陳幫偉,鄭 燁

(1.浙江圍海建設集團公司,浙江 舟山 316000;2.浙江省錢塘江管理局勘測設計院,浙江 杭州 310016)

1 問題的提出

關于軟土地基的處理,一直是工程界所關心的問題。經(jīng)過多年的發(fā)展,已有了多種成熟的技術,如爆炸置換法、預壓堆載、真空預壓、強夯法和深層攪拌化學固結等。雖然以上各種方法在不同的地基介質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:如預壓堆載法需要大量的土石方,施工操作繁重;真空預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)爆炸置換的特點及以往的經(jīng)驗,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

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)側向東1 776 m,涂面高程為-4.50 m(85國家高程基準)。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

圍區(qū)地質自上而下為:

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 淤泥質黏土:灰色,流塑,飽和,層狀構造,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 淤泥質黏土夾粉土:灰色,流塑,飽和,層狀構造,層間平粉土,含腐殖質。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,層狀構造,含鐵質氧化物結核塊,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,層狀構造,層間夾粉質黏土。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計[1]

采用爆炸置換法進行軟基處理,使爆填堤心石落到淤泥層底。落底寬度滿足設計要求。其優(yōu)點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岸海堤等工程中得到成功應用,已建成后的工程經(jīng)受了超設計標準的風暴潮考驗,工程質量得到了充分的驗證。針對本工程涂面以下斷面的設計高程-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,爆炸置換法施工設計主要為拋填參數(shù)和爆破參數(shù)的設計。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)類似工程實例和經(jīng)驗,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2次的邊爆裝藥用量300 kg。參照規(guī)范,結合成功的工程實例和積累的經(jīng)驗,經(jīng)計算比較后,確定本工程爆破參數(shù)如表1。

3.3 拋填及爆炸參數(shù)設計計算

拋填及爆炸參數(shù)設計采用“控制加載爆炸擠淤置換法”的計算公式,結合類似工程的施工經(jīng)驗,對拋填及裝藥參數(shù)進行計算。

3.3.1 分段設計計算

根據(jù)設計斷面及有關地質情況,將海堤分為5段,各段相關參數(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)計算

3.3.2.1 拋填高程的計算

根據(jù)土工計算原理和堤身設計高度,經(jīng)過理論分析計算,確定堤身拋填高度。設計原則是: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,以最大限度地達到擠淤效果。

3.3.2.2 拋填寬度的設計計算

“控制加載爆炸擠淤置換法”計算堤身拋填寬度值的要點是:通過拋填寬度控制,使堤身寬度尤其是堤身兩側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)外側堤頂拋填寬度 PBi可以由設計的坡腳寬度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)的計算

“控制加載爆炸擠淤置換法”計算爆炸參數(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,確定堤身自重擠淤深度,自重擠淤深度D0通過如下公式確定:

式中:Hs為淤泥深度,m;

Cu為淤泥抗剪強度,kPa;B為拋填堤頂寬度,m;

D0為堤身自重擠淤深度,m;

h為拋石體泥面以上高度(h=H-D),m;

D為設計擠淤置換深度,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為設計擠淤置換深度,m;

(3)單藥包重量計算

Q=K2bD12

K2為藥量系數(shù),0.2～0.4;b為單炮進尺,m;

(4)堤頭爆填藥包的間距a應滿足如下關系:

a=1.4×K3×(0.062Q1/3)

K3為藥包作用范圍系數(shù),8～12;

(5)堤頭爆填布設的藥包的個數(shù)M應滿足如下關系:

M=M1+M2

式中:M1為堤頭正面所布設的藥包的個數(shù),個;

M2為堤身兩側所布設的藥包的個數(shù),個;

M1和M2應分別滿足如下關系:

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)驗系數(shù),0.4～0.8;K5為經(jīng)驗系數(shù),1.0～1.50;

(6)藥包埋深HB的設計計算

式中:qL為線藥量,kg/m;

LH為爆破排淤填石1次推進的水平距離,m;

Hmw為計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、可靠的實施,結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,結合地質鉆孔設計資料。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)定計算方法進行論述。因此調(diào)整施工方案和爆破參數(shù),堤頭每炮藥量增加10%,并以原來的進尺5～6 m調(diào)整為3～4 m進行爆破,并對兩側加強側爆和爆夯處理。利用較好的塊石(渣)料自身良好的抗剪抗滑物理力學性質來達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,從沒有發(fā)生失穩(wěn)破壞。此段鉆孔檢測深度符合設計要求,斷面其整體性已達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。因此,對復雜軟土地基上堤壩的穩(wěn)定性施工方法進行研究十分重要,并對實際工程施工和設計中提高其海堤穩(wěn)定性起到重要的作用。

5 安全距離計算[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)以下公式計算:

R為爆破振動安全允許距離,m;

V為保護對象所在地質點振動安全允許速度,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為與爆破點至計算保護對象之間的地形、地質條件有關系數(shù)和衰減指數(shù)。(本工程取K=450,α=1.65)

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

6 質量檢測和竣工運行

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

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

(2)斷面測量:采用的儀器為LTD-2 000便攜式探地雷達及配套25MHz天線。探地雷達勘測,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,并對其施工效果進行評價等。探測工作應每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次鉆孔應與探地地雷達勘測同步進行,以后每200 m左右鉆1排(1～5個)拋石孔,鉆孔通過拋石層進入第2層淤泥質黏土內(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ず竺磕暄辞啊⒀春蠛痛箫L暴潮以后各進行1次沉降觀測檢查,沒有發(fā)現(xiàn)工程缺陷和修復,未出現(xiàn)裂縫和沉降的現(xiàn)象。結果穩(wěn)定可靠,效果顯著。

7 結 語

應用爆炸排淤填石堤壩新技術處理水下軟基地基,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。因此近年來得到迅速推廣應用,根據(jù)岱山縣大衢南掃箕圍墾工程的實際情況,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到面層的淤泥層底,落底寬度及內(nèi)外兩側符合設計要求,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,如果基礎處理不當,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。運用爆炸的方法對軟基地基進行處理,對工程質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計[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[M].北京:地震出版社,1980.