爆炸挤淤置换法在浙江围垦工程中的应用和发展

2012-07-02江礼凡屈兴元江礼茂

浙江水利科技 2012年3期

江礼凡,屈兴元,王江,江礼茂

(宁波科宁爆炸技术工程有限公司,浙江宁波 315040)

1 爆炸挤淤置换法简介[1].

自20世纪80年代 “爆炸排淤填石法”发明以来,爆炸处理软基筑堤已发展到第3代。第1代是处理有覆盖水的较薄软基,石料须陆抛,堤身一次爆炸落底的工程;第2代是对软基厚度和有无覆盖水及是否陆抛没有限制,经抛填自重和多次爆炸共同作用使堤身达到持力层的工程;第3代是 “悬浮”式堤身结构,或在倾斜的海涂面筑堤,或其它环境及施工条件极端复杂的工程;第2、3代的施工方法为“爆炸挤淤置换法”,是“抛石挤淤”的延伸。

爆炸挤淤置换法的施工要点:①设计抛填和爆炸参数:a.根椐堤身设计高度和施工经验确定堤身抛填高度;b.根据堤身设计断面和抛填高度计算值计算堤身抛填宽度;c.按土工原理计算堤身自重挤淤深度,计算堤身自重挤淤深度与设计深度的差值;d.由上述参数值根据爆炸作用原理和经验确定爆炸参数。②现场实施:按上述设计参数施工。③参数调整:施工中,通过对爆炸效果的测量、统计分析,调整和控制抛填与爆炸参数,使抛填体形成设计要求的断面。

2 爆炸处理软基筑堤技术在浙江围垦的前期工作[2].

2.1 试验阶段

1987年在舟山市定海区团结塘围垦工程龙口段进行了试验。由于软基较厚及限于“爆炸排淤填石法”理论的局限和当时的技术水平,施工最终形成的爆填堤心石断面与设计要求差异很大,实际抛石方量大大超出了设计工程量,造成了较大的投资浪费。由于试验结果不理想,使该技术在浙江省水利围垦工程中的推广应用产生较大的负面影响。

2.2 初步应用阶段

2000年在温岭市东海塘围涂工程的横歧山—南港山施工交通堤中首次成功应用。横歧山—南港山施工交通堤长210m,涂面高程约为-2m,基础淤泥层厚约8m,泥下持力层为岩基。设计采用爆炸法处理软基,堤顶宽10.0m,高7.6m,两侧边坡坡度为1∶1.5,堤基础爆填堤心石落底基础宽45m,顶宽70m,为倒梯形结构;要求采用含泥量小于10%的弱风化岩石抛填。实际施工中岩石较为破碎,爆炸置换施工难度较大,完工后测量表明堤身没发生位移,工后沉降量约2 cm。

2.3 完整应用阶段

洞头县北岙后二期围涂工程围涂总面积284 hm2,工程为东、西2条围堤和3座水闸,围堤堤身主要由石坝和闭气土2部分组成,其中西围堤经方案比较,最终采用“爆炸置换法”处理软基的堤坝结构设计方案。堤长1 034m,涂面高程约0.0m,淤泥层最厚达21.2m,淤泥层快剪内摩擦角标准值3.7°,粘聚力8.2 kPa;堤顶高程8.0m,堤顶宽8.0m,堤身最大底宽21.0m,最大腰宽42.29m,软基最大置换厚度为20m。设计爆填堤芯石涂面以下近似为 “悬浮”式倒梯形结构。堤心石要求采用单块重10～1 000 kg的连续自然级配的弱风化混合石料抛填,含泥砂量不得超过10%。根据上述设计,爆填堤心石须采用“控制加载爆炸挤淤置换法”进行施工,工程实际施工由该技术发明单位负责。2003年9月5日,围堤爆炸置换法处理软基施工顺利结束,标志着“爆炸置换法”基础处理技术在围垦工程中的首次完整应用已取得阶段性成果。此后进行的一系列检测和验收成果表明,爆填堤心石断面结构基本符合设计预期要求,质量初评为优良。

3 10 a工程实践所解决的问题

在北岙后二期围涂工程完整应用取得成功的基础上,近10 a来“爆炸置换法”在浙江围垦工程中已完成了约30个工程超过40 km的海堤施工。解决了以下问题:

(1)深厚软基的爆炸置换。浙江围垦工程软基厚度大部分都在20m以上,至少已有4个工程置换软基厚度最大超过35m;

(2)“悬浮”式堤身结构的设计和施工。有部分工程,勘探揭露淤泥质软基厚度超过40 m(正在设计的工程有的软基超过70m),为节省造价,设计采用 “悬浮” 式堤身结构。经过精心施工,工程均达到设计要求,为业主节省了大量的工程造价;

(3)倾斜海涂面上的爆炸处理软基筑堤问题;

(4)复杂条件下的爆炸置换法处理软基筑堤问题。

4 “悬浮”式结构海堤工程[1].

4.1 工程概况

玉环县漩门三期围垦工程是围涂面积0.453万 hm2(6.795万亩),海堤总长5 314 m,共分3段:坎门海堤长287m;珠港海堤长4 077m;干江海堤长950m。

珠港海堤地基原涂面高程-3m左右,淤泥质软土层最大厚度超过40m。自上而下各土层的物理力学参数见表1。

表1 各土层物理力学参数推荐值表

工程附近坎门潮位站实测年最高潮位5.34 m,实测年最低潮位-3.66m,最大潮差7.02m。50 a一遇塘前设计波要素见表2:

表2 50 a一遇塘前设计波要素表

4.2 设计断面及对爆炸置换施工的技术要求

海堤典型断面见图1。

堤身结构:软基厚度小于4 m的桩号Z0+000～Z0+080m及Z4+000～Z4+077m堤段 ,采用抛石挤淤法施工;其他软基厚度较大的堤段,设计采用控制加载爆炸挤淤置换法施工。在软基深厚的堤段,为节省投资,堤身设计为“悬浮”式结构,海堤设计最大置换厚度约27m,堤身下卧软基厚度最大超过10m,堤身最大腰宽约70m。

设计要求:施工爆填堤心石的置换范围不得小于设计要求。

图1 堤身典型断面设计图

4.3 珠港海堤施工质量检测结果及分析

施工过程中,业主委托专业单位进行了探地雷达检测和堤身钻孔检测,珠港海堤钻孔共60个。对比钻孔结果,发现探地雷达检测结果与实际差异较大。

钻孔结果:Z0+080～Z0+130m段原设计堤身在-16.0 m落于基岩上,钻孔检测揭示直至-30.0m地基仍为淤泥质软土,设计单位据此修改了堤身断面,按设计修改断面再加强爆炸处理后,堤身落底深度小于设计1.0～2.5m;Z3+950～Z3+825m二孔位置堤身已落于细砂层和基岩上,持力层变浅使堤身落底深度与设计差异较大。除上述2段外,海堤的实际落底深度都大于设计深度,原因有3个方面:①规范和设计有偏差:设计计算时土的物理力学参数采用规范推荐值,但在具体堤段位置实际指标因离散性较大等原因与设计值有偏差,设计要求 “爆填堤心石的置换范围不得小于设计要求”,因此堤身就只能深不能浅;②涂面变化的影响:断面设计计算用原涂面高程,合龙段涂面在施工时受到冲刷变低,涂面最低达到-8m左右,造成堤身落底超深;③堤身断面结构不对称:为保证堤身外侧护面结构的稳定性,采用堤身不对称的结构,在以前的工程中是不多见的。对抛填体形状结合爆炸作用原理进行简单的力学原理分析,堤身达到设计深度时两侧断面与设计有差异在所难免。

数据统计:①堤身不同部位超深值:中间部位除去2个堤身已落于细砂层和基岩的钻孔,45个孔平均超深2.61 m;除去2个超深约20m的特别钻孔,堤身两侧倒梯形部位其余11个钻孔平均超深3.23m,大于中间部位。超深集中的堤段是合龙段两端的Z0+900～Z2+300 m,19个钻孔平均超深3.73m。说明对超深影响最大是涂面受冲刷变低;②特别的钻孔:Z2+109和Z2+150m内侧23m位置这2个钻孔超深约20m,其深度已超过堤身中间部分,这与地层结构较特殊和土的灵敏度较高有关。

5 倾斜海涂面上的爆炸处理软基筑堤

5.1 工程概况

惠生重工秀山围涂工程(0+899.8～1+520.2m)海堤位于岱山县秀山岛北侧,海堤原始涂面-1～-2m,海堤外侧涂面为一陡坡,离堤外坡脚约60,80,110,130,180 m处涂面高程分别为-10,-20,-35,-40,-50 m。设计采用爆炸挤淤置换法处理软基,堤身最大置换软基厚度约28m。海堤区域各土层物理力学指标平均值见表3。

表3 各土层物理力学指标平均值表

典型的堤身设计断面见图2。

图2 桩号0+950 m海堤断面设计图

5.2 施工简介

业主采用招标选取的工程施工单位,自2009年9月16日进场开工以后,堤身沉降现象一直持续出现,沉降量从0.3～4.0m不等,最多1 d下沉次数达6次。在施工过程中,出现多次沉降、重复补抛、继续下沉现象,采取外侧爆夯和内侧侧爆等处理措施后,有一定效果,但沉降现象继续出现,至11月19日晨发现堤身发生过大沉降,堤身整体下沉至水下。

该施工段还没到软基最深厚堤段,典型设计断面原泥面高程为-1.10 m,淤泥厚度为9.41 m,落底深度在-10.51m,落底宽度在28.35 m。持力层为含砾砂粉质黏土,地层平缓,外侧略高。

在海堤沉入水下以后,爆炸处理软基专业分包单位和总包单位、业主、设计等进行了多次讨论,最后分包单位认为该堤爆炸置换软基太厚,已经超过了现有规范,是无法用爆炸处理软基方法建成该堤的,建议用其他办法进行海堤施工。

2010年6月在上述爆炸法处理软基专业分包单位离场后,宁波科宁爆炸技术工程有限公司应有关单位邀请进场进行修复施工。采取了现场踏勘调研,地质资料分析研究,设计意图学习和理解,并组织精干的有类似工程施工经验的人员现场实施。由于准备充分,掌握了本工程的地质和环境特点,采用的施工方法和技术措施得当,克服了困难,施工比预计的顺利,海堤施工即便在软基最大堤段也没出现滑移,工程完工后经钻孔检测和沉降观测,施工质量良好,海堤完全满足设计和使用要求。

5.3 斜坡上修建海堤的要点

本工程的软基具有典型意义:一是含水率不是很高,但液性指数相对较大;二是为近几十年新近沉积;三是堤身外侧涂面有陡坡。这样的工程在舟山等海岛地区较多,海堤容易出现滑移,设计和施工单位应予以高度重视。

相对于其他施工方法,采用爆炸置换法在斜坡上修建海堤,设计堤身轴线可向外海移动,这样可增加围涂面积、减少开山工程量、缩短堤外建设码头的引桥长度,具有极大的经济效益和环保价值。

施工成败的关键:堤身滑移时在软基中会形成滑移线(面),而滑移线 (面)的形成有一个过程,抛石体达到设计深度时,没形成滑移线(面),海堤就稳定;反之,抛填体在达到设计深度前,堤内侧软基已经滑动,海堤就会一起滑入大海。

此类工程合适的施工方法是 “控制加载爆炸挤淤置换法”,同时,充分了解地质资料、仔细分析设计意图、现场管理人员的技术水平和高度负责的精神,是工程成功的必要条件。

6 复杂条件下的爆炸置换法处理软基筑堤

6.1 工程概况[3].

舟山市岱山县衢山镇黄泽山南岙围垦工程围堤是由广厦 (舟山)能源集团有限公司投资开发的广厦黄泽山石油中转储运项目的前期项目。工程位于岱山县黄泽山岛南面,工程新建海堤长约1 200m,为重力式海塘,海堤区域原始涂面高程-1～-3m左右,软基最大厚度约25m,地质指标见表4,海堤设计断面参数见表5。

表4 各土层物理力学指标表

表5 海堤各断面相关参数表m

海堤软基原采用排水板法进行处理,根据现场爆炸处理软基施工和测量发现在海堤位置表面分布有宽约60m,厚3～6m的抛填块石和碎石,石料下面是1层土工格栅,下卧土层有部分固结,根据施工情况土的力学性质离散性较大。堤身外侧为陡坡,离堤轴线50m处涂面高程最低处约为-18m。海堤一端在堤外坡脚15m范围内有1个正在使用的桩基码头及引桥。

对这种海堤施工的可行办法是:采用“控制加载爆炸挤淤置换法”,应用地基的冲剪破坏原理,在原抛石体上进行抛填加高,利用石料的自重作用,使原来的抛石体作为堤身的一部分下沉使软基形成冲剪破坏,在堤头前面原抛石体上产生1条缝隙,将堤身下卧软土挤出,同时可以利用这个缝隙将炸药包埋入原抛石体下面爆炸,从而完成工程施工,达到设计要求。