超大直径筒仓墩基石方爆破与复杂地基处理

党国平

（山西西山金信建筑有限公司，山西 太原 030200）

1 工程概况

山西焦煤西山煤电集团公司杜儿坪矿储配煤系统改造工程新建原煤仓，工程主要包括3座内径为27 m的原煤筒仓，仓间轴线间距为3 m，筒仓内径为27 m，仓体高度51.4 m（地面以上），存煤高度为40.3 m，单仓储煤能力为20 kt，仓壁厚为400 mm，筒壁厚为500 mm，由筒仓结构、仓上结构、仓间结构、仓边结构组成。基础为人工挖孔灌注墩基础（武汉设计院设计应用名称），主体为后张法无黏结预应力钢筋混凝土圆形筒仓结构和框架结构；矿区位于吕梁山脉东翼，属低中山地区。区内山高坡陡，沟谷深切，多呈V字形；缓坡及低山地区有黄土零星分布，陡坡岩石裸露，沟底多巨石砂砾。筒仓区为杜儿坪矿1#煤库，位于沟谷边缘地段，其北侧为选矸车间和机修车间，东侧为锅炉房，南侧为西山矿区煤炭铁路专用线，西侧为杜儿坪矿2#煤库，场地地貌单元属于低中山沟谷边缘区，从1954年建矿以来，整个场地经过多次平整，原始地貌变化极大；煤仓所在地总体为沟谷边缘区，其东、西、南三面为沟谷低洼地段，场地地表因回填土及堆煤起伏较大。在这样的场地上进行3个超大直径筒仓施工面临两个施工难题：①场地岩石土方量大，施工过程中需要爆破施工，而且爆破环境复杂，这对场地爆破的安全控制提出了严峻的考验；②根据建筑场地地质勘察报告，地质情况比较复杂，墩基深度不一，不可预料因素较多，局部需要进行加固，否则基础施工完毕容易出现严重的不均匀沉降，从而造成不可挽救的损失。

2 方案选择

2.1 墩基井孔内石方控制性爆破

新建原煤仓设计为人工挖孔灌注墩基础，单仓设计为16个墩基础，其中，筒仓筒壁周边设计为12个人工挖孔灌注墩基础，墩身直径为1 600 mm，单墩承载力为2 600 t；内框架为4个人工挖孔灌注墩基础，墩身直径为2 400 mm，单墩承载力为5 600 t；设计要求墩端持力层为均匀完整的中风化石灰岩；墩基孔人工开挖后，发现地质情况比地质勘探报告描述地质情况复杂，且墩端土质为中分化石灰岩夹泥（非完整岩石），机械开挖施工难度较大而且土质不适合做墩基端部持力层，须继续加深至找到完整的中分化石灰岩，经项目部研究决定，墩基础挖孔采用孔内控制性爆破与人工开挖的办法进行施工：先在孔内进行控制性爆破后，将墩基孔内岩石爆破松动后，再人工配合机械进行开挖。

2.2 复杂地基处理与基础结构补强

新建原煤仓3#仓内框架墩基础在开挖过程中，地质情况比较复杂，开挖深度约达到40 m，在孔深中部有2 m左右较好的岩石层，其他部位均未发现完整的分化岩石，为了降低施工风险，减少施工安全隐患，满足墩基深度与相邻墩基间距的关系要求的同时，满足基础承载力的需要，与有关部门研究决定：对该部位地基进行处理，上部结构进行结构调整，来满足设计结构要求；有关地基处理和结构调整措施为：①在墩基孔中上部比较完整的岩石顶部增加一次扩底，扩底尺寸同原设计；②利用后注浆技术，对该墩基端部和墩身表面土质进行固化处理，从而达到地基补强加固效果；③墩基顶部与上层结构之间增设钢筋混凝土结构斜撑，将该墩基的荷载进行分载，减少上部结构给墩基传递的荷载。

3 墩基井孔内石方控制性爆破

根据该工程地质勘查报告和现场实际开挖情况，墩基井孔穿过的岩石主要为石灰岩，一般坚固性系数为f=6～8，部分坚固性系数达到f=8～10；爆破区域北侧为边坡，山体边坡很不稳定，边坡上面是人行马路；西侧距原有运煤皮带走廊10 m；东侧25 m处为施工单位办公平房；南侧距临时工房约70 m。爆区四周环境较为复杂。结合爆破振动的理论计算和综合考虑对爆破地震、飞石、明火等不安全因素的控制。

3.1 爆破设计原则和方案

根据四周环境、地质条件和爆破安全，选择爆破危害小的爆破方案，选择合理的爆破参数。同时考虑整体爆破效果，保证石方破碎程度，尽可能减少大块率，便于人工清方。爆破既要将墩基孔内的岩石充分松动破碎，又要严格控制爆破飞石和爆破地震，确保爆破安全，本爆破设计决定采用浅孔控制爆破方案：即采用孔深1.0 m以下的浅孔控制爆破方案，爆破顺序与挖孔顺序相结合，采取隔根爆破的顺序进行施工。

3.2 爆破参数的确定

3.2.1 单位炸药消耗量q

根据现场地质条件和岩石的实际情况，结合以往爆破经验和工程类比的方法，确定单位炸药消耗量q＝1.8-2.5 kg/m3。为了测试单位耗药量的准确性，在正式爆破之前应进行试爆，以确定最终单位耗药量。

3.2.2 浅孔爆破参数设计

孔径ф和孔深L：炮孔直径为ф=40 mm。根据最小爆破震动和开挖效果要求，炮孔深度为L=0.8～1.0 m。见表1。

表1 浅孔爆破参数表

3.3 炸药与起爆

本次浅孔爆破采用乳化炸药。起爆器的能量要求流经每个电雷管的电流不小于2.5 A。

3.4 爆破安全要求

为了减少爆破地震对相邻墩基地基和周边建筑物基础的危害，本次爆破采用毫秒微差爆破技术加以控制，减少单段爆破的药量，同时利用应力波相互干涉，以减弱爆破震动峰值和振速。爆破时将爆破点与被保护建筑距离控制在30 m以内。

4 复杂地基处理与基础结构补强

4.1 多盘桩技术

根据端承摩察墩的特点，充分利用墩基孔深中部2 m厚左右较好的岩石层作为墩基持力层的一部分进行测算，在该岩石层顶部增加一次扩底（扩底尺寸同端部尺寸），墩身分两次浇注成型，混凝土接槎部位按照施工缝要求进行处理，保证墩身混凝土完整，以提高墩基的承载能力。

4.2 墩端及墩身后注浆技术

墩端及墩身后注浆技术是在人工挖孔灌注墩成墩、墩身混凝土达到预定强度后，采用高压注浆泵通过预埋注浆管注入水泥浆液或水泥与其他材料的混合浆液，浆液渗透到疏松的墩端虚尖和岩石的缝隙中，结合形成强度较高的混凝土。随着注浆量的增加，水泥浆液不断向由于受泥浆浸泡而松软的墩端持力层中渗透，在墩端形成“梨形体”，增加了墩端的承压面积。当“梨形体”不断增大时,渗透能力受到周围致密土层的限制，使压力不断升高，对墩端土层进行挤压、密实、充填、固集，将使墩底沉渣、墩端受到扰动的持力层得到有效的加固或压密，使墩土间界面的几何和力学条件得以改善，提高了墩端土体的承载力，从而大幅度提高了单墩承载力。

新建原煤仓3#仓内框架墩基础DJ3-11，墩基成孔后约30 m深均为岩石层，但岩石不完整，为岩石夹泥层，夹层厚度5~50 mm不等，为了提高岩石夹泥层的承载力，在墩基浇注混凝土前，在钢筋笼外表面预埋6×33.5×3.25 mm的镀锌钢管，提前将钢管端部压扁，在端部3 m范围内梅花形钻孔，孔径为3~8 mm间距为150~200 mm，钻孔部位及端部用内车胎捆绑后进行混凝土浇注；为了防止混凝土浆液堵塞钢管，在墩基端部干铺300 mm厚的碎石层，便于后注浆施工。

注浆压力控制在3 MPa左右，注浆压力可以根据注浆量和注浆情况适当调整。

4.3 墩基顶部结构调整

新建原煤仓3#仓内框架墩基础DJ3-11墩基承台顶部纵横方向与上层结构之间增设钢筋混凝土结构斜撑，斜撑的截面尺寸为500×500 mm；将该墩基的荷载进行分载，减少上部结构给墩基传递的荷载。

4.4 施工及验收

本工程墩基井孔石方爆破共60根墩基，其中新建原煤仓48根；墩基表面后注浆5根，其中新建原煤仓1根；施工历时5个月，墩基础施工完毕，采用小应变试验及混凝土28天抗压强度报告显示满足设计要求。

4.5 沉降观测

基础施工完毕，根据《工程测量规范》GB50026—2007及中煤国际工程集团武汉设计研究院设计图纸要求，对新建原煤仓仓体进行装煤沉降观测试验。每个仓沿仓体外表面均匀设置4个沉降观测点，分别在开始滑模、主体工程施工完毕、1/3装煤、2/3装煤、仓体装满煤进行沉降观测，从观测数据分析，仓体有整体沉降现象，沉降不明显，满足规范要求。

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[3]许静奋，朱志龙.地下室后浇带堵漏补强施工技术[J]山西建筑，2008，（18）.