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爆破挤淤处理软土地基施工工法
RJGF(闽)—37—
完成单位: 福建建工集团总公司
主要完成人: 林毅华 戴益华 林铁民
1 前言
1.0.1 爆破挤淤处理软土地基实质上是地基处理的置换法, 即经过爆炸作用将填料沉入淤泥并将淤泥挤出, 达到提高地基承载力的目的。
1.0.2 沈海高速公路福鼎～宁德段沿线多分布在沿海, 路线范围内存在较多的软土地基, 其中A10合同段丘里滨海软基为淤泥质粘土, 且临近杨家溪入海口, 受海潮影响大。采用换填、 CFG桩及竖向排水板等软基处理方案在总工期、 适用性、 经济性上都无法取得一个很好的平衡, 综合考虑多项因素采用爆破挤淤施工。为此, 福建建工集团总公司在承建的沈海高速公路福鼎～宁德段A10标的施工过程中, 根据实际情况采用爆破挤淤法, 此后经过多次工程施工实践, 总结形成本工法。
2 工法特点
爆破挤淤处理软土地基是经过置换一定深度的淤泥, 使地基达到设计承载力和满足地基在一定时间内的沉降要求的施工工艺。爆破挤淤总固结时间短、 见效快, 且在工程运行阶段较排水固结法处理的地基维护费用少、 沉降小, 安全可靠。
3 适用范围
爆破挤淤重在”挤”, 必须地处开阔地带, 保证在爆炸后抛填体的重力作用下淤泥能够被挤出待处理地基范围, 而且不会对环境造成污染和破坏。主要适用于港口工程的防波堤、 护岸、 码头等基础处理, 公路铁路房建等地处海滩、 河滩等开阔地带的地基处理。爆破挤淤法处理软土地基适宜深度为3m～25m。
工艺原理
在堆石体前沿淤泥中的适当位置埋置药包群, 爆后堆石体前沿向淤泥底部坍落, 形成一定范围和厚度的”石舌”, 所形成的边坡形状呈梯形。当继续填石时, 由于”石舌”上部的淤泥在爆炸瞬间产生的强大冲击力的作用下, 产生超孔隙水压力, 冲击作用使土的结构发生破坏, 扰乱了正常的排水通道, 土体的渗透性变差, 超孔隙水压力难以消散, 土体的强度降低, 承载能力在短时间内丧失, 因此抛石能够很容易地挤开这层淤泥并与下层”石舌”相连, 形成完整的抛填体。采用爆炸和抛填循环作业, 就可用石方置换掉抛填方向前方一定范围内一定数量的淤泥, 达到软基处理的目的。如图4.0.1所示。

图4.0.1 爆破挤淤布药与爆前、 爆后断面示意图

5 施工工艺流程及操作要点
5.1 施工工艺流程
施工工艺流程按下列规定进行:
施工准备——堆填石料——参数检测及调整——钻孔、 安放药包——爆破——爆后测量——下循环爆破抛石挤淤。
5.2 操作要点
5.2.1 施工准备
1 根据设计文件要求, 参考地质勘探资料, 配合现场测量数据, 编制施工组织设计, 进行技术、 安全交底。
2 确定淤泥深度、 宽度等有关数据。根据施工能力, 划分施工段, 计算堆石高度及宽度。石料单次堆填高度H＝1.3～1.8倍置换处淤泥深度, 堆填宽度应以一次施工能力确定。
3 药量、 药包埋藏和起爆水位参数计算
1) 线药量按下式计算
( 5.2.1-1)
( 5.2.1-2)
式中: ——线药量( kg/m) ,即单位布药长度上分布的药量;
——单耗( kg/ m3) , 即爆除单位体积淤泥所需药量, 一般为( 0.6～1.0) ㎏/ m3
——爆破挤淤填石一次推进水平距离( m) ;
——计入覆盖水深的折算淤泥厚度( m) ;
——置换淤泥厚度( m) ;
——淤泥重度( kN/ m3) ;
——水重度( kN/ m3) ;
——覆盖水深, 即泥面以上的水深。
2) 一次爆破挤淤填石药量计算
( 5.2.1-3)
式中: ——一次爆破挤淤填石药量( ㎏) ;
——爆破挤淤填石一次的布药线长度( m) 。

3) 单孔药量计算
( 5.2.1-4)
式中: ——单孔药量( ㎏) ;
M——一次布药孔数。

4) 药包埋藏和起爆水位
爆破挤淤的药包埋深按下式计算:

( 5.2.1-5)
式中: ——药包埋深( m) , 指药包中心在水面以下深度。
5.2.2 堆填石料
1 堆填石料范围: 一次处理淤泥宽度沿线; 高度: H＝1.3～1.8倍淤泥深度。
2 堆填作业采用机械作业。石方用自卸汽车运输, 装载机、 推土机配合挖掘机铲、 推、 堆。
3 石料应使用不易风化石料, 粒径应大于30cm。
5.2.3 参数检测及调整
1 测量堆填石料的标高及宽度, 计算堆填石料的高度及宽度。
2 按照5.2.1要求的数值进行调整。
5.2.4 钻孔、 安放药包
1 装药器加工: 采用壁厚3mm的钢管, 直径根据作业能力及药量大小确定。为保证装药器顺利装药, 防止淤泥进入套管, 用C20混凝土制成砣封堵钢套管下口。如图5.2.4-1所示, 将混凝土砣的吊环挂进脱钩装置的吊钩上。利用混凝土砣的自重使吊钩处于锁挂状态。此时, 钢套筒与混凝土砣外缘上平面留有间隙。放下振动锤, 当混凝土砣底部碰到淤泥面时, 钢套筒与混凝土砣之间的间隙在压力作用下消失, 同时, 混凝土砣在吊钩上的钩重量也消失, 脱钩装置使吊环与吊钩分离。

图5.2.4-1 装药器设计图
1——水泥混凝土砣; 2——钢套筒; 3——吊环; 4——吊钩; 5——销轴6——炸药包
2 药包准备: 采用防水乳化炸药, 按照爆破设计要求准备单孔药量。为了安全传爆, 要选用每米含炸药重量不小于11g的防水性能好的导爆索。为了安全准爆, 采用两发电雷管并联放置炸药中, 用防水橡胶袋包扎, 防水胶封口, 装入聚丙烯纺织袋包扎好, 相邻药包连接绳长度﹥5.5m, 电线稍长一些, 以免承受拉力时电线拉断, 电线接头扎防水胶。药包联接好后两端各留2倍于淤泥深的尼龙绳和电线。
3 平整场地: 抛填石高度、 范围符合设计要求后, 需在抛填体上铺垫碎石、 土等, 用机械配合人工平整场地, 以便布药机能正常作业。
4 布药机就位。
5 布设炮位: 根据爆破设计, 在抛填体坡脚处淤泥上测设炮位, 做好标志, 用Φ40mm的探管测布设深度内是否有障碍物, 以便调整孔位。
6 布药机布药: 采用吊车悬挂DZ22型振动打拔桩锤, 定位装药器于炮位上, 布药机利用自重和振动压力把钢管插入抛填石料前方淤泥内, 深度为, 把连接好导爆索的药包从钢套管投药孔中吊入, 并用测锤测量药包埋设深度, 计算标高保证药包安放深度符合设计要求。为防止提升装药器时带上药包及药包上浮不落底, 可先向管内注水, 至水从投药孔溢出为止。最后再利用打拔桩锤拔出钢管, 慢拔保护火工材料, 把药包及水泥混凝土砣留在淤泥中。如图5.2.4-2、 图 5.2.4-3所示。

图5.2.4-2 布药机工作示意图

图5.2.4-3 布药孔位置示意图
7 淤泥厚度较小时可采用挖掘机配合人工进行装药施工, 以节约成本, 同时可加快施工进度。
5.2.5 爆破
1 起爆器材采用8#工业铜质瞬发电雷管。采用微差爆破, 根据爆破震动安全要求把炮眼分为5～10个为一段分段微差爆破, 分段段差不小于200ms。如图 5.2.5-1所示。
2 起爆网络: 采用双路塑料导爆管和导爆索起爆系统, 以确保全部药包起爆。
3 起爆药包群, 爆炸作用和爆生气体瞬间巨大推动力使淤泥前移并形成爆坑, 同时, 抛填石料在自身重力及震动作用下迅速滑塌进入爆坑, 形成爆炸前移体。
4 当爆破挤淤处理软土地基工点位于临近潮( 水) 影响地段, 则爆炸挤淤施工中, 起爆水位宜选在最高潮位时。

图5.2.5-1 微差爆破网络示意图
5.2.6 爆后测量
爆后用全站仪进行测量爆炸挤淤填石一次推进水平距离, 分析爆破效果, 作为施工试验段, 总结经验, 调整爆破参数, 优化施工工艺, 以便进行下循环爆炸抛石挤淤。
5.2.7 下循环爆炸抛石挤淤
1 进行下循环爆炸抛石挤淤, 直至按设计完成全部挤淤宽度。
2 在多次的重复爆炸过程中, 爆破产生的巨大振动力也会使已抛填石方下沉并振动密实, 不断提高爆破挤淤质量。
3 在施工过程中应加强路基沉降及位移监测工作、 根据实际情况随时调整爆破参数来保证施工质量。
4 爆破挤淤处理软土地基工点位于临近潮( 水) 影响地段时, 在抛石挤淤爆破过程中, 需对周侧水石交界处进行爆破夯实, 使石方完成落底, 并爆夯密实坡脚平台; 挤淤爆破起爆时间宜选择在潮水覆盖淤泥后进行, 使爆后淤泥和海水充分混合, 提高淤泥的流动性, 同时使海水退潮时带走一部分淤泥。
5.3劳动力组织
劳动力组织见表5.3.1。
表5.3.1 劳动力组织情况表
项目经理
1
安全员
1
技术负责人
1
质检员
1
施工员
1
爆破员
1
测量人员
2
监炮员
1
材料员
1
普工
10
吊车操作手
1

机修人员
1
合计
22人

6 材料与设备
6.1 材料
6.1.1 不易风化石料, 石料粒径应大于30cm。
6.1.2 火工材料: 硝胺炸药, 导爆索, 电雷管等。
6.2 设备
挖掘机、 装载机、 推土机、 自卸汽车( 以上机械设备数量视一次堆石能力确定) 、 DZ22型振动打拔桩锤1台、 吊车1部、 全站仪、 钢管( 埋设炸药包用) 。
7 质量控制
7. 1 工程质量控制标准
7.1.1 爆破挤淤施工质量控制执行JTG F10《公路路基施工技术规范》, 质量控制检查项目如下表。

表7.1.1-1 爆破挤淤检查项目
项次
检查项目
规定值允许偏差
检查方法
1
抛填桩桩号( m)
＜1.0
尺量, 每100m测2点
2
堆填高度( m)
＜0.3
水准仪
3
相邻两炮抛填进尺与设计进尺之差( m)
＜0.5
尺量, 每次爆破, 每100m测4点
4
地基断面宽度( m)
不小于设计值
尺量, 每100m测2点
5
药包
单药包药量q2( ㎏)
±0.05 q2
查施工记录
药包平面位置( m)
＜0.3
药包埋深( m)
0～－0.3
6
置换量
填石底面标高( m)
0～－0.5
钻孔配合物探方法
填石底面范围( m)
不小于设计值
钻孔配合物探方法
置换数量( m3)
±10％

填石置换层底面和下卧地基层设计顶面之间的混合层平均厚度( m)
＜1
钻孔配合物探方法

7.1.2 爆破挤淤竣工验收检测按内容进行:
1 断面测量;
2 抛石量与体积平衡测算表;
3 长期位移、 沉降观测。
7. 2 质量保证措施
7.2.1 爆破挤淤是一种多循环的施工工艺, 在抛石挤淤爆破施工过程中应进行每循环的施工质量检测, 并根据检测结果及时修正爆破及堆石参数, 确保施工质量。判断堤身落底与否, 当前主要采用以下三种方法:
1 用体积平衡法检验: 根据每炮抛填石料的质量和方量做好记录, 逐段分析堤心石置换淤泥的范围及深度。根据设计延米抛方量和实际延米抛方量进行比较, 这种估计判断方式能够比较及时地跟踪分析堤心石落底情况。
2 钻孔检测法: 利用钻孔检测能够直观地分析堤心石的落底深度。因钻孔检测耗用的时间较长, 在施工阶段应以不妨碍正常施工为原则。
3 探地雷达法: 利用探地雷达, 能够对横断面和纵断面进行检测堤心石落底情况。
如未落底可加强侧爆, 利用爆破振动和爆夯促使石方落底。
7.2.2 爆破时, 应根据现场布药机钻孔深度正确确定用药量, 保证爆炸挤淤深度及淤泥爆破影响范围。施工时抛填石方参数应满足设计要求, 布药必须到位。堤身抛高增加, 药包埋深适当对堤身落底均为有利。
7.2.3 施工期进行爆前爆后断面测量, 断面间距20m; 爆炸处理软基竣工后进行竣工断面测量, 断面间距10m, 路基顶面平坦处测点间距5m, 加载处及破面处测点间距2m, 根据实抛方量及断面测量资料推算置换范围及深度。
7.2.4 工后沉降位移观测
1 及时设立沉降观测点, 掌握堤身沉降规律, 为工后沉降计算提供依据。
2 爆炸处理软基竣工后, 路基填土压实前按设计要求布设沉降板, 路基填土期间, 每周测量一次沉降, 不加载时每2周测量一次沉降。
3 路基加载速度应控制水平位移量每昼夜不超过0.5cm, 沉降量不大于1.5cm, 超过时即应暂停填筑, 待沉降及位移量小于规定值后再继续施工。
8 安全措施
8.0.1 火工材料的购买、 运输、 保管及使用等按照国家有关规定执行。
8.0.2 爆破人员必须持证上岗。施工前对有关人员进行安全教育及安全技术交底。
8.0.3 爆破作业安全规范参见GB6722《爆破安全规程》。
8.0.4 爆破施工前, 应根据施工条件和施工方法做好下列工作。
1 爆破指挥机构的设立和爆破作业人员的分工;
2 装药机械性能检查;
3 爆破危险区内警戒标志, 岗哨的设置;
4 爆破危险区内需保护构筑物的调查。
8.0.5 夜间大雾和雷雨天气禁止爆破。
8.0.6 海上风力超过6级时, 禁止爆破作业。
8.0.7 爆破作业中如发现爆破网络或药包扯拉缠绕应及时处理。
8.0.8 设置于水下的药包及爆破网络不得拖拽, 发现药包漂浮, 网路损坏等异常现象, 经排除后方可起爆。
8.0.9 起爆前应使全体员工和附近居民, 事先知道警戒范围, 警戒标志和声响信号得意义, 发出信号的方法和时间。信号方法如下:
1 第一次信号――预告信号。所有与爆破无关人员应立即撤至安全区外。
2 第二次信号――起爆信号。确认人员、 设备全部撤离危险区, 具备安全起爆条件时, 方准发出起爆信号, 进行爆破。
3 第三次信号――解除警戒信号。爆破员进入爆区检查确认安全后, 方可发出解除警戒线信号。
8.0.10 爆破后, 爆破员必须按规定认真检查爆区有无盲炮, 发现盲炮或怀疑有盲炮时, 应立即报告并及时处理, 不能及时处理的盲炮, 应在附近设立明显标志, 并采取相应的安全措施。
8.0.11 处理盲炮时, 应做好安全和警戒工作, 无关人员不得进去现场。
8.0.12 排除盲炮可采用重新起爆和诱爆法处理。
8.0.13 其它安全防护措施按国家有关现行标准执行。
9 环保措施
9.0.1 成立对应的施工环境卫生管理机构, 在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的噶率、 法规和规章, 加强对施工燃油、 工程材料、 设备、 废水、 生产生活垃圾、 弃渣的控制和治理, 遵守有关防火及废弃物处理的规章制度, 做好交通环境疏导, 充分满足便民要求, 认证接受交通管理, 随时接受相关单位的监督检查。
9.0.2 将施工现场和作业限制在工程建设允许的范围内, 合理布置、 规范围挡, 做到标牌清楚、 齐全, 各种标识醒目, 施工场地整洁文明。
9.0.3 将相关方案和要求向全体施工人员进行详细交底。
9.0.4 噪声控制
1 严格执行《建筑施工场界噪声限值》( GB12523) , 控制和降低施工机械和运输车辆造成的噪声污染。
2 合理安排作业时间, 尽可能将作业安排在白天施工, 避免夜间施工, 使施工噪声对周围环境影响减少到最低程度。
9.0.5 污染控制
在施工过程中, 防止把废渣、 废土倒入田地或公路边。
10 效益分析
10.0.1 该工艺成本较低, 工期短, 与常见的开挖清淤相比, 堤身抛石工程量可减少10％～15％; 断面设计宽度可为常规软基处理方法的4/5左右; 可节省投资额15％～20％。
10.0.2 该工艺与其它软基处理方法比较, 由于传统方法受稳定和沉降控制, 需要相当长的工期( 施工工期和预压期) , 而该工艺抛填速度越快越有利, 预压时间很短或不需预压, 从而大大缩短了工期。
10.0.3 无需进行大量淤泥的外运、 弃置, 避免或减少了工程施工中对环境的污染。
10.0.4 本工艺在施工运用中主意动态控制, 即用施工过程掌握的有关数据, 不断细化爆破设计, 取得经济实效的爆破参数, 动态分析爆破挤淤效果, 使爆破挤淤施工始终处于受控状态, 以有效地保证爆破挤淤施工效果和质量。
11 应用实例
11.0.1 沈海高速公路福鼎～宁德段沿线多分布在沿海, 路线范围内存在较多的软土地基, 其中A10合同段丘里滨海软基施工采用了爆破挤淤施工工艺。该段路堤爆破( 抛石) 挤淤软基地段位于GK61+560～GK69+090路段, 爆破抛石挤淤位于GK61+570～GK69+090, 其中断链GK61+641.925～GK69+006.953( 断链短7365.028m) , 则爆破( 抛石) 挤淤软基全长164.972m, 其中爆破抛石挤淤软基段长154.972m, 处理淤泥深度为5m～20.5m。丘里软基爆炸挤淤泥总方量约42728立方米, 抛石量约为挤淤泥方量的两倍即85456立方米。施工时间为 10月～ 5月, 处理后满足设计及规范要求。项目竣工至今未发生坍塌、 滑移及沉降超过设计允许范围现象。
11.0.2 广东省惠州市深港西部通道口岸区永久海堤总长2684m, 采用了爆破挤淤法填筑海堤工艺。该海堤处淤泥厚度为7.0m～18.5m, 施工中按钻机资料揭示的淤泥厚度的变化和原始淤泥面的高程, 计算了各段爆炸处理的参数, 进行了堤头爆破、 测向爆破和补填整形等几道主要施工工序。施工时间为 11月～ 6月, 处理后满足设计及规范要求。项目竣工至今未发生坍塌、 滑移及沉降超过设计允许范围现象。
11.0.3 江西赣州至定南高速公路K104+250～K104+525段路基属于低山丘陵间洼地, 呈条带状狭长分布, 宽约20m～50m。淤泥层呈厚层状连续分布于路基, 层厚6.8m～8.5m; 下卧层为碎石土层, 呈松散状, 层位不稳定, 强度低, 层厚1.3～2.1m。对以上两层软土层都需要进行处理, 处理范围约10000平方米, 处理平均深度约10m。鉴于周围没有对震动有限制的建筑物, 采用全断面纵向推进的堤端爆填方案, 爆破挤淤先以6m～8m一个循环向路基另一端进行堤头填爆, 爆至距另一端约50m时, 改为向内侧填筑, 向外侧进行堤侧爆破。堤头、 堤侧爆破完成后, 对路基两侧坡脚石方进行爆夯落底处理。施工时间为 9月～ 12月, 处理后满足设计及规范要求。项目竣工至今未发生坍塌、 滑移及沉降超过设计允许范围现象。