全側向爆破擠淤快速筑堤技術適用范圍及施工參數優化

楊 峰，劉 莉，李瀚軒

(1.大連空港建設發展有限公司，遼寧 大連 116000；2.大連市市政研究院有限公司，遼寧 大連 116000；3.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007)

1 概述

1.1 工程概況

依托大連某項目西斜坡護岸工程，該工程位于大連金州灣中部至灣底，工程位置見圖1。

護岸工程設計方案[1]為：先期通過陸上推進的方式直接回填開山石形成45 m圍堰，形成臨時護岸；后期進行海側15 m的堤心爆破擠淤，處理土層為表層的淤泥層，厚度約9～16 m，該土層具有高含水量、高壓縮性、高靈敏性特點，工程性質極差，其下分布厚約9～13 m硬塑黏土層，工程性質較好，爆破擠淤形成的永久護岸堤身坐落在該黏土層上。西斜坡護岸典型斷面見圖2。

圖1 工程位置

圖2 西斜坡護岸典型斷面(單位：m)

1.2 傳統拋石爆炸擠淤技術

傳統爆破擠淤技術始于20世紀30年代，60年代引入我國。該技術以淤泥、混合石料為對象，通過爆破的方法清除淤泥，實現石料置換基底淤泥，達到改良軟土地基的目的。爆破擠淤技術常用于防波堤、護岸、沿海貯灰圍場、大型沉箱碼頭等工程的軟基處理，是一項成熟且不斷發展完善的技術。該技術存在如下缺點：所需石料較多；爆破次生危害不可避免；質量控制方法及標準尚不完善；爆破后內外側淤泥包的清理及堤身理坡工作量較大。

JTS 204—2008《水運工程爆破技術規范》[2]對爆破擠淤填石技術進行了詳細規定，發布距今已有十余年，期間隨著工程實踐的推進，對爆破擠淤置換機理認識逐漸加深，新的施工方法不斷涌現，規范中某些原有的取值方式不能很好地滿足現有工程施工要求，如處理深度和施工參數等。傳統爆炸擠淤斷面見圖3。

圖3 傳統爆炸擠淤斷面

1.3 全側向爆破擠淤快速筑堤技術

常規的爆破排淤填石法形成拋石堤施工程序一般要經過端部推進排淤、側爆拓寬排淤落底、爆夯形成平臺及堤心斷面等3個過程，在實際施工過程中，由于該法需先進行端爆施工以清除堤身以下淤泥，再拋填形成堤身，最終進行多循環側爆施工形成護岸，爆破和回填的作業量大，工程推進相對緩慢[3]。

在分析常規爆破擠淤設計和施工方法的基礎上發現，堤身的穩定性主要與護岸前部地基承載力相關，根據對邊坡穩定性的影響因素分析可知，其坡前穩定性主要與邊坡前部一定深度以下土體的穩定性有關，影響其抗滑力的主要因素是滑弧面上土體的強度性質，即只要堤壩本身的滑動穩定性能滿足要求，堤壩后方的淤泥未必需要全部清理掉，在護岸后方的拋填層后仍然可以保留一定厚度的淤泥層[4]。在該思想的指導下，提出“全側向爆破擠淤快速筑堤技術”這一全新的筑堤設計和施工思路，主要工序為：拋填形成臨時護岸——全側向爆破擠淤排石拓寬堤身——爆擠堤腳落底。該技術可以極大減少爆破作業的次數，提高施工效率，取得良好的經濟效益。

2 適用范圍

2.1 設計工況

該工程西斜坡護岸形成過程中，包含以下3種關鍵工況：

1)直接回填45 m護岸堤心形成臨時護岸過程中，由于直接回填堤心無法控制堤心落底深度，需進行施工工況穩定性驗算，取設計低水位，施工均載5 kPa。

2)全側向爆破擠淤推進過程中，選取推進5、10 m兩種情況進行驗算，取設計低水位，施工均載5 kPa。

3)堤角落底后形成最終斷面，取最終堤壩堤腳落底后的最終斷面形式，荷載考慮短暫組合和持久組合進行設計計算。

2.2 整體穩定性分析

針對上述3種典型設計工況，利用《港口工程地基計算系統(2008版)》分別對西護岸4個典型斷面(西2+000、西3+250、西3+497、西4+500)進行全側向爆破擠淤方案整體穩定性分析，均布荷載20 kPa，施工荷載5 kPa，垂直地震系數0.319，水平地震系數0.210。材料參數見表1，典型斷面整體穩定系數計算結果見表2。

表1 材料參數

表2 典型斷面整體穩定系數計算結果

綜合4個典型斷面3種不同工況下的計算結果，驗證了影響全側向爆破擠淤方案整體穩定性的主要因素為滑弧面上土體的強度性質，如在直填堤心下保留一定厚度的淤泥層，整體穩定性計算結果可滿足現行設計規范要求。

2.3 全側向爆破擠淤快速筑堤技術適用范圍

經工程實踐結合上述理論分析，全側向爆破擠淤技術針對堤壩寬度30 m以上斷面尺度、堤壩下臥淤泥土層厚度5～18 m較為合適，淤泥質土一般要求孔隙比在1.0～1.5，土體含水率要求不小于土體液限指數。通過現場鉆孔檢測分析，處理10～15 m淤泥厚度效果最佳。

3 施工參數優化試驗

3.1 優化研究方向

全側向爆破擠淤與常規爆炸排淤填石筑堤施工的根本性區別在于不進行端爆施工，只進行側爆拓寬，排淤方向少，施工迅速，成堤速度快[5-6]。本次試驗段施工主要針對拋填推進參數、爆破藥量參數及插藥深度等方面進行試驗優化。根據現場地質情況，共選取4個典型代表段落進行試驗性施工，分別為西1+800—西1+900、西3+150—西3+200、西4+872—西4+972、西5+240—西5+340。采用鉆孔探摸法檢驗側爆后施工斷面是否達到設計要求。上部拋石層采用回轉鉆進工藝；進入塊石混淤泥層后，采用無水鉆進工藝。

3.2 施工試驗過程

3.2.1西5+240—西5+340試驗段

根據規范及相關數模分析結果確定首次側爆參數[7]，見表3。試驗段施工完成后，檢測結果顯示，各個鉆孔檢測結果均符合設計要求，且塊石混淤泥層厚度遠遠小于設計圖紙要求，根據西5+240—西5+290段鉆探結果及獲取的芯樣分析，總結得出爆炸擠淤的單孔藥量偏大、成本較高[8]。下一試驗段考慮以減小炸藥單耗值降低全側向爆炸擠淤的單孔藥量。堤身側爆斷面及藥包排布見圖4、5。

表3 各試驗段側爆爆炸參數

圖4 堤身首次側爆斷面(單位：m)

圖5 第1試驗段堤身側爆推進藥包排布(單位：m)

3.2.2西4+872—西4+972試驗段

在第1試驗段基礎上，進行西4+872—西4+972段試驗施工，藥包間距調整為2 m，單藥包質量調整為36 kg，埋深-11 m，參數見表3。第2段試驗段施工完成后，檢測結果顯示，各個鉆孔檢測結果均符合設計要求。

3.2.3西3+150—西3+200試驗段

由于第1、2試驗段總施工時間較長，進度較慢，決定在第3段試驗段施工中，適當放大布藥間距，現場單次推填步距最大取5 m，布藥間距取4 m。參數見表3。檢測結果顯示，3個鉆孔中，僅與臨時護岸相鄰孔位混合層厚度符合設計要求，其余2孔混合層厚度大于1 m，不符合設計要求。分析第3試驗段檢測結果，布藥間距4 m使藥量過于集中，加之布藥偏位，致使爆炸形成的空腔不連續、不均勻，導致爆炸未能實現試驗目標，決定對本次施工的永久護岸區域進行挖除返工。

3.2.4西1+800—西1+900試驗段

總結第3試驗段經驗，現場單次推填步距最大取5 m，布藥按3 m間距進行組織施工，參數見表3。檢測結果顯示，第4試驗段鉆孔檢測結果均符合設計要求。

3.3 小結

試驗段施工結果驗證了全側向爆炸擠淤筑堤方案是可行的，通過多次試驗參數比選，最終選取0.23 kg/m3單耗藥量、5 m/次推填步距、靠近堤身1～2 m進行鉆孔裝藥作業、藥包埋設高程距淤泥底1/3厚度位置作為大范圍施工參數。該施工工藝能夠確保達到設計及規范要求的堤身落底寬度、深度及外形輪廓線。

4 結論

1)全側向爆破擠淤技術適合堤壩寬度30 m以上斷面尺度，堤壩下臥淤泥土層厚度5～18 m較為合適，淤泥質土要求孔隙比在1.0～1.5，土體含水率要求不小于土體液限指數。通過現場鉆孔檢測分析，處理10～15 m淤泥厚度效果最佳。

2)突破了規范要求的爆破擠淤最低單耗限值0.30 kg/m3。根據施工試驗段鉆探結果及獲取的芯樣分析，以減小炸藥單耗值來降低全側向爆炸擠淤的單孔藥量，爆除單位體積淤泥所需的藥量可調整為0.23 kg/m3。

3)突破了規范要求的爆破擠淤藥包埋入深度限值0.55Hmw(計入覆蓋水深的折算淤泥厚度)。按照5 m/次推填步距，靠近堤身1～2 m進行鉆孔裝藥作業，藥包埋設高度可達到距淤泥底1/3厚度位置。

4)全側向爆破擠淤快速筑堤技術對加快圍堤、填海施工速度，降低工程投資，對施工參數的優化和突破亦可為后續相關工程提供借鑒。