深水區厚淤泥層回填石渣爆破擠淤技術

張 敏，林玉葵，李曉杰

(1.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116083；2.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

爆破擠淤是軟土地基處理中采用強制換置法中的一種，與傳統的挖泥和軟基處理方法相比，該技術工藝比較簡單，不需要大型水上施工船舶機械設備，具有施工進度快、費用低、對環境污染小等特點，在護岸、防波堤、碼頭等水工工程中被廣泛應用。但由于受淤泥和土層的性質與分布、施工技術與工藝、開山石料質量和作業環境條件的影響，造成石料未落到持力層上(下部包有淤泥)，爆破擠淤的質量未達到要求，在爆破擠淤施工過程中或在后期(上部結構完成后使用階段)基礎發生沉降、滑移，造成項目停工、設備損失、人員傷亡的事故屢有發生，所以建設、設計和監理單位對爆破擠淤工藝的采用、施工隊伍的選擇特別慎重，質量要求特別嚴格。

爆破擠淤的工作原理是通過在石體的前方一定距離和深度的淤泥中埋放藥包，當藥包在石體前部爆炸時，爆炸瞬間的高壓氣體將藥包附近的淤泥擠開，在淤泥內部形成空腔，同時石體在自身的重力作用下產生石體坍塌填充了空腔，石體下沉到持力層，在短時間內完成了軟土和石體的置換從而滿足堤基的承載力要求。由于爆后大量的回填石料滑落覆蓋在基礎上(屬隱蔽工程)，質量檢測采用鉆孔法(目前最準確的方法)，鉆孔需穿過回填塊石效率低、費用高、難度大，若質量不合格后續處理更是特別困難。在確定的地質和環境條件下，爆破擠淤質量關鍵因素是爆破空腔和石體的滑落速度，石體的大小尤為關鍵。對相同藥量的情況下，大塊石較小塊石重量大、滑落快、擠淤的效果好，反之效果差，為了確保爆破擠淤的效果，對回填開山石料的質量要求以中、大塊石料為主[1-8]。北良西護岸工程淤泥層最大厚度14 m，水深達17 m。堤心石由業主供料，采用廠區北部開山石渣,為石英砂巖、板巖(見圖1)，不符合設計堤心采用5～300 kg開山石的要求。爆破擠淤采用回填石渣在以往的工程中特別少見，況且在厚淤泥層和深水區，難度特別大，所以爆破擠淤施工的質量是關鍵，關系到項目的成敗。

圖1 西護岸堤心回填石渣Fig.1 Backfilling dike core with fragmental rock in the west coastal revetment

1 工程概況

北良西護岸位于遼東半島大連灣東岸大孤山半島的西咀處(北緯38°58′5″，東經121°48′5″)，碼頭處于大連口岸對外開放水域，與大連市區隔海相望。

西護岸設計軸線方位為N135°～315°，西北端與原有的防波堤連接，東南端至散稻泊位，西護岸總長1 390.056 m，其中直線段長1 239 m，與原有防波堤連接弧段長151.056 m。K0+080～ K1+189直線段1 109 m，基礎采用爆破擠淤處理方式(見圖2)。西護岸結構設計斷面，頂寬12.0 m，堤頂高程5.5 m，擋浪墻頂高程8.7 m。堤心采用5～300 kg開山塊石，含土量小于5%(見圖 3)。地層分布依次為淤泥、淤泥質粉質黏土、粉質黏土。設計要求爆破擠淤使開山塊石落至粉質黏土上。爆破擠淤實際施工長度1 088 m，方量(堤心石爆填)為181萬m3。

圖2 西護岸平面Fig.2 The plane of west coastal revetment

圖3 西護岸典型斷面Fig.3 Typical section of west coastal revetment

2 施工方法

根據項目的特點結合經驗，確定采用端進法施工(見圖4)。在回填堤頭的前端淤泥內埋設1排藥包，引爆藥包,爆炸所產生氣體將淤泥向四周擠出并向上拋擲形成長條形爆槽，鄰近爆槽的堤頭堆石渣體在重力、振動作用下滑向爆槽，形成瞬時定向滑移與泥石置換。塌落石渣滑向爆槽后形成“石舌”。在爆后堤頭回填石渣形成新的堤頭，新的回填體將“石舌”上部淤泥擠走并壓結在“石舌”上，在新的回填堤頭前方繼續埋藥爆炸，經多次“回填、爆炸”重復進行完成護岸堤心石爆填施工。

圖4 護岸爆破擠淤Fig.4 Blasting squeezing silt of coastal revetment

由于設計護岸位置在距離陸域200 m外的水域，連接護岸的原有防波堤不具備運渣車輛通行的條件，選擇在距離護岸最近的岸邊填筑施工通道進行爆破擠淤，完成通道段護岸爆破擠淤后，再向兩側推進，如圖5所示。爆破擠淤總的施工順序首先進行K0+127～K0+147段，再進行K0+147～K0+197試驗段，再由K0+127、K0+197分別向兩端進行。

圖5 爆破擠淤施工順序Fig.5 Construction sequence of blasting squeezing silt

1)K0+127～K0+147段。本段為施工通道，根據現場的陸域回填岸線和設計護岸的位置，確定在距離護岸最近的K0+127～K0+147段先開始施工。在回填大區南側回填一條施工通道向南推進，施工通道采用側向(相對護岸方向)爆破擠淤的方法(見圖6)。首次回填坡頂距護岸定位軸線60 m，堤頂寬度為20 m，回填達到要求后進行布藥爆破，按照回填、布藥爆破多次循環進行達到護岸縱向爆破擠淤施工所需工作面。

圖6 側向爆破擠淤(K0+127～K0+147)Fig.6 Lateral blasting squeezing silt(K0+127～K0+147)

2)K0+147～K0+197段。本段為試驗段，在通道爆破擠淤完成后，進行該段長50 m試驗段爆破擠淤。采用端部縱向爆破推進與外側爆破相結合的方法(見圖7)，即先進行多次縱向回填、布藥爆破，當端部縱向推進完成50 m后，再進行外側爆破擠淤。

圖7 縱向爆破擠淤(K0+147～K0+197)Fig.7 Longitudinal blasting squeezing silt(K0+147～K0+197)

3)K0+127～K0+080、K0+197～K1+189段。根據試驗段爆破擠淤效果，對回填斷面與爆破參數進行優化，按照與試驗段相同的方法進行爆破擠淤施工，如圖8所示。

圖8 縱向爆破擠淤(K0+127～K0+080,K0+197～K1+189)Fig.8 Longitudinal blasting squeezing silt(K0+127～K0+080,K0+197～K1+189)

3 施工工藝

爆破施工的工藝流程如圖9所示。在堤身前端和側面泥下布藥進行爆破擠淤，堤側坡腳布藥進行爆破夯實。每次爆破后進行水下探測與測量，及時反饋給回填，以保證工程質量。

圖9 爆破擠淤工藝流程Fig.9 Technological process of blasting squeezing silt

3.1 堤心回填

K0+127～K0+147段(通道)堤心回填：考慮施工通道需要滿足運渣車輛安全通行的要求，回填斷面的頂寬為20.0 m，頂標高為+4.0 m，邊坡1∶1，如圖10、圖11所示。

圖10 回填斷面(K0+127～K0+147)Fig.10 Cross section of backfill dike(K0+127～K0+147)

圖11 回填縱斷面(K0+127～K0+147)Fig.11 Longitudinal section of backfill dike(K0+127～K0+147)

K0+147～K0+197段(試驗段)護岸堤心回填：回填斷面頂寬分別為44.0 m，頂標高為+4.0 m，邊坡1∶1，如圖12所示。

圖12 回填斷面(K0+147～K0+197)Fig.12 Cross section of backfill dike(K0+147～K0+197)

K0+127～K0+080、K0+197～K1+189段堤心回填：回填斷面頂寬分別為36.0 m，頂標高為+4.0 m，邊坡1∶1.5，如圖13所示。

圖13 回填斷面(K0+127～K0+80,K0+197～K0+197～K1+189)Fig.13 Cross section of backfill dike(K0+127～K0+80,K0+197～K1+189)

3.2 水深測量

采用測深儀在施工前和每次爆破前、后進行水深測量。爆前水深測量范圍為設計護岸及施工影響區(護岸邊線周邊40 m)，爆后測量范圍自回填石堤前端后10 m起測至石舌前端20 m。測點間距為5 m一個斷面、5 m一個點。

3.3 藥包制作與布設

根據藥包的長度割取適量長度的導爆索，將塑料導爆管毫秒雷管綁扎在導爆索上，從乳化藥包(長度方向)中間穿過，用麻繩在藥包的兩端扎緊。采用100 t履帶吊輔助15 kW振沖式裝藥器按設計位置與深度進行布藥(見圖14)，由下藥器的底端將塑料導爆管經水面拉出至堤頭。

圖14 裝藥機工作Fig.14 Explosive charge machine at work

3.4 起爆網路

采用導爆管毫秒延時網路，以瞬發電雷管起爆，起爆網路如圖15所示。

圖15 起爆網路Fig.15 Initiation network

3.5 堤心石渣層探摸

用下藥器探摸石渣層前端(石舌)推行的位置、分布、落底狀況，檢測確定推進實際距離，確定下一循環爆破的布藥位置(樁號)。

3.6 側向爆填

堤身縱向爆填每完成50 m后，根據堤身外側石渣層在淤泥中的分布狀況和落底情況，在外側補填石渣，按照與縱向爆破相同方法布藥進行側向爆破，使堤心達到設計護岸斷面要求。

3.7 外側坡腳爆夯

在設計坡腳平臺位置按設計斷面寬度進行補拋塊石，高程高于設計1～2 m。藥包布置在平臺石料表面爆夯(見圖16)。

圖16 外側坡腳爆夯藥包布置Fig.16 Explosive ramming charge locationon the outer slope toe of dike

4 爆破參數

根據《水運工程爆破技術規范》(JTS 204-2008)和爆破擠淤的機理，考慮該項目淤泥層厚、水深、回填石渣等不利因素，設計加大了爆破擠淤的單耗(加大藥量)，爆破參數取值與計算如下。

4.1 堤心擠淤

1)成孔直徑：d≥30 cm；單耗：q0=0.25 kg/m3；一次推進水平距離：Lh=7 m。

2)線裝藥量：ql=q0LhHn=1.75Hn(Hn為淤泥平均厚度，m)；單孔裝藥量:Q1=qlLa,(La為布藥長度，m)；藥包埋深：H=0.6Hn；其他參數如表1所示。

表1 堤心爆破擠淤參數Table 1 Parameters of blasting squeezing silt of dike core

4.2 坡腳平臺爆破夯實

表2 爆破夯實參數Table 2 Parameter of explosive ramming

5 施工困難與解決措施

5.1 施工中的困難

1)爆淤推進距離小，端部淤泥隆起高，進度慢、難度大。由于淤泥層厚、回填石渣塊小，爆破后向爆槽回落速度慢，擠排的淤泥少、端部推進距離比較近，堆積在端部的淤泥量大(局部高出原泥面達8 m)。

2)爆后斷面外側寬度大，清理邊坡時挖方量過大。由于水深、回填碎石塊小，爆后堤身的外側(海域一側)的坡度較緩，超出設計斷面，導致清理邊坡時挖方量過大。

3)停工期間端部石渣滑移遠，處理難。工程于2012年5月開工，在端部推進到樁號K0+324時，由于陸域大區回填擠出來的淤泥進入護岸區內，使得淤泥面升高3～4 m,爆破擠淤厚度增大、難度增大(方量增加)。建設單位根據專家會意見，為了保證擠淤的質量，確保護岸基礎穩定，決定停止爆破擠淤施工與陸域大區回填，采用挖泥船挖出回淤部分(原泥面以上)淤泥后再恢復爆破擠淤施工。于2012年9月16日停工，2014年2月21日復工。由于停工時間過長，受風浪、潮流作用石渣滑移距離堤頭遠，造成吊車不敢靠近堤頭作業區、下藥管遇石渣層不能將藥包布置在要求深度，施工難度大。

4)對接段淤泥面高、泥石混合面大、距離長，施工難度大。為了確保東部散稻泊位沉箱的穩定，對接段確定在東側K0+852～K0+948段。由于兩端擠淤的推進，距離較小，大量的淤泥堆積在對接段，使對接段淤泥面升高；陸域一側的回填石料大量滑入對接段區域，泥石混合段寬，下藥管無法成孔，藥包不能送至到淤泥中。由于兩堤頭距離較短，挖泥船進入作業困難，且挖泥會使堤頭及陸域回填區產生大量的坍塌，挖方量大，造成石料的浪費、不經濟。

5.2 解決措施

1)方案與爆破參數的設計。采用了縱向推進與側向爆破擠淤相結合，坡腳爆夯的多種爆破方法。布藥設備采用起重量為100 t(吊距大)的大型履帶吊。施工總順序按排依次為通道、試驗段，再向兩端推進爆破。確保通道與護岸爆破擠淤及護岸段主體施工有序銜接。

加大爆破擠淤藥量，炸藥單耗取較大值，比當地類似爆破擠淤工程增加了20%～30%。

進行試驗段爆破，并由第三方進行鉆孔檢測，總結經驗、優化了參數。

為了確保質量，K0+324～K0+345段采用了常規的挖泥船挖泥，挖至設計標高(持力層)。K0+345～K0+375段采用泥面下布藥與石渣面上布藥相結合的方法，水底為淤泥將藥包按設計布置在淤泥中，水底遇石渣層將藥包布置(固定)石渣層表面上，石渣面布藥藥量為48 kg，其中臨近石渣面的泥下布藥孔加大藥量，增加24 kg，其余泥面下布藥按原設計藥量。

K0+852～K0+948段采用泥面下布藥與石渣面上布藥相結合的側向爆破擠淤法，在陸側距離護岸定位軸線30 m開始探摸布置藥包，由陸側向海側進行多次爆破、回填。水底為淤泥將藥包布置在淤泥中，水底為遇碎石層將藥包布置(固定)碎石層表面上，采用參數如表3所示。

表3 側向爆破擠淤參數Table 3 Parameters of lateral blasting squeezing silt

2)施工過程控制。嚴格控制堤心回填進尺與藥包布設位置。每次爆破后對泥下石渣進行探摸，根據探摸石渣的實際位置，確定并嚴格控制回填進尺與藥包位置。藥包采用極坐標法定位布設，根據水位確定藥包埋深，使藥包位置及埋深誤差不大于30 cm，確保護岸基礎泥石置換縱向連續，底部落在持力層上。

采用雙線防水導爆索起爆乳化炸藥，藥包制作牢固。采用雙線塑料導爆管毫秒延時起爆網路，確保連接牢靠準爆。

6 結語

北良護岸項目完成6年多的時間里，經歷了數次強臺風的考驗。本工程爆破擠淤不僅保證了質量，而且節省了石料的外購與運輸費用達人民幣3 000余萬元(又增加了場區面積)，經濟效益顯著，受到了業主與參建單位的贊揚。

該工程方案制定縝密、施工精細，采用了回填石渣在厚淤泥層、深水區進行爆破擠淤獲得成功，解決了回填石渣爆破擠淤的難題，可為以后類似工程提供借鑒。