徐順香 陳德志 李本偉 羅鵬 甄夢(mèng)陽(yáng) 陳晨

(1.武漢科技大學(xué) 武漢 430081； 2.武漢爆破有限公司 武漢 430056； 3.中鐵二十三局集團(tuán)(湖北)爆破有限公司 武漢 430081； 4.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院 南京 210098)

0 引言

由于造橋資源的緊張和社會(huì)發(fā)展的需要，某長(zhǎng)江大橋主塔沉井基礎(chǔ)需建造在硬質(zhì)黏土層中。由于沉井規(guī)模大與沉井基底持力層為硬塑黏土，需要沉井在堅(jiān)硬的黏土中下沉一定距離，導(dǎo)致井壁摩擦阻力與刃腳下土的正面阻力較大，沉井下沉困難。在下沉接觸到硬塑黏土層后，傳統(tǒng)的沉井施工技術(shù)和水下爆破技術(shù)均不能解決沉井在硬塑黏土持力層下沉的難題[1-4]。因此，迫切需要研發(fā)一種切實(shí)可行適用于60 m水深以內(nèi)的基于硬塑黏土持力層的水下爆破助沉技術(shù)，指導(dǎo)工程實(shí)際。

1 沉井助沉水下爆破關(guān)鍵技術(shù)

1.1 預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向管技術(shù)

(1)根據(jù)爆破區(qū)域環(huán)境、地層性質(zhì)和沉井的結(jié)構(gòu)尺寸[5]確定孔網(wǎng)參數(shù)：井壁寬度如果小于1 m，炮孔定在井壁寬度中心線外側(cè)10 cm處，孔距2 m；井壁厚度如果大于1 m，就采用交錯(cuò)雙排孔，一排炮孔定在井壁中心線外側(cè)20 cm處，另一排孔定在井壁中心線內(nèi)側(cè)10 cm處，孔距2 m。分艙板寬度小于1 m時(shí)，炮孔就定在分艙板寬度中心線上，孔距2 m；分艙板寬度大于1 m時(shí)，炮孔就定在分艙板寬度中心線往兩側(cè)各偏離30 cm處，孔距2 m。

(2)按孔網(wǎng)參數(shù)在澆筑沉井時(shí)預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向管：考慮不破壞沉井強(qiáng)度及保證鉆孔效率，選擇公稱外徑160 mm鋼管及PVC管較合適。沉井澆筑混凝土前，在設(shè)計(jì)炮孔位置的鋼筋籠內(nèi)安裝長(zhǎng)6 m、公稱外徑160 mm鋼管，此鋼管頂部?jī)?nèi)圈預(yù)制螺紋，固定鋼管豎直后澆灌混凝土至將淹沒(méi)鋼管頂部；再在預(yù)埋鋼管頂部正上方鋼筋籠內(nèi)安裝公稱外徑160 mm鋼管或PVC管，此鋼管或PVC管底部外圈預(yù)制與底部鋼管內(nèi)圈螺紋相匹配的螺紋，將上下兩管旋轉(zhuǎn)擰接后用鐵絲固定連接處，再澆筑混凝土；如此反復(fù)加裝鋼管或PVC管即可完成沉井平臺(tái)內(nèi)鉆孔爆破導(dǎo)向管的安裝。

(3)由于在沉井澆筑施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)PVC管被壓碎或傾斜的情況，導(dǎo)致混凝土砂漿進(jìn)入管內(nèi)造成堵孔，故在布孔時(shí)應(yīng)適當(dāng)加密，確保無(wú)爆破死角。

1.2 鉆孔方法及設(shè)備研發(fā)

1.2.1 鉆孔方法

利用地質(zhì)鉆鉆孔。在鉆孔前使用量繩測(cè)量孔深，預(yù)估鉆孔工作量；將110 mm鉆頭放到孔底，再進(jìn)行鉆進(jìn)，保證鉆頭鉆進(jìn)至少3 m；再利用量繩測(cè)量鉆孔，對(duì)孔深達(dá)到設(shè)計(jì)要求的鉆孔進(jìn)行裝藥操作。對(duì)未達(dá)到要求的鉆孔利用注漿鉆孔法或套管鉆孔法進(jìn)行鉆進(jìn)，直至孔深達(dá)到要求。

(1)注漿法鉆孔。在鉆孔過(guò)程中，當(dāng)遇到含砂層或碎夾石層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔深度無(wú)法滿足要求。因此，此情況下需進(jìn)行注漿鉆孔，其目的有兩點(diǎn)：其一是由于漿液密度較大，能將砂石沖出孔口；其二是漿液能起到護(hù)壁的效果，保證裝藥前不會(huì)塌孔。采用膨潤(rùn)土、水、石堿按45%∶50%∶5%比例配制漿液。不建議采用水泥砂漿作為注漿鉆孔法漿液，避免水泥砂漿凝固造成堵孔導(dǎo)致鉆進(jìn)困難。

(2)套管法鉆孔。當(dāng)使用注漿鉆孔時(shí)無(wú)法返漿或因夾砂層過(guò)厚導(dǎo)致注漿鉆孔法仍會(huì)塌孔時(shí)需采用套管鉆孔法，其目的在于阻隔砂石進(jìn)入炮孔中，確保不出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。利用110 mm鉆頭在預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向管底部鉆進(jìn)3 m深度，再將長(zhǎng)度3 m公稱外徑110 mm的PVC管套在直徑90 mm鉆頭上送入預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向管底，然后進(jìn)行鉆孔工作，保證PVC管有50 cm留在預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向管中。

1.2.2 鉆孔設(shè)備研發(fā)

(1)地質(zhì)鉆加工。在水下爆破中使用的地質(zhì)鉆輔助裝置，預(yù)先根據(jù)地質(zhì)鉆尺寸制作固定地質(zhì)鉆的框架。在工作平臺(tái)較窄，無(wú)法進(jìn)行地質(zhì)鉆機(jī)操作時(shí)，將預(yù)先制作的框架平臺(tái)安裝在地質(zhì)鉆機(jī)上，并用螺絲、鋼絲繩固定安裝完成，再利用吊機(jī)擺放至工作平臺(tái)，使輔助工作平臺(tái)懸空，以提供一個(gè)操作空間。

(2)輔助鉆孔的套管卡鉗。因河床沙石流動(dòng)性大的特點(diǎn)，故會(huì)遇到所鉆炮孔在鉆桿提出炮孔后產(chǎn)生回填和堵塞，導(dǎo)致炮孔不合規(guī)格嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和效率；故將一根內(nèi)徑大于鉆桿直徑的金屬套管先行垂直于河床放入河床底部，再沿著套管口放入鉆桿進(jìn)行鉆孔，這樣就可以很大程度上降低鉆桿提起后沙石對(duì)已鉆炮孔的回填和堵塞。但是此金屬套管在水下無(wú)法固定，鉆孔時(shí)伴隨鉆桿有很大幅度的左右蕩動(dòng)，嚴(yán)重影響了鉆桿真實(shí)鉆孔效率，一種在沉井助沉爆破施工中輔助鉆孔的套管卡鉗，使沉井爆破深水下鉆孔能高效地完成。即利用兩根固定用槽鋼將兩根主槽鋼平行焊接一體，其中一根固定用槽鋼在主槽鋼一端焊接，另一根固定用槽鋼在主槽鋼靠中間位置焊接。在兩根主槽鋼上各焊接一個(gè)可開(kāi)合式合頁(yè)，合頁(yè)上帶半圓開(kāi)口，當(dāng)兩個(gè)合頁(yè)合上形成閉合圓形時(shí)可正好固定住金屬套管。在主槽鋼底部開(kāi)橫向卡槽，通過(guò)此卡槽可將此設(shè)備安裝固定到基座上。

1.3 一體化藥包安全起爆技術(shù)

由于爆破作業(yè)需要在60 m水深環(huán)境下下進(jìn)行，故炸藥采用防水性能好的中爆速震源藥柱。藥柱直徑75 mm，雷管采用MS3及LP-6導(dǎo)爆管雷管。為了確保所選用的爆破器材在深水條件下可以穩(wěn)定起爆，需要對(duì)其做抗水性試驗(yàn)和必要的防水處理。

以直徑90 mm的PVC管為載體，將堵塞物、震源藥柱和雷管制作成為一個(gè)整體，依次為雷管、震源藥柱和堵塞物，如圖1所示。管殼起到承載炸藥、防水保護(hù)裝藥和助沉裝藥的目的；采用預(yù)制填充混凝土塊填塞，填塞長(zhǎng)度約1.0～1.5 m；堵頭起到封水、配重及便于尋孔的目的。

圖1 預(yù)制藥包結(jié)構(gòu)示意

1.4 對(duì)稱起爆技術(shù)

為提高起爆網(wǎng)路的可靠性，降低單響藥量，采用非電毫秒微差復(fù)式起爆網(wǎng)路，孔內(nèi)起爆雷管用兩發(fā)奧瑞凱LP6段(1 200 ms)起爆雷管，孔外接力雷管用MS-3，為單孔單響起爆網(wǎng)路。起爆網(wǎng)路除需考慮準(zhǔn)爆性外，還需考慮爆破瞬間沉井受力下沉的均勻性和對(duì)稱性。因此，爆破起爆網(wǎng)路以沉井中心線為軸，兩側(cè)完全對(duì)稱起爆。須遵循下列設(shè)計(jì)原則：

(1)每爆設(shè)計(jì)原則。每次爆破必須根據(jù)當(dāng)時(shí)沉井姿態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮沉井水平測(cè)繪數(shù)據(jù)和基底地形變化，不可直接套用前次爆破布孔網(wǎng)路。

(2)沉井平衡最優(yōu)原則。每次爆破必須保證爆破后沉井水平平衡向高程差降低的方向發(fā)展。在沉井自身平衡性較好時(shí)，必須采取中心對(duì)稱布置；在沉井已經(jīng)存在自身傾斜時(shí)，應(yīng)優(yōu)先在下沉進(jìn)度慢的一側(cè)進(jìn)行爆破，發(fā)揮糾偏功能。

(3)每響必平衡原則。為保護(hù)刃角結(jié)構(gòu)安全，爆破必須進(jìn)行單控單響網(wǎng)路設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)過(guò)程中必須保證每響爆破后，沉井均處在一個(gè)平衡狀態(tài)下。

3 現(xiàn)場(chǎng)效果分析

某大橋1#主塔基沉井水下爆破助沉施工歷經(jīng)27個(gè)工作日的奮戰(zhàn)，成功幫助大橋1#主塔基沉井著床到位。同時(shí)保證了施工區(qū)域內(nèi)設(shè)備設(shè)施、建構(gòu)筑物、沉井自身及長(zhǎng)江大堤安全，也保證了沉井基地土層的承載能力。圓滿達(dá)到工程目的，同時(shí)取得了優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

在沉井助沉水下爆破施工中，通過(guò)預(yù)埋鉆孔爆破導(dǎo)向孔降低了鉆孔工作量，同時(shí)提高了鉆孔精度；研發(fā)了一種高效安全的專用鉆孔設(shè)備，簡(jiǎn)化了工序，提高了施工效率，并保障了施工安全；研發(fā)了一體化藥包及裝藥技術(shù)，確保藥包順利入孔，保障了沉井助沉水下爆破施工的安全性與可靠性，實(shí)現(xiàn)在沉井筒壁正下方60 m水深鉆孔爆破作業(yè)；通過(guò)對(duì)稱起爆技術(shù)保證了沉井勻速平穩(wěn)下沉。

4 結(jié)語(yǔ)

大橋塔基坐落在黏土持力層是建橋領(lǐng)域的創(chuàng)新探討，而60 m深水下黏土爆破在爆破工程領(lǐng)域也未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。開(kāi)展沉井助沉水下爆破關(guān)鍵技術(shù)研究，為大橋主塔施工提供科學(xué)依據(jù)和施工保障，積累科學(xué)數(shù)據(jù)成果和經(jīng)驗(yàn)，為同類工程提供借鑒。開(kāi)展沉井助沉水下爆破關(guān)鍵技術(shù)研究，使大型橋梁塔基選擇黏土層作為沉井基底持力層成為可能，拓寬了橋梁建設(shè)的選址范圍，促進(jìn)了橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步。