爆炸置换法在南扫箕围垦工程中的应用

陈帮伟,郑 烨

(1.浙江围海建设集团公司,浙江 舟山 316000;2.浙江省钱塘江管理局勘测设计院,浙江 杭州 310016)

1 问题的提出

关于软土地基的处理,一直是工程界所关心的问题。经过多年的发展,已有了多种成熟的技术,如爆炸置换法、预压堆载、真空预压、强夯法和深层搅拌化学固结等。虽然以上各种方法在不同的地基介质及不同的土工条件下均已取得了良好的效果,但同时也存在一些不足:如预压堆载法需要大量的土石方,施工操作繁重;真空预压法要求密封条件较高,且两种方法施工周期通常均需要6～8个月,难以满足工程建设工期紧迫的要求。岱山县大衢南扫箕围垦工程施工自然条件较差,淤泥层抗压性能差,淤泥和淤泥粘质土承载力很低,渗透性较低,经方案比较,根据爆炸置换的特点及以往的经验,采用爆炸置换法处理能较好地解决上述问题。

2 工程概况及特点

2.1 工程概况

岱山县南扫箕围垦工程位于大衢岛岛斗镇的中南部,围区南北宽度约1.6 km,东西宽度约1.8 km,围涂面积266 hm2。围垦区域现状地形呈内凹形,围垦工程建成后,围区内流域面积为4.65 km2。

本工程由主堤 (长1 776 m)、排水闸1座、纳潮闸1座组成。主堤自枫藤咀内侧向东1 776 m,涂面高程为-4.50 m(85国家高程基准)。主堤工程采用爆破挤淤法处理软土地基。原涂面高程为-4.5 m,处理深度-22.5 m,宽度为44.6m。地基处理完毕后采用块石混合料填筑堤身。

2.2 工程地质

围区地质自上而下为:

第①层 淤泥夹砂:灰色,流塑,饱和,局部夹粉砂。层厚1.00～2.50 m,层顶高程-3.60～-8.50 m,全场均有分布。

第②层 淤泥质黏土:灰色,流塑,饱和,层状构造,层间夹粉土。层厚3.00～9.30m,层顶高程-10.40～-5.60 m,全场均有分布。

第③层 淤泥质黏土夹粉土:灰色,流塑,饱和,层状构造,层间平粉土,含腐殖质。层厚4.80～24.00 m,层顶高程-19.70～-8.60 m,全场均有分布。

第④层 黏土:褐灰黄色,饱和,可塑～硬塑,无层理,层状构造,含铁质氧化物结核块,层厚2.10～7.10 m,层顶高程-37.90～-25.00 m。

第⑤层 粉土:灰绿色,饱和,中密,层状构造,层间夹粉质黏土。钻厚大于4.20 m,层顶高程-50.00 m。

第⑥层 凝灰岩:肉黄色,块状构造,岩芯较破碎。层顶高程-39.20～-21.50 m。

3 爆炸置换法的施工组织设计[1]

采用爆炸置换法进行软基处理,使爆填堤心石落到淤泥层底。落底宽度满足设计要求。其优点是充分利用爆炸能量并能控制爆破作用方向,加大堆石体置换深度和推进距离。该方法在大衢双子山海堤工程、岱山长涂金海湾船舶修造厂和岱山江南山船舶修造厂护岸海堤等工程中得到成功应用,已建成后的工程经受了超设计标准的风暴潮考验,工程质量得到了充分的验证。针对本工程涂面以下断面的设计高程-22.5 m,采用挤淤使堆石体置换的深度和宽度能得到充分保证,爆炸置换法施工设计主要为抛填参数和爆破参数的设计。主堤段代表断面图如图1,堤顶、堤头平面示意图如图2所示。

图1 主堤段桩号1+000～1+080 m代表断面图

图2 堤顶、堤头平面示意图

3.1 抛填参数

抛填参数主要有抛填顶高程+4m,顶宽度34 m、循环长度5～6 m,以及超高抛填要求。根据类似工程实例和经验,考虑自然抛填坡比、自然抛填挤淤深度、爆后坡比及淤泥包等边界条件,经计算平衡后,确定本工程抛填参数如表1。

3.2 爆破参数

爆破参数主要有布药线的位置—填头,长度每5 m放1次炮,单药包重量30～40 kg,药包间距3 m,个数12～14个,药包埋置高程-10 m左右,一次填头起爆药量400～500 kg,以及内外两侧2次的边爆装药用量300 kg。参照规范,结合成功的工程实例和积累的经验,经计算比较后,确定本工程爆破参数如表1。

3.3 抛填及爆炸参数设计计算

抛填及爆炸参数设计采用“控制加载爆炸挤淤置换法”的计算公式,结合类似工程的施工经验,对抛填及装药参数进行计算。

3.3.1 分段设计计算

根据设计断面及有关地质情况,将海堤分为5段,各段相关参数如下:

表1 抛填参数和爆破参数汇总表

3.3.2 抛填参数计算

3.3.2.1 抛填高程的计算

根据土工计算原理和堤身设计高度,经过理论分析计算,确定堤身抛填高度。设计原则是:抛填施工方便、高潮位时堤顶不过水,爆后堤顶不超高的前提下,抛填高度尽量高,以最大限度地达到挤淤效果。

3.3.2.2 抛填宽度的设计计算

“控制加载爆炸挤淤置换法”计算堤身抛填宽度值的要点是:通过抛填宽度控制,使堤身宽度尤其是堤身两侧平台宽度和厚度得到保证,同时要尽量减少理坡工作量。

内外侧堤顶抛填宽度 PBi可以由设计的坡脚宽度Bi、抛填高度h和抛填堆石体安息角α等3个参数确定。本工程抛填堆石体的自然息角取为 1∶1.1～1∶1.4,则内、外侧抛填宽度分别为:

PBi=Bi-h·tgα-B0(i=内、外,h泥上首次抛填高度,B0=2～3m)

3.3.3 爆炸参数的计算

“控制加载爆炸挤淤置换法”计算爆炸参数的方法和步骤如下:

(1)根据堤身抛填高度和堤身抛填宽度,确定堤身自重挤淤深度,自重挤淤深度D0通过如下公式确定:

式中:Hs为淤泥深度,m;

Cu为淤泥抗剪强度,kPa;B为抛填堤顶宽度,m;

D0为堤身自重挤淤深度,m;

h为抛石体泥面以上高度(h=H-D),m;

D为设计挤淤置换深度,本工程为16.00～18.00 m;

H为抛填体总厚度,γs、γ为淤泥、填料重度。

(2)堤头爆破下沉平均高度D1:

D1=K1(D-D0)

K1为下沉量系数,0.2～0.6;D为设计挤淤置换深度,m;

(3)单药包重量计算

Q=K2bD12

K2为药量系数,0.2～0.4;b为单炮进尺,m;

(4)堤头爆填药包的间距a应满足如下关系:

a=1.4×K3×(0.062Q1/3)

K3为药包作用范围系数,8～12;

(5)堤头爆填布设的药包的个数M应满足如下关系:

M=M1+M2

式中:M1为堤头正面所布设的药包的个数,个;

M2为堤身两侧所布设的药包的个数,个;

M1和M2应分别满足如下关系:

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

Bm为抛填时堤身在泥面处的宽度;

K4为经验系数,0.4～0.8;K5为经验系数,1.0～1.50;

(6)药包埋深HB的设计计算

式中:qL为线药量,kg/m;

LH为爆破排淤填石1次推进的水平距离,m;

Hmw为计入覆盖水深的折算淤泥厚度(m);

Hm为置换淤泥厚度(m),含淤泥包隆起高度;

γm为淤泥重度(kN/m3),取16.3 kN/m3;

γw为海水的重度(kN/m3),取10.3 kN/m3;

Hw为覆盖水深(m)。

药包在泥面下的埋入深度如表2所示。

表2 药包在泥面下的埋入深度HB

4 爆炸置换法的施工

为确保爆破各参数安全、可靠的实施,结合本工程的施工条件,经常对爆破参数的调整分析和对比,结合地质钻孔设计资料。1+580～1+665 m此段海堤轴线外20 m有一处-18 m的深坑,且有1∶2.5的陡坡,给施工带来难度。从塑流分析、抗滑稳定分析等方面对软土地基上堤坝稳定计算方法进行论述。因此调整施工方案和爆破参数,堤头每炮药量增加10%,并以原来的进尺5～6 m调整为3～4 m进行爆破,并对两侧加强侧爆和爆夯处理。利用较好的块石(渣)料自身良好的抗剪抗滑物理力学性质来达到满足堤坝整体平衡稳定的目的。在循环性的多次爆破震动下不断落到下层并被密实,从没有发生失稳破坏。此段钻孔检测深度符合设计要求,断面其整体性已达到平衡稳定状态。因此,对复杂软土地基上堤坝的稳定性施工方法进行研究十分重要,并对实际工程施工和设计中提高其海堤稳定性起到重要的作用。

5 安全距离计算[2]

本工程位于较开阔水域,爆炸处理施爆均在水下或淤泥中进行,空气冲击波及飞石、淤泥等飞散物影响的安全距离可控制在100 m。邻近爆破作业区数百米内无建筑物。根据爆破安全规程,爆炸引起的震动对周围的影响其安全距离可根据以下公式计算:

R为爆破振动安全允许距离,m;

V为保护对象所在地质点振动安全允许速度,cm/s;

Q为炸药量,齐发爆破为总药量,延时爆破为最大一段药量,kg;

K、α为与爆破点至计算保护对象之间的地形、地质条件有关系数和衰减指数。(本工程取K=450,α=1.65)

安全标准按V=2～3 cm/s控制,经计算单次用药量Q控制在1 200 kg以下时,R≤280 m,故爆震安全易于控制。

6 质量检测和竣工运行

本工程爆填堤心石的施工质量对海堤的整体稳定至关重要,所以要求采取以下手段检测爆填堤心石的施工质量:

(1)沉降位移观察:沿坝长方向每25 m设置1个沉降观察点,单点观测连续时间不少于3个月,每点测量次数不少于15次。

(2)断面测量:采用的仪器为LTD-2 000便携式探地雷达及配套25MHz天线。探地雷达勘测,主要目的是查明爆填堤心石与混合过渡层的厚度、断面形状,并对其施工效果进行评价等。探测工作应每30～40 m探测1次。

(3)抛石体钻孔:在抛石体上钻孔,探明抛石堤下部状态。第1次钻孔应与探地地雷达勘测同步进行,以后每200 m左右钻1排(1～5个)抛石孔,钻孔通过抛石层进入第2层淤泥质黏土内1～3 m。

大衢南扫箕工程软基处理为2006年5月开工至2007年7月完工,整个工程到2008年5月竣工。竣工后每年汛前、汛后和大风暴潮以后各进行1次沉降观测检查,没有发现工程缺陷和修复,未出现裂缝和沉降的现象。结果稳定可靠,效果显著。

7 结 语

应用爆炸排淤填石堤坝新技术处理水下软基地基,具有施工简便、工期短、地基后期沉降小以及造价低等优点。因此近年来得到迅速推广应用,根据岱山县大衢南扫箕围垦工程的实际情况,爆炸置换法处理爆填堤心石及软基,使堤心堆石体能落底达到面层的淤泥层底,落底宽度及内外两侧符合设计要求,从而形成一个完整的稳定坝体。如在这种软土地基上的防波堤坝及其它堤坝工程,如果基础处理不当,通常会发生较大的沉降,尤其是不均匀沉降,会造成海堤开裂和损坏。运用爆炸的方法对软基地基进行处理,对工程质量安全有明显的效果。

[1]江礼茂.大衢南扫箕围垦工程海堤爆炸处理软基爆炸设计[R].宁波:宁波科宁爆炸工程有限公司,2006.

[2]张雪亮,黄树棠.爆破地震效应[M].北京:地震出版社,1980.