深水區(qū)厚淤泥層回填石渣爆破擠淤技術(shù)

張 敏，林玉葵，李曉杰

(1.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116083；2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

爆破擠淤是軟土地基處理中采用強(qiáng)制換置法中的一種，與傳統(tǒng)的挖泥和軟基處理方法相比，該技術(shù)工藝比較簡單，不需要大型水上施工船舶機(jī)械設(shè)備，具有施工進(jìn)度快、費(fèi)用低、對環(huán)境污染小等特點(diǎn)，在護(hù)岸、防波堤、碼頭等水工工程中被廣泛應(yīng)用。但由于受淤泥和土層的性質(zhì)與分布、施工技術(shù)與工藝、開山石料質(zhì)量和作業(yè)環(huán)境條件的影響，造成石料未落到持力層上(下部包有淤泥)，爆破擠淤的質(zhì)量未達(dá)到要求，在爆破擠淤施工過程中或在后期(上部結(jié)構(gòu)完成后使用階段)基礎(chǔ)發(fā)生沉降、滑移，造成項(xiàng)目停工、設(shè)備損失、人員傷亡的事故屢有發(fā)生，所以建設(shè)、設(shè)計(jì)和監(jiān)理單位對爆破擠淤工藝的采用、施工隊(duì)伍的選擇特別慎重，質(zhì)量要求特別嚴(yán)格。

爆破擠淤的工作原理是通過在石體的前方一定距離和深度的淤泥中埋放藥包，當(dāng)藥包在石體前部爆炸時(shí)，爆炸瞬間的高壓氣體將藥包附近的淤泥擠開，在淤泥內(nèi)部形成空腔，同時(shí)石體在自身的重力作用下產(chǎn)生石體坍塌填充了空腔，石體下沉到持力層，在短時(shí)間內(nèi)完成了軟土和石體的置換從而滿足堤基的承載力要求。由于爆后大量的回填石料滑落覆蓋在基礎(chǔ)上(屬隱蔽工程)，質(zhì)量檢測采用鉆孔法(目前最準(zhǔn)確的方法)，鉆孔需穿過回填塊石效率低、費(fèi)用高、難度大，若質(zhì)量不合格后續(xù)處理更是特別困難。在確定的地質(zhì)和環(huán)境條件下，爆破擠淤質(zhì)量關(guān)鍵因素是爆破空腔和石體的滑落速度，石體的大小尤為關(guān)鍵。對相同藥量的情況下，大塊石較小塊石重量大、滑落快、擠淤的效果好，反之效果差，為了確保爆破擠淤的效果，對回填開山石料的質(zhì)量要求以中、大塊石料為主[1-8]。北良西護(hù)岸工程淤泥層最大厚度14 m，水深達(dá)17 m。堤心石由業(yè)主供料，采用廠區(qū)北部開山石渣,為石英砂巖、板巖(見圖1)，不符合設(shè)計(jì)堤心采用5～300 kg開山石的要求。爆破擠淤采用回填石渣在以往的工程中特別少見，況且在厚淤泥層和深水區(qū)，難度特別大，所以爆破擠淤施工的質(zhì)量是關(guān)鍵，關(guān)系到項(xiàng)目的成敗。

圖1 西護(hù)岸堤心回填石渣Fig.1 Backfilling dike core with fragmental rock in the west coastal revetment

1 工程概況

北良西護(hù)岸位于遼東半島大連灣東岸大孤山半島的西咀處(北緯38°58′5″，東經(jīng)121°48′5″)，碼頭處于大連口岸對外開放水域，與大連市區(qū)隔海相望。

西護(hù)岸設(shè)計(jì)軸線方位為N135°～315°，西北端與原有的防波堤連接，東南端至散稻泊位，西護(hù)岸總長1 390.056 m，其中直線段長1 239 m，與原有防波堤連接弧段長151.056 m。K0+080～ K1+189直線段1 109 m，基礎(chǔ)采用爆破擠淤處理方式(見圖2)。西護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面，頂寬12.0 m，堤頂高程5.5 m，擋浪墻頂高程8.7 m。堤心采用5～300 kg開山塊石，含土量小于5%(見圖 3)。地層分布依次為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土。設(shè)計(jì)要求爆破擠淤使開山塊石落至粉質(zhì)黏土上。爆破擠淤實(shí)際施工長度1 088 m，方量(堤心石爆填)為181萬m3。

圖2 西護(hù)岸平面Fig.2 The plane of west coastal revetment

圖3 西護(hù)岸典型斷面Fig.3 Typical section of west coastal revetment

2 施工方法

根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，確定采用端進(jìn)法施工(見圖4)。在回填堤頭的前端淤泥內(nèi)埋設(shè)1排藥包，引爆藥包,爆炸所產(chǎn)生氣體將淤泥向四周擠出并向上拋擲形成長條形爆槽，鄰近爆槽的堤頭堆石渣體在重力、振動(dòng)作用下滑向爆槽，形成瞬時(shí)定向滑移與泥石置換。塌落石渣滑向爆槽后形成“石舌”。在爆后堤頭回填石渣形成新的堤頭，新的回填體將“石舌”上部淤泥擠走并壓結(jié)在“石舌”上，在新的回填堤頭前方繼續(xù)埋藥爆炸，經(jīng)多次“回填、爆炸”重復(fù)進(jìn)行完成護(hù)岸堤心石爆填施工。

圖4 護(hù)岸爆破擠淤Fig.4 Blasting squeezing silt of coastal revetment

由于設(shè)計(jì)護(hù)岸位置在距離陸域200 m外的水域，連接護(hù)岸的原有防波堤不具備運(yùn)渣車輛通行的條件，選擇在距離護(hù)岸最近的岸邊填筑施工通道進(jìn)行爆破擠淤，完成通道段護(hù)岸爆破擠淤后，再向兩側(cè)推進(jìn)，如圖5所示。爆破擠淤總的施工順序首先進(jìn)行K0+127～K0+147段，再進(jìn)行K0+147～K0+197試驗(yàn)段，再由K0+127、K0+197分別向兩端進(jìn)行。

圖5 爆破擠淤施工順序Fig.5 Construction sequence of blasting squeezing silt

1)K0+127～K0+147段。本段為施工通道，根據(jù)現(xiàn)場的陸域回填岸線和設(shè)計(jì)護(hù)岸的位置，確定在距離護(hù)岸最近的K0+127～K0+147段先開始施工。在回填大區(qū)南側(cè)回填一條施工通道向南推進(jìn)，施工通道采用側(cè)向(相對護(hù)岸方向)爆破擠淤的方法(見圖6)。首次回填坡頂距護(hù)岸定位軸線60 m，堤頂寬度為20 m，回填達(dá)到要求后進(jìn)行布藥爆破，按照回填、布藥爆破多次循環(huán)進(jìn)行達(dá)到護(hù)岸縱向爆破擠淤施工所需工作面。

圖6 側(cè)向爆破擠淤(K0+127～K0+147)Fig.6 Lateral blasting squeezing silt(K0+127～K0+147)

2)K0+147～K0+197段。本段為試驗(yàn)段，在通道爆破擠淤完成后，進(jìn)行該段長50 m試驗(yàn)段爆破擠淤。采用端部縱向爆破推進(jìn)與外側(cè)爆破相結(jié)合的方法(見圖7)，即先進(jìn)行多次縱向回填、布藥爆破，當(dāng)端部縱向推進(jìn)完成50 m后，再進(jìn)行外側(cè)爆破擠淤。

圖7 縱向爆破擠淤(K0+147～K0+197)Fig.7 Longitudinal blasting squeezing silt(K0+147～K0+197)

3)K0+127～K0+080、K0+197～K1+189段。根據(jù)試驗(yàn)段爆破擠淤效果，對回填斷面與爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，按照與試驗(yàn)段相同的方法進(jìn)行爆破擠淤施工，如圖8所示。

圖8 縱向爆破擠淤(K0+127～K0+080,K0+197～K1+189)Fig.8 Longitudinal blasting squeezing silt(K0+127～K0+080,K0+197～K1+189)

3 施工工藝

爆破施工的工藝流程如圖9所示。在堤身前端和側(cè)面泥下布藥進(jìn)行爆破擠淤，堤側(cè)坡腳布藥進(jìn)行爆破夯實(shí)。每次爆破后進(jìn)行水下探測與測量，及時(shí)反饋給回填，以保證工程質(zhì)量。

圖9 爆破擠淤工藝流程Fig.9 Technological process of blasting squeezing silt

3.1 堤心回填

K0+127～K0+147段(通道)堤心回填：考慮施工通道需要滿足運(yùn)渣車輛安全通行的要求，回填斷面的頂寬為20.0 m，頂標(biāo)高為+4.0 m，邊坡1∶1，如圖10、圖11所示。

圖10 回填斷面(K0+127～K0+147)Fig.10 Cross section of backfill dike(K0+127～K0+147)

圖11 回填縱斷面(K0+127～K0+147)Fig.11 Longitudinal section of backfill dike(K0+127～K0+147)

K0+147～K0+197段(試驗(yàn)段)護(hù)岸堤心回填：回填斷面頂寬分別為44.0 m，頂標(biāo)高為+4.0 m，邊坡1∶1，如圖12所示。

圖12 回填斷面(K0+147～K0+197)Fig.12 Cross section of backfill dike(K0+147～K0+197)

K0+127～K0+080、K0+197～K1+189段堤心回填：回填斷面頂寬分別為36.0 m，頂標(biāo)高為+4.0 m，邊坡1∶1.5，如圖13所示。

圖13 回填斷面(K0+127～K0+80,K0+197～K0+197～K1+189)Fig.13 Cross section of backfill dike(K0+127～K0+80,K0+197～K1+189)

3.2 水深測量

采用測深儀在施工前和每次爆破前、后進(jìn)行水深測量。爆前水深測量范圍為設(shè)計(jì)護(hù)岸及施工影響區(qū)(護(hù)岸邊線周邊40 m)，爆后測量范圍自回填石堤前端后10 m起測至石舌前端20 m。測點(diǎn)間距為5 m一個(gè)斷面、5 m一個(gè)點(diǎn)。

3.3 藥包制作與布設(shè)

根據(jù)藥包的長度割取適量長度的導(dǎo)爆索，將塑料導(dǎo)爆管毫秒雷管綁扎在導(dǎo)爆索上，從乳化藥包(長度方向)中間穿過，用麻繩在藥包的兩端扎緊。采用100 t履帶吊輔助15 kW振沖式裝藥器按設(shè)計(jì)位置與深度進(jìn)行布藥(見圖14)，由下藥器的底端將塑料導(dǎo)爆管經(jīng)水面拉出至堤頭。

圖14 裝藥機(jī)工作Fig.14 Explosive charge machine at work

3.4 起爆網(wǎng)路

采用導(dǎo)爆管毫秒延時(shí)網(wǎng)路，以瞬發(fā)電雷管起爆，起爆網(wǎng)路如圖15所示。

圖15 起爆網(wǎng)路Fig.15 Initiation network

3.5 堤心石渣層探摸

用下藥器探摸石渣層前端(石舌)推行的位置、分布、落底狀況，檢測確定推進(jìn)實(shí)際距離，確定下一循環(huán)爆破的布藥位置(樁號(hào))。

3.6 側(cè)向爆填

堤身縱向爆填每完成50 m后，根據(jù)堤身外側(cè)石渣層在淤泥中的分布狀況和落底情況，在外側(cè)補(bǔ)填石渣，按照與縱向爆破相同方法布藥進(jìn)行側(cè)向爆破，使堤心達(dá)到設(shè)計(jì)護(hù)岸斷面要求。

3.7 外側(cè)坡腳爆夯

在設(shè)計(jì)坡腳平臺(tái)位置按設(shè)計(jì)斷面寬度進(jìn)行補(bǔ)拋塊石，高程高于設(shè)計(jì)1～2 m。藥包布置在平臺(tái)石料表面爆夯(見圖16)。

圖16 外側(cè)坡腳爆夯藥包布置Fig.16 Explosive ramming charge locationon the outer slope toe of dike

4 爆破參數(shù)

根據(jù)《水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范》(JTS 204-2008)和爆破擠淤的機(jī)理，考慮該項(xiàng)目淤泥層厚、水深、回填石渣等不利因素，設(shè)計(jì)加大了爆破擠淤的單耗(加大藥量)，爆破參數(shù)取值與計(jì)算如下。

4.1 堤心擠淤

1)成孔直徑：d≥30 cm；單耗：q0=0.25 kg/m3；一次推進(jìn)水平距離：Lh=7 m。

2)線裝藥量：ql=q0LhHn=1.75Hn(Hn為淤泥平均厚度，m)；單孔裝藥量:Q1=qlLa,(La為布藥長度，m)；藥包埋深：H=0.6Hn；其他參數(shù)如表1所示。

表1 堤心爆破擠淤參數(shù)Table 1 Parameters of blasting squeezing silt of dike core

4.2 坡腳平臺(tái)爆破夯實(shí)

表2 爆破夯實(shí)參數(shù)Table 2 Parameter of explosive ramming

5 施工困難與解決措施

5.1 施工中的困難

1)爆淤推進(jìn)距離小，端部淤泥隆起高，進(jìn)度慢、難度大。由于淤泥層厚、回填石渣塊小，爆破后向爆槽回落速度慢，擠排的淤泥少、端部推進(jìn)距離比較近，堆積在端部的淤泥量大(局部高出原泥面達(dá)8 m)。

2)爆后斷面外側(cè)寬度大，清理邊坡時(shí)挖方量過大。由于水深、回填碎石塊小，爆后堤身的外側(cè)(海域一側(cè))的坡度較緩，超出設(shè)計(jì)斷面，導(dǎo)致清理邊坡時(shí)挖方量過大。

3)停工期間端部石渣滑移遠(yuǎn)，處理難。工程于2012年5月開工，在端部推進(jìn)到樁號(hào)K0+324時(shí)，由于陸域大區(qū)回填擠出來的淤泥進(jìn)入護(hù)岸區(qū)內(nèi)，使得淤泥面升高3～4 m,爆破擠淤厚度增大、難度增大(方量增加)。建設(shè)單位根據(jù)專家會(huì)意見，為了保證擠淤的質(zhì)量，確保護(hù)岸基礎(chǔ)穩(wěn)定，決定停止爆破擠淤施工與陸域大區(qū)回填，采用挖泥船挖出回淤部分(原泥面以上)淤泥后再恢復(fù)爆破擠淤施工。于2012年9月16日停工，2014年2月21日復(fù)工。由于停工時(shí)間過長，受風(fēng)浪、潮流作用石渣滑移距離堤頭遠(yuǎn)，造成吊車不敢靠近堤頭作業(yè)區(qū)、下藥管遇石渣層不能將藥包布置在要求深度，施工難度大。

4)對接段淤泥面高、泥石混合面大、距離長，施工難度大。為了確保東部散稻泊位沉箱的穩(wěn)定，對接段確定在東側(cè)K0+852～K0+948段。由于兩端擠淤的推進(jìn)，距離較小，大量的淤泥堆積在對接段，使對接段淤泥面升高；陸域一側(cè)的回填石料大量滑入對接段區(qū)域，泥石混合段寬，下藥管無法成孔，藥包不能送至到淤泥中。由于兩堤頭距離較短，挖泥船進(jìn)入作業(yè)困難，且挖泥會(huì)使堤頭及陸域回填區(qū)產(chǎn)生大量的坍塌，挖方量大，造成石料的浪費(fèi)、不經(jīng)濟(jì)。

5.2 解決措施

1)方案與爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)。采用了縱向推進(jìn)與側(cè)向爆破擠淤相結(jié)合，坡腳爆夯的多種爆破方法。布藥設(shè)備采用起重量為100 t(吊距大)的大型履帶吊。施工總順序按排依次為通道、試驗(yàn)段，再向兩端推進(jìn)爆破。確保通道與護(hù)岸爆破擠淤及護(hù)岸段主體施工有序銜接。

加大爆破擠淤藥量，炸藥單耗取較大值，比當(dāng)?shù)仡愃票茢D淤工程增加了20%～30%。

進(jìn)行試驗(yàn)段爆破，并由第三方進(jìn)行鉆孔檢測，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、優(yōu)化了參數(shù)。

為了確保質(zhì)量，K0+324～K0+345段采用了常規(guī)的挖泥船挖泥，挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高(持力層)。K0+345～K0+375段采用泥面下布藥與石渣面上布藥相結(jié)合的方法，水底為淤泥將藥包按設(shè)計(jì)布置在淤泥中，水底遇石渣層將藥包布置(固定)石渣層表面上，石渣面布藥藥量為48 kg，其中臨近石渣面的泥下布藥孔加大藥量，增加24 kg，其余泥面下布藥按原設(shè)計(jì)藥量。

K0+852～K0+948段采用泥面下布藥與石渣面上布藥相結(jié)合的側(cè)向爆破擠淤法，在陸側(cè)距離護(hù)岸定位軸線30 m開始探摸布置藥包，由陸側(cè)向海側(cè)進(jìn)行多次爆破、回填。水底為淤泥將藥包布置在淤泥中，水底為遇碎石層將藥包布置(固定)碎石層表面上，采用參數(shù)如表3所示。

表3 側(cè)向爆破擠淤參數(shù)Table 3 Parameters of lateral blasting squeezing silt

2)施工過程控制。嚴(yán)格控制堤心回填進(jìn)尺與藥包布設(shè)位置。每次爆破后對泥下石渣進(jìn)行探摸，根據(jù)探摸石渣的實(shí)際位置，確定并嚴(yán)格控制回填進(jìn)尺與藥包位置。藥包采用極坐標(biāo)法定位布設(shè)，根據(jù)水位確定藥包埋深，使藥包位置及埋深誤差不大于30 cm，確保護(hù)岸基礎(chǔ)泥石置換縱向連續(xù)，底部落在持力層上。

采用雙線防水導(dǎo)爆索起爆乳化炸藥，藥包制作牢固。采用雙線塑料導(dǎo)爆管毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路，確保連接牢靠準(zhǔn)爆。

6 結(jié)語

北良護(hù)岸項(xiàng)目完成6年多的時(shí)間里，經(jīng)歷了數(shù)次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)。本工程爆破擠淤不僅保證了質(zhì)量，而且節(jié)省了石料的外購與運(yùn)輸費(fèi)用達(dá)人民幣3 000余萬元(又增加了場區(qū)面積)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，受到了業(yè)主與參建單位的贊揚(yáng)。

該工程方案制定縝密、施工精細(xì)，采用了回填石渣在厚淤泥層、深水區(qū)進(jìn)行爆破擠淤獲得成功，解決了回填石渣爆破擠淤的難題，可為以后類似工程提供借鑒。