爆炸擠淤置換法在浙江圍墾工程中的應用和發展

江禮凡,屈興元,王 江,江禮茂

(寧波科寧爆炸技術工程有限公司,浙江 寧波 315040)

1 爆炸擠淤置換法簡介[1].

自20世紀80年代 “爆炸排淤填石法”發明以來,爆炸處理軟基筑堤已發展到第3代。第1代是處理有覆蓋水的較薄軟基,石料須陸拋,堤身一次爆炸落底的工程;第2代是對軟基厚度和有無覆蓋水及是否陸拋沒有限制,經拋填自重和多次爆炸共同作用使堤身達到持力層的工程;第3代是 “懸浮”式堤身結構,或在傾斜的海涂面筑堤,或其它環境及施工條件極端復雜的工程;第2、3代的施工方法為“爆炸擠淤置換法”,是“拋石擠淤”的延伸。

爆炸擠淤置換法的施工要點:①設計拋填和爆炸參數:a.根椐堤身設計高度和施工經驗確定堤身拋填高度;b.根據堤身設計斷面和拋填高度計算值計算堤身拋填寬度;c.按土工原理計算堤身自重擠淤深度,計算堤身自重擠淤深度與設計深度的差值;d.由上述參數值根據爆炸作用原理和經驗確定爆炸參數。②現場實施:按上述設計參數施工。③參數調整:施工中,通過對爆炸效果的測量、統計分析,調整和控制拋填與爆炸參數,使拋填體形成設計要求的斷面。

2 爆炸處理軟基筑堤技術在浙江圍墾的前期工作[2].

2.1 試驗階段

1987年在舟山市定海區團結塘圍墾工程龍口段進行了試驗。由于軟基較厚及限于“爆炸排淤填石法”理論的局限和當時的技術水平,施工最終形成的爆填堤心石斷面與設計要求差異很大,實際拋石方量大大超出了設計工程量,造成了較大的投資浪費。由于試驗結果不理想,使該技術在浙江省水利圍墾工程中的推廣應用產生較大的負面影響。

2.2 初步應用階段

2000年在溫嶺市東海塘圍涂工程的橫歧山—南港山施工交通堤中首次成功應用。橫歧山—南港山施工交通堤長210m,涂面高程約為-2m,基礎淤泥層厚約8m,泥下持力層為巖基。設計采用爆炸法處理軟基,堤頂寬10.0m,高7.6m,兩側邊坡坡度為1∶1.5,堤基礎爆填堤心石落底基礎寬45m,頂寬70m,為倒梯形結構;要求采用含泥量小于10%的弱風化巖石拋填。實際施工中巖石較為破碎,爆炸置換施工難度較大,完工后測量表明堤身沒發生位移,工后沉降量約2 cm。

2.3 完整應用階段

洞頭縣北岙后二期圍涂工程圍涂總面積284 hm2,工程為東、西2條圍堤和3座水閘,圍堤堤身主要由石壩和閉氣土2部分組成,其中西圍堤經方案比較,最終采用“爆炸置換法”處理軟基的堤壩結構設計方案。堤長1 034m,涂面高程約0.0m,淤泥層最厚達21.2m,淤泥層快剪內摩擦角標準值3.7°,粘聚力8.2 kPa;堤頂高程8.0m,堤頂寬8.0m,堤身最大底寬21.0m,最大腰寬42.29m,軟基最大置換厚度為20m。設計爆填堤芯石涂面以下近似為 “懸浮”式倒梯形結構。堤心石要求采用單塊重10～1 000 kg的連續自然級配的弱風化混合石料拋填,含泥砂量不得超過10%。根據上述設計,爆填堤心石須采用“控制加載爆炸擠淤置換法”進行施工,工程實際施工由該技術發明單位負責。2003年9月5日,圍堤爆炸置換法處理軟基施工順利結束,標志著“爆炸置換法”基礎處理技術在圍墾工程中的首次完整應用已取得階段性成果。此后進行的一系列檢測和驗收成果表明,爆填堤心石斷面結構基本符合設計預期要求,質量初評為優良。

3 10 a工程實踐所解決的問題

在北岙后二期圍涂工程完整應用取得成功的基礎上,近10 a來“爆炸置換法”在浙江圍墾工程中已完成了約30個工程超過40 km的海堤施工。解決了以下問題:

(1)深厚軟基的爆炸置換。浙江圍墾工程軟基厚度大部分都在20m以上,至少已有4個工程置換軟基厚度最大超過35m;

(2)“懸浮”式堤身結構的設計和施工。有部分工程,勘探揭露淤泥質軟基厚度超過40 m(正在設計的工程有的軟基超過70m),為節省造價,設計采用 “懸浮” 式堤身結構。經過精心施工,工程均達到設計要求,為業主節省了大量的工程造價;

(3)傾斜海涂面上的爆炸處理軟基筑堤問題;

(4)復雜條件下的爆炸置換法處理軟基筑堤問題。

4 “懸浮”式結構海堤工程[1].

4.1 工程概況

玉環縣漩門三期圍墾工程是圍涂面積0.453萬 hm2(6.795萬畝),海堤總長5 314 m,共分3段:坎門海堤長287m;珠港海堤長4 077m;干江海堤長950m。

珠港海堤地基原涂面高程-3m左右,淤泥質軟土層最大厚度超過40m。自上而下各土層的物理力學參數見表1。

表1 各土層物理力學參數推薦值表

工程附近坎門潮位站實測年最高潮位5.34 m,實測年最低潮位-3.66m,最大潮差7.02m。50 a一遇塘前設計波要素見表2:

表2 50 a一遇塘前設計波要素表

4.2 設計斷面及對爆炸置換施工的技術要求

海堤典型斷面見圖1。

堤身結構:軟基厚度小于4 m的樁號Z0+000～Z0+080m及Z4+000～Z4+077m堤段 ,采用拋石擠淤法施工;其他軟基厚度較大的堤段,設計采用控制加載爆炸擠淤置換法施工。在軟基深厚的堤段,為節省投資,堤身設計為“懸浮”式結構,海堤設計最大置換厚度約27m,堤身下臥軟基厚度最大超過10m,堤身最大腰寬約70m。

設計要求:施工爆填堤心石的置換范圍不得小于設計 要求。

圖1 堤身典型斷面設計圖

4.3 珠港海堤施工質量檢測結果及分析

施工過程中,業主委托專業單位進行了探地雷達檢測和堤身鉆孔檢測,珠港海堤鉆孔共60個。對比鉆孔結果,發現探地雷達檢測結果與實際差異較大。

鉆孔結果:Z0+080～Z0+130m段原設計堤身在-16.0 m落于基巖上,鉆孔檢測揭示直至-30.0m地基仍為淤泥質軟土,設計單位據此修改了堤身斷面,按設計修改斷面再加強爆炸處理后,堤身落底深度小于設計1.0～2.5m;Z3+950～Z3+825m二孔位置堤身已落于細砂層和基巖上,持力層變淺使堤身落底深度與設計差異較大。除上述2段外,海堤的實際落底深度都大于設計深度,原因有3個方面:①規范和設計有偏差:設計計算時土的物理力學參數采用規范推薦值,但在具體堤段位置實際指標因離散性較大等原因與設計值有偏差,設計要求 “爆填堤心石的置換范圍不得小于設計要求”,因此堤身就只能深不能淺;②涂面變化的影響:斷面設計計算用原涂面高程,合龍段涂面在施工時受到沖刷變低,涂面最低達到-8m左右,造成堤身落底超深;③堤身斷面結構不對稱:為保證堤身外側護面結構的穩定性,采用堤身不對稱的結構,在以前的工程中是不多見的。對拋填體形狀結合爆炸作用原理進行簡單的力學原理分析,堤身達到設計深度時兩側斷面與設計有差異在所難免。

數據統計:①堤身不同部位超深值:中間部位除去2個堤身已落于細砂層和基巖的鉆孔,45個孔平均超深2.61 m;除去2個超深約20m的特別鉆孔,堤身兩側倒梯形部位其余11個鉆孔平均超深3.23m,大于中間部位。超深集中的堤段是合龍段兩端的Z0+900～Z2+300 m,19個鉆孔平均超深3.73m。說明對超深影響最大是涂面受沖刷變低;②特別的鉆孔:Z2+109和Z2+150m內側23m位置這2個鉆孔超深約20m,其深度已超過堤身中間部分,這與地層結構較特殊和土的靈敏度較高有關。

5 傾斜海涂面上的爆炸處理軟基筑堤

5.1 工程概況

惠生重工秀山圍涂工程(0+899.8～1+520.2m)海堤位于岱山縣秀山島北側,海堤原始涂面-1～-2m,海堤外側涂面為一陡坡,離堤外坡腳約60,80,110,130,180 m處涂面高程分別為-10,-20,-35,-40,-50 m。設計采用爆炸擠淤置換法處理軟基,堤身最大置換軟基厚度約28m。海堤區域各土層物理力學指標平均值見表3。

表3 各土層物理力學指標平均值表

典型的堤身設計斷面見圖2。

圖2 樁號0+950 m海堤斷面設計圖

5.2 施工簡介

業主采用招標選取的工程施工單位,自2009年9月16日進場開工以后,堤身沉降現象一直持續出現,沉降量從0.3～4.0m不等,最多1 d下沉次數達6次。在施工過程中,出現多次沉降、重復補拋、繼續下沉現象,采取外側爆夯和內側側爆等處理措施后,有一定效果,但沉降現象繼續出現,至11月19日晨發現堤身發生過大沉降,堤身整體下沉至水下。

該施工段還沒到軟基最深厚堤段,典型設計斷面原泥面高程為-1.10 m,淤泥厚度為9.41 m,落底深度在-10.51m,落底寬度在28.35 m。持力層為含礫砂粉質黏土,地層平緩,外側略高。

在海堤沉入水下以后,爆炸處理軟基專業分包單位和總包單位、業主、設計等進行了多次討論,最后分包單位認為該堤爆炸置換軟基太厚,已經超過了現有規范,是無法用爆炸處理軟基方法建成該堤的,建議用其他辦法進行海堤施工。

2010年6月在上述爆炸法處理軟基專業分包單位離場后,寧波科寧爆炸技術工程有限公司應有關單位邀請進場進行修復施工。采取了現場踏勘調研,地質資料分析研究,設計意圖學習和理解,并組織精干的有類似工程施工經驗的人員現場實施。由于準備充分,掌握了本工程的地質和環境特點,采用的施工方法和技術措施得當,克服了困難,施工比預計的順利,海堤施工即便在軟基最大堤段也沒出現滑移,工程完工后經鉆孔檢測和沉降觀測,施工質量良好,海堤完全滿足設計和使用要求。

5.3 斜坡上修建海堤的要點

本工程的軟基具有典型意義:一是含水率不是很高,但液性指數相對較大;二是為近幾十年新近沉積;三是堤身外側涂面有陡坡。這樣的工程在舟山等海島地區較多,海堤容易出現滑移,設計和施工單位應予以高度重視。

相對于其他施工方法,采用爆炸置換法在斜坡上修建海堤,設計堤身軸線可向外海移動,這樣可增加圍涂面積、減少開山工程量、縮短堤外建設碼頭的引橋長度,具有極大的經濟效益和環保價值。

施工成敗的關鍵:堤身滑移時在軟基中會形成滑移線(面),而滑移線 (面)的形成有一個過程,拋石體達到設計深度時,沒形成滑移線(面),海堤就穩定;反之,拋填體在達到設計深度前,堤內側軟基已經滑動,海堤就會一起滑入大海。

此類工程合適的施工方法是 “控制加載爆炸擠淤置換法”,同時,充分了解地質資料、仔細分析設計意圖、現場管理人員的技術水平和高度負責的精神,是工程成功的必要條件。

6 復雜條件下的爆炸置換法處理軟基筑堤

6.1 工程概況[3].

舟山市岱山縣衢山鎮黃澤山南岙圍墾工程圍堤是由廣廈 (舟山)能源集團有限公司投資開發的廣廈黃澤山石油中轉儲運項目的前期項目。工程位于岱山縣黃澤山島南面,工程新建海堤長約1 200m,為重力式海塘,海堤區域原始涂面高程-1～-3m左右,軟基最大厚度約25m,地質指標見表4,海堤設計斷面參數見表5。

表4 各土層物理力學指標表

表5 海堤各斷面相關參數表m

海堤軟基原采用排水板法進行處理,根據現場爆炸處理軟基施工和測量發現在海堤位置表面分布有寬約60m,厚3～6m的拋填塊石和碎石,石料下面是1層土工格柵,下臥土層有部分固結,根據施工情況土的力學性質離散性較大。堤身外側為陡坡,離堤軸線50m處涂面高程最低處約為-18m。海堤一端在堤外坡腳15m范圍內有1個正在使用的樁基碼頭及引橋。

對這種海堤施工的可行辦法是:采用“控制加載爆炸擠淤置換法”,應用地基的沖剪破壞原理,在原拋石體上進行拋填加高,利用石料的自重作用,使原來的拋石體作為堤身的一部分下沉使軟基形成沖剪破壞,在堤頭前面原拋石體上產生1條縫隙,將堤身下臥軟土擠出,同時可以利用這個縫隙將炸藥包埋入原拋石體下面爆炸,從而完成工程施工,達到設計要求。

7 結 語

(1)浙江地區圍墾工程海堤軟基一般都較深厚,堤身根據需要設計為落底式結構或“懸浮”式結構是可行的。

(2)爆炸處理軟基技術的發展除第1代外,第2、3代從施工方法到工程實踐,從理論研究到規范編制和工程管理,主要的工程實踐都在浙江完成,在全國具有領先水平。

(3)從近10a的工程實踐看,第2代和第3代工程難度普遍較大,處理不好會造成極大的經濟損失,有關單位應高度重視。

[1].江禮茂,許羿.爆炸擠淤置換法與 “懸浮”式結構海堤工程[J]..水運工程,2011,(12):19-24.

[2].金利軍.爆炸法處理軟土地基技術的發展及應用[J]..水運工程,2005(4):22-26.

[3].屈興元,江禮凡,江禮茂.浙江省舟山市岱山黃澤山南岙圍堤工程控制加載爆炸擠淤置換法處理軟基施工組織設計 [R]..寧波:寧波科寧爆炸技術工程有限公司,2011.