時(shí)應(yīng)適當(dāng)加密，確保無爆破死角。

1.2 鉆孔方法及設(shè)備研發(fā)

1.2.1 鉆孔方法

利用地質(zhì)鉆鉆孔。在鉆孔前使用量繩測量孔深，預(yù)估鉆孔工作量；將110 mm鉆頭放到孔底，再進(jìn)行鉆進(jìn)，保證鉆頭鉆進(jìn)至少3 m；再利用量繩測量鉆孔，對孔深達(dá)到設(shè)計(jì)要求的鉆孔進(jìn)行裝藥操作。對未達(dá)到要求的鉆孔利用注漿鉆孔法或套管鉆孔法進(jìn)行鉆進(jìn)，直至孔深達(dá)到要求。

(1)注漿法鉆孔。在鉆孔過程中，當(dāng)遇到含砂層或碎夾石層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔深度無法滿足要求。因此，此情況下需進(jìn)行注漿鉆孔，其目的有兩點(diǎn)：其一是由于漿液密度較大，能將砂石沖出孔口；其二是漿液能起到護(hù)壁的效果，保證裝藥前不會(huì)塌孔。采用膨潤土、水、石堿按45%∶50%∶5%比例配制漿液。不建議采用水泥砂漿作為注漿鉆孔法漿液，避免水泥砂漿凝固造成堵孔導(dǎo)致鉆進(jìn)困難。

(2)套管法鉆孔。當(dāng)使用注漿鉆孔時(shí)無法返漿或因夾砂層過厚導(dǎo)致注漿鉆孔法仍會(huì)塌孔時(shí)需采用套管鉆孔法，其目的在于阻隔砂石進(jìn)入炮孔中，確保不出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。利用110 mm鉆頭在預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向管底部鉆進(jìn)3 m深度，再將長度3 m公稱外徑110 mm的PVC管套在直徑90 mm鉆頭上送入預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向管底，然后進(jìn)行鉆孔工作，保證PVC管有50 cm留在預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向管中。

1.2.2 鉆孔設(shè)備研發(fā)

(1)地質(zhì)鉆加工。在水下爆破中使用的地質(zhì)鉆輔助裝置，預(yù)先根據(jù)地質(zhì)鉆尺寸制作固定地質(zhì)鉆的框架。在工作平臺(tái)較窄，無法進(jìn)行地質(zhì)鉆機(jī)操作時(shí)，將預(yù)先制作的框架平臺(tái)安裝在地質(zhì)鉆機(jī)上，并用螺絲、鋼絲繩固定安裝完成，再利用吊機(jī)擺放至工作平臺(tái)，使輔助工作平臺(tái)懸空，以提供一個(gè)操作空間。

(2)輔助鉆孔的套管卡鉗。因河床沙石流動(dòng)性大的特點(diǎn)，故會(huì)遇到所鉆炮孔在鉆桿提出炮孔后產(chǎn)生回填和堵塞，導(dǎo)致炮孔不合規(guī)格嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和效率；故將一根內(nèi)徑大于鉆桿直徑的金屬套管先行垂直于河床放入河床底部，再沿著套管口放入鉆桿進(jìn)行鉆孔，這樣就可以很大程度上降低鉆桿提起后沙石對已鉆炮孔的回填和堵塞。但是此金屬套管在水下無法固定，鉆孔時(shí)伴隨鉆桿有很大幅度的左右蕩動(dòng)，嚴(yán)重影響了鉆桿真實(shí)鉆孔效率，一種在沉井助沉爆破施工中輔助鉆孔的套管卡鉗，使沉井爆破深水下鉆孔能高效地完成。即利用兩根固定用槽鋼將兩根主槽鋼平行焊接一體，其中一根固定用槽鋼在主槽鋼一端焊接，另一根固定用槽鋼在主槽鋼靠中間位置焊接。在兩根主槽鋼上各焊接一個(gè)可開合式合頁，合頁上帶半圓開口，當(dāng)兩個(gè)合頁合上形成閉合圓形時(shí)可正好固定住金屬套管。在主槽鋼底部開橫向卡槽，通過此卡槽可將此設(shè)備安裝固定到基座上。

1.3 一體化藥包安全起爆技術(shù)

由于爆破作業(yè)需要在60 m水深環(huán)境下下進(jìn)行，故炸藥采用防水性能好的中爆速震源藥柱。藥柱直徑75 mm，雷管采用MS3及LP-6導(dǎo)爆管雷管。為了確保所選用的爆破器材在深水條件下可以穩(wěn)定起爆，需要對其做抗水性試驗(yàn)和必要的防水處理。

以直徑90 mm的PVC管為載體，將堵塞物、震源藥柱和雷管制作成為一個(gè)整體，依次為雷管、震源藥柱和堵塞物，如圖1所示。管殼起到承載炸藥、防水保護(hù)裝藥和助沉裝藥的目的；采用預(yù)制填充混凝土塊填塞，填塞長度約1.0～1.5 m；堵頭起到封水、配重及便于尋孔的目的。

圖1 預(yù)制藥包結(jié)構(gòu)示意

1.4 對稱起爆技術(shù)

為提高起爆網(wǎng)路的可靠性，降低單響藥量，采用非電毫秒微差復(fù)式起爆網(wǎng)路，孔內(nèi)起爆雷管用兩發(fā)奧瑞凱LP6段(1 200 ms)起爆雷管，孔外接力雷管用MS-3，為單孔單響起爆網(wǎng)路。起爆網(wǎng)路除需考慮準(zhǔn)爆性外，還需考慮爆破瞬間沉井受力下沉的均勻性和對稱性。因此，爆破起爆網(wǎng)路以沉井中心線為軸，兩側(cè)完全對稱起爆。須遵循下列設(shè)計(jì)原則：

(1)每爆設(shè)計(jì)原則。每次爆破必須根據(jù)當(dāng)時(shí)沉井姿態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮沉井水平測繪數(shù)據(jù)和基底地形變化，不可直接套用前次爆破布孔網(wǎng)路。

(2)沉井平衡最優(yōu)原則。每次爆破必須保證爆破后沉井水平平衡向高程差降低的方向發(fā)展。在沉井自身平衡性較好時(shí)，必須采取中心對稱布置；在沉井已經(jīng)存在自身傾斜時(shí)，應(yīng)優(yōu)先在下沉進(jìn)度慢的一側(cè)進(jìn)行爆破，發(fā)揮糾偏功能。

(3)每響必平衡原則。為保護(hù)刃角結(jié)構(gòu)安全，爆破必須進(jìn)行單控單響網(wǎng)路設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)過程中必須保證每響爆破后，沉井均處在一個(gè)平衡狀態(tài)下。

3 現(xiàn)場效果分析

某大橋1#主塔基沉井水下爆破助沉施工歷經(jīng)27個(gè)工作日的奮戰(zhàn)，成功幫助大橋1#主塔基沉井著床到位。同時(shí)保證了施工區(qū)域內(nèi)設(shè)備設(shè)施、建構(gòu)筑物、沉井自身及長江大堤安全，也保證了沉井基地土層的承載能力。圓滿達(dá)到工程目的，同時(shí)取得了優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

在沉井助沉水下爆破施工中，通過預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向孔降低了鉆孔工作量，同時(shí)提高了鉆孔精度；研發(fā)了一種高效安全的專用鉆孔設(shè)備，簡化了工序，提高了施工效率，并保障了施工安全；研發(fā)了一體化藥包及裝藥技術(shù)，確保藥包順利入孔，保障了沉井助沉水下爆破施工的安全性與可靠性，實(shí)現(xiàn)在沉井筒壁正下方60 m水深鉆孔爆破作業(yè)；通過對稱起爆技術(shù)保證了沉井勻速平穩(wěn)下沉。

4 結(jié)語

大橋塔基坐落在黏土持力層是建橋領(lǐng)域的創(chuàng)新探討，而60 m深水下黏土爆破在爆破工程領(lǐng)域也未見相關(guān)報(bào)道。開展沉井助沉水下爆破關(guān)鍵技術(shù)研究，為大橋主塔施工提供科學(xué)依據(jù)和施工保障，積累科學(xué)數(shù)據(jù)成果和經(jīng)驗(yàn)，為同類工程提供借鑒。開展沉井助沉水下爆破關(guān)鍵技術(shù)研究，使大型橋梁塔基選擇黏土層作為沉井基底持力層成為可能，拓寬了橋梁建設(shè)的選址范圍，促進(jìn)了橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步。