爆炸置換法在南掃箕圍墾工程中的應(yīng)用

陳幫偉,鄭 燁

(1.浙江圍海建設(shè)集團(tuán)公司,浙江 舟山 316000;2.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310016)

1 問題的提出

關(guān)于軟土地基的處理,一直是工程界所關(guān)心的問題。經(jīng)過多年的發(fā)展,已有了多種成熟的技術(shù),如爆炸置換法、預(yù)壓堆載、真空預(yù)壓、強(qiáng)夯法和深層攪拌化學(xué)固結(jié)等。雖然以上各種方法在不同的地基介質(zhì)及不同的土工條件下均已取得了良好的效果,但同時也存在一些不足:如預(yù)壓堆載法需要大量的土石方,施工操作繁重;真空預(yù)壓法要求密封條件較高,且兩種方法施工周期通常均需要6～8個月,難以滿足工程建設(shè)工期緊迫的要求。岱山縣大衢南掃箕圍墾工程施工自然條件較差,淤泥層抗壓性能差,淤泥和淤泥粘質(zhì)土承載力很低,滲透性較低,經(jīng)方案比較,根據(jù)爆炸置換的特點(diǎn)及以往的經(jīng)驗(yàn),采用爆炸置換法處理能較好地解決上述問題。

2 工程概況及特點(diǎn)

2.1 工程概況

岱山縣南掃箕圍墾工程位于大衢島島斗鎮(zhèn)的中南部,圍區(qū)南北寬度約1.6 km,東西寬度約1.8 km,圍涂面積266 hm2。圍墾區(qū)域現(xiàn)狀地形呈內(nèi)凹形,圍墾工程建成后,圍區(qū)內(nèi)流域面積為4.65 km2。

本工程由主堤 (長1 776 m)、排水閘1座、納潮閘1座組成。主堤自楓藤咀內(nèi)側(cè)向東1 776 m,涂面高程為-4.50 m(85國家高程基準(zhǔn))。主堤工程采用爆破擠淤法處理軟土地基。原涂面高程為-4.5 m,處理深度-22.5 m,寬度為44.6m。地基處理完畢后采用塊石混合料填筑堤身。

2.2 工程地質(zhì)

圍區(qū)地質(zhì)自上而下為:

第①層 淤泥夾砂:灰色,流塑,飽和,局部夾粉砂。層厚1.00～2.50 m,層頂高程-3.60～-8.50 m,全場均有分布。

第②層 淤泥質(zhì)黏土:灰色,流塑,飽和,層狀構(gòu)造,層間夾粉土。層厚3.00～9.30m,層頂高程-10.40～-5.60 m,全場均有分布。

第③層 淤泥質(zhì)黏土夾粉土:灰色,流塑,飽和,層狀構(gòu)造,層間平粉土,含腐殖質(zhì)。層厚4.80～24.00 m,層頂高程-19.70～-8.60 m,全場均有分布。

第④層 黏土:褐灰黃色,飽和,可塑～硬塑,無層理,層狀構(gòu)造,含鐵質(zhì)氧化物結(jié)核塊,層厚2.10～7.10 m,層頂高程-37.90～-25.00 m。

第⑤層 粉土:灰綠色,飽和,中密,層狀構(gòu)造,層間夾粉質(zhì)黏土。鉆厚大于4.20 m,層頂高程-50.00 m。

第⑥層 凝灰?guī)r:肉黃色,塊狀構(gòu)造,巖芯較破碎。層頂高程-39.20～-21.50 m。

3 爆炸置換法的施工組織設(shè)計(jì)[1]

采用爆炸置換法進(jìn)行軟基處理,使爆填堤心石落到淤泥層底。落底寬度滿足設(shè)計(jì)要求。其優(yōu)點(diǎn)是充分利用爆炸能量并能控制爆破作用方向,加大堆石體置換深度和推進(jìn)距離。該方法在大衢雙子山海堤工程、岱山長涂金海灣船舶修造廠和岱山江南山船舶修造廠護(hù)岸海堤等工程中得到成功應(yīng)用,已建成后的工程經(jīng)受了超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)暴潮考驗(yàn),工程質(zhì)量得到了充分的驗(yàn)證。針對本工程涂面以下斷面的設(shè)計(jì)高程-22.5 m,采用擠淤使堆石體置換的深度和寬度能得到充分保證,爆炸置換法施工設(shè)計(jì)主要為拋填參數(shù)和爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)。主堤段代表斷面圖如圖1,堤頂、堤頭平面示意圖如圖2所示。

圖1 主堤段樁號1+000～1+080 m代表斷面圖

圖2 堤頂、堤頭平面示意圖

3.1 拋填參數(shù)

拋填參數(shù)主要有拋填頂高程+4m,頂寬度34 m、循環(huán)長度5～6 m,以及超高拋填要求。根據(jù)類似工程實(shí)例和經(jīng)驗(yàn),考慮自然拋填坡比、自然拋填擠淤深度、爆后坡比及淤泥包等邊界條件,經(jīng)計(jì)算平衡后,確定本工程拋填參數(shù)如表1。

3.2 爆破參數(shù)

爆破參數(shù)主要有布藥線的位置—填頭,長度每5 m放1次炮,單藥包重量30～40 kg,藥包間距3 m,個數(shù)12～14個,藥包埋置高程-10 m左右,一次填頭起爆藥量400～500 kg,以及內(nèi)外兩側(cè)2次的邊爆裝藥用量300 kg。參照規(guī)范,結(jié)合成功的工程實(shí)例和積累的經(jīng)驗(yàn),經(jīng)計(jì)算比較后,確定本工程爆破參數(shù)如表1。

3.3 拋填及爆炸參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

拋填及爆炸參數(shù)設(shè)計(jì)采用“控制加載爆炸擠淤置換法”的計(jì)算公式,結(jié)合類似工程的施工經(jīng)驗(yàn),對拋填及裝藥參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3.3.1 分段設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)斷面及有關(guān)地質(zhì)情況,將海堤分為5段,各段相關(guān)參數(shù)如下:

表1 拋填參數(shù)和爆破參數(shù)匯總表

3.3.2 拋填參數(shù)計(jì)算

3.3.2.1 拋填高程的計(jì)算

根據(jù)土工計(jì)算原理和堤身設(shè)計(jì)高度,經(jīng)過理論分析計(jì)算,確定堤身拋填高度。設(shè)計(jì)原則是:拋填施工方便、高潮位時堤頂不過水,爆后堤頂不超高的前提下,拋填高度盡量高,以最大限度地達(dá)到擠淤效果。

3.3.2.2 拋填寬度的設(shè)計(jì)計(jì)算

“控制加載爆炸擠淤置換法”計(jì)算堤身拋填寬度值的要點(diǎn)是:通過拋填寬度控制,使堤身寬度尤其是堤身兩側(cè)平臺寬度和厚度得到保證,同時要盡量減少理坡工作量。

內(nèi)外側(cè)堤頂拋填寬度 PBi可以由設(shè)計(jì)的坡腳寬度Bi、拋填高度h和拋填堆石體安息角α等3個參數(shù)確定。本工程拋填堆石體的自然息角取為 1∶1.1～1∶1.4,則內(nèi)、外側(cè)拋填寬度分別為:

PBi=Bi-h·tgα-B0(i=內(nèi)、外,h泥上首次拋填高度,B0=2～3m)

3.3.3 爆炸參數(shù)的計(jì)算

“控制加載爆炸擠淤置換法”計(jì)算爆炸參數(shù)的方法和步驟如下:

(1)根據(jù)堤身拋填高度和堤身拋填寬度,確定堤身自重?cái)D淤深度,自重?cái)D淤深度D0通過如下公式確定:

式中:Hs為淤泥深度,m;

Cu為淤泥抗剪強(qiáng)度,kPa;B為拋填堤頂寬度,m;

D0為堤身自重?cái)D淤深度,m;

h為拋石體泥面以上高度(h=H-D),m;

D為設(shè)計(jì)擠淤置換深度,本工程為16.00～18.00 m;

H為拋填體總厚度,γs、γ為淤泥、填料重度。

(2)堤頭爆破下沉平均高度D1:

D1=K1(D-D0)

K1為下沉量系數(shù),0.2～0.6;D為設(shè)計(jì)擠淤置換深度,m;

(3)單藥包重量計(jì)算

Q=K2bD12

K2為藥量系數(shù),0.2～0.4;b為單炮進(jìn)尺,m;

(4)堤頭爆填藥包的間距a應(yīng)滿足如下關(guān)系:

a=1.4×K3×(0.062Q1/3)

K3為藥包作用范圍系數(shù),8～12;

(5)堤頭爆填布設(shè)的藥包的個數(shù)M應(yīng)滿足如下關(guān)系:

M=M1+M2

式中:M1為堤頭正面所布設(shè)的藥包的個數(shù),個;

M2為堤身兩側(cè)所布設(shè)的藥包的個數(shù),個;

M1和M2應(yīng)分別滿足如下關(guān)系:

M1=int[K4(B+Bm)/a]+1,M2=2int[K5b/a]

Bm為拋填時堤身在泥面處的寬度;

K4為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),0.4～0.8;K5為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),1.0～1.50;

(6)藥包埋深HB的設(shè)計(jì)計(jì)算

式中:qL為線藥量,kg/m;

LH為爆破排淤填石1次推進(jìn)的水平距離,m;

Hmw為計(jì)入覆蓋水深的折算淤泥厚度(m);

Hm為置換淤泥厚度(m),含淤泥包隆起高度;

γm為淤泥重度(kN/m3),取16.3 kN/m3;

γw為海水的重度(kN/m3),取10.3 kN/m3;

Hw為覆蓋水深(m)。

藥包在泥面下的埋入深度如表2所示。

表2 藥包在泥面下的埋入深度HB

4 爆炸置換法的施工

為確保爆破各參數(shù)安全、可靠的實(shí)施,結(jié)合本工程的施工條件,經(jīng)常對爆破參數(shù)的調(diào)整分析和對比,結(jié)合地質(zhì)鉆孔設(shè)計(jì)資料。1+580～1+665 m此段海堤軸線外20 m有一處-18 m的深坑,且有1∶2.5的陡坡,給施工帶來難度。從塑流分析、抗滑穩(wěn)定分析等方面對軟土地基上堤壩穩(wěn)定計(jì)算方法進(jìn)行論述。因此調(diào)整施工方案和爆破參數(shù),堤頭每炮藥量增加10%,并以原來的進(jìn)尺5～6 m調(diào)整為3～4 m進(jìn)行爆破,并對兩側(cè)加強(qiáng)側(cè)爆和爆夯處理。利用較好的塊石(渣)料自身良好的抗剪抗滑物理力學(xué)性質(zhì)來達(dá)到滿足堤壩整體平衡穩(wěn)定的目的。在循環(huán)性的多次爆破震動下不斷落到下層并被密實(shí),從沒有發(fā)生失穩(wěn)破壞。此段鉆孔檢測深度符合設(shè)計(jì)要求,斷面其整體性已達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。因此,對復(fù)雜軟土地基上堤壩的穩(wěn)定性施工方法進(jìn)行研究十分重要,并對實(shí)際工程施工和設(shè)計(jì)中提高其海堤穩(wěn)定性起到重要的作用。

5 安全距離計(jì)算[2]

本工程位于較開闊水域,爆炸處理施爆均在水下或淤泥中進(jìn)行,空氣沖擊波及飛石、淤泥等飛散物影響的安全距離可控制在100 m。鄰近爆破作業(yè)區(qū)數(shù)百米內(nèi)無建筑物。根據(jù)爆破安全規(guī)程,爆炸引起的震動對周圍的影響其安全距離可根據(jù)以下公式計(jì)算:

R為爆破振動安全允許距離,m;

V為保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)振動安全允許速度,cm/s;

Q為炸藥量,齊發(fā)爆破為總藥量,延時爆破為最大一段藥量,kg;

K、α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對象之間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)系數(shù)和衰減指數(shù)。(本工程取K=450,α=1.65)

安全標(biāo)準(zhǔn)按V=2～3 cm/s控制,經(jīng)計(jì)算單次用藥量Q控制在1 200 kg以下時,R≤280 m,故爆震安全易于控制。

6 質(zhì)量檢測和竣工運(yùn)行

本工程爆填堤心石的施工質(zhì)量對海堤的整體穩(wěn)定至關(guān)重要,所以要求采取以下手段檢測爆填堤心石的施工質(zhì)量:

(1)沉降位移觀察:沿壩長方向每25 m設(shè)置1個沉降觀察點(diǎn),單點(diǎn)觀測連續(xù)時間不少于3個月,每點(diǎn)測量次數(shù)不少于15次。

(2)斷面測量:采用的儀器為LTD-2 000便攜式探地雷達(dá)及配套25MHz天線。探地雷達(dá)勘測,主要目的是查明爆填堤心石與混合過渡層的厚度、斷面形狀,并對其施工效果進(jìn)行評價等。探測工作應(yīng)每30～40 m探測1次。

(3)拋石體鉆孔:在拋石體上鉆孔,探明拋石堤下部狀態(tài)。第1次鉆孔應(yīng)與探地地雷達(dá)勘測同步進(jìn)行,以后每200 m左右鉆1排(1～5個)拋石孔,鉆孔通過拋石層進(jìn)入第2層淤泥質(zhì)黏土內(nèi)1～3 m。

大衢南掃箕工程軟基處理為2006年5月開工至2007年7月完工,整個工程到2008年5月竣工?？⒐ず竺磕暄辞?、汛后和大風(fēng)暴潮以后各進(jìn)行1次沉降觀測檢查,沒有發(fā)現(xiàn)工程缺陷和修復(fù),未出現(xiàn)裂縫和沉降的現(xiàn)象。結(jié)果穩(wěn)定可靠,效果顯著。

7 結(jié) 語

應(yīng)用爆炸排淤填石堤壩新技術(shù)處理水下軟基地基,具有施工簡便、工期短、地基后期沉降小以及造價低等優(yōu)點(diǎn)。因此近年來得到迅速推廣應(yīng)用,根據(jù)岱山縣大衢南掃箕圍墾工程的實(shí)際情況,爆炸置換法處理爆填堤心石及軟基,使堤心堆石體能落底達(dá)到面層的淤泥層底,落底寬度及內(nèi)外兩側(cè)符合設(shè)計(jì)要求,從而形成一個完整的穩(wěn)定壩體。如在這種軟土地基上的防波堤壩及其它堤壩工程,如果基礎(chǔ)處理不當(dāng),通常會發(fā)生較大的沉降,尤其是不均勻沉降,會造成海堤開裂和損壞。運(yùn)用爆炸的方法對軟基地基進(jìn)行處理,對工程質(zhì)量安全有明顯的效果。

[1]江禮茂.大衢南掃箕圍墾工程海堤爆炸處理軟基爆炸設(shè)計(jì)[R].寧波:寧波科寧爆炸工程有限公司,2006.

[2]張雪亮,黃樹棠.爆破地震效應(yīng)[M].北京:地震出版社,1980.