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爆破擠淤施工技術發展概述

2015-07-14 19:05:48.0 責任編輯:崔瑋娜

 

劉永強   楊仕春

(北京中科力爆炸技術工程有限公司,北京,100035)

摘要:本文回顧了爆破擠淤的發展歷史,介紹了爆破擠淤機理的新認識和重要突破,總結了爆破擠淤新工藝和技術改進方面的進展,指出爆破擠淤良好的發展前景,并重點分析了爆破擠淤作業對環境的不良影響和制約爆破擠淤發展的關鍵因素,進而提出后續技術研究方向。

關鍵詞:爆破擠淤;爆破機理;復合軟基;直立堤;水生生物

1爆破擠淤軟基處理技術概要

11軟基處理分類及特點

在土建、交通、水利工程中,當天然的地基強度和變形不能滿足工程要求時,需要對地基進行處理。軟土地基的處理質量是保證建筑物安全、高效運營的關鍵,也直接影響到地基的基礎承載力。地基處理方法眾多,對每一個具體的工程往往都有其特殊性,通常的處理方法有兩大類。

(1)軟基加固法。主要包括:插紙板、堆載預壓、真空預壓、砂樁()、碎石樁、旋噴樁等方法。

(2)淤泥置換法。包括用開山石料或砂換填軟基和爆破排淤填石法(或稱爆破擠淤法)

12爆破擠淤法的發展歷史

20世紀80年代中期,由于連云港口人堤建設的需要,由中國科學院力學研究所、連云港建港指揮部、中交三航設計院、連云港錦屏磷礦四家單位組成聯合科研組開展了爆破排淤填石法的技術研究工作,并在連云港海軍堤和連云港西大堤工程中得到應用(見圖1),研究成果曾獲國家專利金獎和國家科技進步二等獎。從20世紀90年代開始,該項技術在南起三亞北至大連沿海海洋工程中得到普遍應用。淤泥處理深度由最初的10m左右,到目前普遍20多米,更深達到38m(福建可門電廠工程),個別工程局部達到42m(浙江頭門港南圍堤工程)

隨著淤泥處理深度的加大,工程應用的擴大,促使對爆破擠淤的認識經歷了三個主要階段:理論探索期(20世紀80年代)、實踐反作用期(20世紀90年代)和確立新認識期(2000年以來)

13爆破擠淤發展前景

爆炸法擠淤的原理不同于其他軟基處理方法,它不是通過提高和改善淤泥層的自身承載力,諸如排水固結或是加入某些特殊材料和加固等,而是在通過爆炸作用改變淤泥結構性強度的同時利用堆石體本身的自重作用擠淤,達到泥、石置換目的。這種方法實質上是拋石擠淤和壓載擠淤的進一步發展。拋石擠淤僅限于淤泥層厚度小于3m的情況,即使是加載的情況下也只能達到46m的擠淤深度,而利用爆炸法則可以達到更深的擠淤深度,這無疑使其能應用于深厚淤泥層上的防波堤建設,具有很高的技術經濟推廣價值。

應用爆破擠淤新技術處理水下軟基具有以下優點:使業主方填海設備更安全可靠、縮短沉降期、地基后期沉降小及造價低等:近兒在國內得到迅速地推廣和應用,并且在環保、質量、安全等方面具有明顯的優勢。

根據國家沿海經濟發展規劃,需要在沿海海域擴展將海岸線衍生,大量的沿海水工工程的建設面臨越來越復雜的地質狀況,要求我們不斷地解決深厚淤泥(2040m)、特殊地質條件和復雜周邊環境軟基處理難題。

隨著爆破擠淤新技術的不斷發展,各種地質條件下的處理技術不斷成熟,對石料的要求可以根據不同工程的要求適當放寬,應用范圍也不斷擴大,擴展到水利、火電廠、核電廠、造船廠、鐵路、公路、礦山等既可用于沿海海域也可以在江河內湖中應用。

2爆破擠淤機理分析

21爆破擠淤技術可行性分析

爆破擠淤技術是否可行,主要從充足的石料、足夠的能量、淤泥的出路三方面進行分析。

(1)充足的石料。主要有兩層含義:一是石料的來源得到保障;二是置換過程中要有足夠的石料。置換過程中要有足夠的石料,這一點屬于技術層面,需要有合理的拋填參數。

(2)足夠的能量。用石料置換淤泥的過程實際上也是能量做功的過程,置換越深需要做的功越大,需要的能量越大。能量除炸藥爆炸做功的能量外,還包括勢能-拋填高程,原則上拋得越高,勢能越大,利用自重擠淤的深度越深。

(3)充分的淤泥出路。為實現泥石置換,需要有淤泥排出的通道,還要有淤泥排出后的堆積空問,統稱為淤泥的出路。在特殊地質條件及周圍的環境下,淤泥的出路不良時,需創造充分的淤泥出路。

22技術發展初期形成的爆破擠淤機理

初期機理建立在“幾何相似理論”基礎上,提出了“泥下石舌”和“瞬間置換”的概念,爆破置換淤泥深度與炸藥在泥下爆炸形成的爆坑大小相關,爆坑的大小決定了能夠置換的深度。

基于專利“水下淤泥質軟基的爆炸處理法”,采用陸上拋填和在水下淤泥質軟基中埋置炸藥控制爆破的方法,使排淤和填石同步進行,被稱作爆炸排淤填石法[1]

23機理新認識

應用“強度相似理論”,把土力學中承載力和有效應力等概念引入到爆炸力學中,將爆炸產生的沖擊和振動載荷與淤泥強度的喪失相聯系,利用炸藥的強烈載荷擾動和上部拋石體重力的共同作用,使淤泥在瞬間喪失強度和承載能力,失穩并產生滑動,使拋石體下沉、落底。

新認識強調覆蓋水對軟化淤泥影響、拋填參數的合理設計、圓弧滑動計算的作用。

基于認識而獲得新專利“水下淤泥質軟地基爆炸定向滑移處理法”,與以往認識的不同之處在于,限定位置的淤泥內埋置群藥包,群藥包爆炸產生的強擾動使深層淤泥的強度大大降低,形成拋石體定向滑移,實現泥、石置換,達到軟地基處理的要求[2]

24重視防波堤、護岸堤身的失穩分析

爆破擠淤施工拋填參數設計至關重要,設計時,在堤身整體穩定驗算滿足要求的條件下,堤身坡腳結構應主要從構造上充分考慮,以防止局部失穩。確保堤身落底達到設計標高和堤側水下平臺完整形成是防止堤身發生失穩破壞的關鍵,合理的施工方法是保證堤身整體和局部穩定的重要條件。

王健等[3]結合工程實例,對爆炸擠淤防波堤、護岸堤身的失穩形式進行分析,討論堤身失穩的兩種主要形式,即整體失穩和局部失穩,并從設計和施工兩個方面提出保證堤身穩定應注意的要點。

在施工中設計拋填參數時,要充分考慮堤身的失穩因素,重點注意堤身穩定的要點,保證堤身斷面輪廓的準確性,尤其是落底寬度、最大腰寬、水上水下平臺高程與寬度以及堤身內外坡角的位置。

3爆破擠淤新工藝應用與技術發展

隨著爆破擠淤技術的發展,應用范圍逐漸擴大,從常見的斜坡式圍堤、護岸、防波堤發展到直立式海堤,由線式海堤發展到面式軟基區大面積回填,由單一淤泥地質發展到含砂層、含卵石層復雜地質情況,由新建海堤發展到不穩定的陳舊老堤改造,由單一的陸上拋填石料發展到可結合水上拋填。工藝改進上由爆破推進進尺46m發展到最大可達810m,大大提高施工進度,使爆破擠淤工藝應用更加廣泛。裝藥機具的改進主要有挖機直插式裝藥、吊機振沖式裝藥及船式裝藥。

31  水拋石爆破擠淤筑堤技術與工程應用

針對島式防波堤、碼頭等離岸構筑物,提供一種水拋石水下淤泥質軟地基爆炸處理方法。該方法根據水拋石施工的特性進行分層拋填,根據水拋石的厚度控制最佳布藥位置。利用爆炸作用機理,橫向與側向同時布設藥包,對淤泥質軟基原位擾動,使水拋石原位均勻沉降,通過“拋填一爆破一拋填”循環施工多次后實現泥石背換,直至達到軟地基處理的要求。

離岸構筑物(如島式防波堤、離岸碼頭等)的深厚軟基爆炸擠淤處理,采取多層拋填、堤身橫向與側向爆破聯合起爆的方式,從而達到雙向推進的目的。

32控制海堤落底底層為軟弱淤泥層的爆破擠淤技術

在遇到超深厚淤泥時,應用爆破擠淤置換處理軟基時,考慮到足夠的置換石料造價很高或超深厚淤泥爆破擠淤難度大時,在設計沉降計算、穩定性驗算的基礎上置換部分淤泥,運用控制海堤落底底層為軟弱淤泥層的爆破擠淤技術。此項技術的推廣應用更豐富了爆破擠淤的應用前景,為超深厚軟基處理提供了新的解決思路。

以華潤電力蒼南電廠防波堤爆破擠淤工程為例,原泥面地質可勘查淤泥厚度超過50m,具體深度不詳,設計只置換其中28m,控制海堤落底底層為軟弱淤泥層,是一項典型的控制海堤落底底層為軟弱淤泥層的新技術。拋填參數、爆破參數設計要求更加精細化,施工中應加強沉降觀察,根據沉降情況和石料體積平衡計算情況,對防波堤拋填堤頂高程進行控制并作動態調整,如未達要求應及時補拋填石料,做好質量過程控制。處理后的堤身寬度與落底深度均能滿足設計要求,未被爆破置換的淤泥沒有被擾動破壞,工程于2011年竣工,竣工驗收一次通過,防波堤經受了2013年超強臺風考驗。

33  復合軟基條件下爆破擠淤技術

隨著海岸線衍生發展,建設工程地質情況越來越復雜,由處理單一淤泥,轉變為處理各種復雜復合軟基,如:淤泥含砂、含黏土層、含貝殼層、含卵石層等。

此類復雜地質條件下的爆破擠淤軟基處理,需要重點解決兩個難題,一是如何進行穿透硬夾層的裝藥,二是如何解決淤泥出路將夾層形成流動,排出設計堤身斷面,實現泥石置換。

在遇到此類工程難題時,首先解決裝藥器的問題,目前可用的有以下幾種:(1)錘擊式;(2)挖掘機液壓震沖式;(3)吊機電震沖式。

解決另一個工程難點是含硬夾層的流動性問題,需要足夠的爆炸能量和充分的排出通道,一方面將夾層液化,一方面隨淤泥流動排出。處理方法有:(1)側向擠淤法;(2)雙排藥包法;(3)雙層藥包法;(4)預處理法。

通常的爆破擠淤筑堤為斜坡式海堤,這與直立堤、碼頭式海堤的修建工藝有較大的差別,爆填處理中,將堤頭與堤的兩側同時爆破,使堤頭與兩側同時落底。爆填處理后,進行基床爆夯和整平,并安放混凝土塊。

35大進尺爆破擠淤技術

《水運工程爆破技術規范》給出的爆破擠淤筑堤每次推進的水平距離為46m。目前技術實施的進尺為68m,個刖工程達到10m。其中,在長興島西防波堤的爆破擠淤筑堤施工過程中,根據環境、水深、泥厚、堤高以及工程進度要求條件,通過力學計算和可行性及風險分析,達到了最大單次進尺18m,采用體積平衡驗算和鉆孔探測得到的擠淤效果檢測表明,大進尺推進部位未發現有淤泥火層,落底情況較好,達到了設計要求。“。

36側向爆破擠淤技術

側向爆破擠淤技術是先以子堤方式直接拋填,再以側向爆填方式向兩側擴展,最終形成堤身全段面。適用于淤泥出路不暢的情況,尤其遇到海堤合攏段施工時常采用此項技術,特殊環境下可以借鑒使用。

成功的工程實例有:浙江省頭門港南圍堤工程,U形槽地質,淤泥深度40m,可以使堤下淤泥排出,應用效果良好;浙江三門二電廠老堤改造工程,開挖側向槽后側爆推進,側向槽是創造的淤泥出路,側爆后淤泥順利從側向槽中排出,應用效果良好;寧德電廠廠區大面積爆破擠淤,因行不成堤頭式推進的工作面,利用側向爆破逐步推進,應用效果良好。

4爆破安全及不良影響控制

爆破擠淤施工的危害廳式主要表現為:水中沖擊波、爆破振動作用和淤泥及碎石的拋擲。

可能危及的對象包括:周邊水域來往船只、水下工作人員、陸上施工人員、周圍建()筑物和水下生物。

41水下爆破振動安全核算

評價各種爆破對不同類型建()造物和其他保護對象的振動影響,應采用不同的安全判據和允許標準。

振動速度可按式(1)計算:

v=K(R/Q1/3)-a    (1)

式中v----介質質點振動速度,cms

Q----同段起爆的最大藥量,kg

R----爆心距,即測點至爆破源的距離,m

Ka----與爆破振動安全距離有關的系數、指數,它們與爆區的地質、地形條件和爆破方式有關。拋填石料地基,通常取K=450a=165

在爆破擠淤振動測試中得出振動頻率約為10Hz,與一般房屋的固有頻率更為接近,對房屋的危害較土石方臺階爆破時要大。爆破擠淤測振數據分析時,需要關注振動頻率的大小,在振動控制中需通過調整埋深和覆蓋水深改變振動頻率。

42  水下爆破作業對水生生物資源的影響

近年來,隨著沿海養殖業的大規模發展,個別地區對養殖區域沒有統一規劃,與建設工程選址發生沖突,在養殖區周邊進行爆破擠淤施工和養殖業中間的矛盾日益突出,在遼寧大連、福建省、廣東等地都有出現因考慮到對養殖區的保護被迫取消爆破擠淤施工工藝,變更設計,改為其他非爆破辦法的軟基處理。爆破作業對水下生物的影響問題,建設方與設計方在項目立項和施工準備期中應予特別重視。

421  爆炸導致魚類受傷或死亡的機理

爆炸導致魚類死亡是由爆炸中魚鰾破裂所引起的(對于有鰾魚類來說)。除了魚鰾以外,其他內部器官也容易受到損傷。隨著到爆炸點距離的增大,魚類受到爆炸的影響會越來越小。而對于無鰾魚類來說,同樣條件下存活的機會要大得多。對于同種魚類來說,體重越輕的魚受到爆炸的影響會越大[6]

為了保護產卵區域魚卵和仔幼魚不受到爆炸的傷害,在加拿大漁業水域爆炸物使用指南中,還規定了在爆炸施工中,不同數量的爆炸物應該離開魚類產卵地的最小距離。50kg炸藥量的爆炸對魚類安全距離為143m100kg炸藥量的爆炸安全距離為200m。在魚類產卵區域及其附近進行爆破施工時,保持規定的安全距離對于減少或避免爆炸對魚卵和仔幼魚的影響很有必要。

水下沖擊波對魚類傷害可以按沖擊波超壓和安全能量密度進行安全核算。

422  水下沖擊波超壓安全核算

由庫爾公式計算沖擊波超壓見式(2)

 

式中Pm----沖擊波超壓;

Q----等效TNT當量的炸藥(使用乳化炸藥計算時需要等效為TNT當量的炸藥)

R----到爆源的距離。

計算后的沖擊波衰減曲線如圖2所示。

梁向前等[7]對爆破擠淤水中沖擊波特性進行了研究,并在實際工程中進行了水中沖擊波的監測。運用數理統計方法進行綜合回歸分析后,可以得到使用乳化炸藥爆破擠淤時,水中沖擊波的傳播衰減經驗公式為:Pm=195(Q1/3R)1.31

趙根[8]等通過對試驗實測成果和有關文獻資料的分析,認為魚類承受水中沖擊波的能力不僅與魚類的品種有關,還與魚類的生活環境有關。對于石首魚科魚類的水中沖擊波超壓安全控制標準應小于O05MPa;對于處于自由狀態的非石首魚科魚類,和處于約束狀態如網箱內的非石首魚科魚類分別為030MPa020MPa

423  由魚類安全能量密度的公式估算魚類的爆破安全距離

美國學者庫爾在深水區進行了一系列實驗,歸納水中沖擊波波陣面的能量密度見式(3)

 

經過此公式變形為

式中  R----安全距離,m

  Q----齊發的總藥量,延時爆破是單響的最大藥量,kg

  k----炸藥系數;

  Ef----水中沖擊波對魚類的安全能量密度,J/m2.

通過作圖得出能量桁瞍隨距離變化的關系如圖3所示。

計算結果:當藥量為360kg的時候,石首科魚類的安全距離為439m

以上用于估算魚類在爆炸中的安全距離的公式是用于在水中發生爆炸的情況。爆破擠淤作業時,往往是將炸藥埋入淤泥中,這時發生爆炸對魚類的影響往往小于在水中爆炸的情形。

43減小爆破對水生物影響的措施

  減小爆破對水生物影響的措施如下:

(1)有關爆破操作的優化設計以及建立在爆破設計基礎上的減輕影響的措施。也就是說,通過采取適當措施,減少爆炸產生的壓強、沖量和能量向水域中的傳播。

(2)對爆炸的潛在影響進行評估,并從生物學方面考慮應采取的措施,包括施工時盡量避開魚類的主要洞游、廣:印季節,避開產卵區域或魚類幼魚生長區域。

(3)對爆炸的潛在影響進行評估,然后從物理學角度采取措施來減輕這種影響。從爆炸設計的角度采取必要的拼拖,減少漁業水域環境中爆炸沖擊波的強度,以減輕爆炸可能對漁業資源的影響;另一方面,對爆破施工進行時間限制,盡量避免在敏感區域進行爆破作業。還可以利用爆炸以外的其他驅趕方法將魚類趕出爆炸實施區域。還有一種物理方法就是在爆炸點周圍制造氣泡幕,可以大大減少從爆炸點傳出的壓力,從而有效地避免爆炸對周圍魚類和環境的影響。

為了研究氣泡幕用于減輕爆炸對周圍魚類影響的效果,Keevin等人專門做了試驗。試驗是用2kg高爆炸藥(T-100)125m的水深對藍鰓太陽魚(L macrochirus)進行的(每組藍鰓太陽魚為50尾,離炸藥的距離分別為65m90m115m140m)。試驗結果表明,氣泡幕可以將爆炸中能夠導致魚類受傷或死亡的3個重要指標峰值壓強、沖量和能通量密度分別減少994%~875%、898%~807%和998%~897%,而藍鰓太陽魚的死亡率從不用氣泡幕的100%減少到使用氣泡幕時的零。由于使用氣泡幕的成本很高,在有些情況下操作起來會有一定的困難,因此只在爆破施工對周圍魚類或環境帶來很大危害的情況下才會被采用[9]

5結語

爆破擠淤施工技術經過近30年的理論研究、實踐應用以及現場施工技術改進,取得了長足的進步,隨著大量建設工程的應用,條件的不斷變化,會出現更多需要解決的課題,后續研究與應用的方向有:

(1)爆破擠淤對周圍環境的影響將是爆破擠淤發展前景上最不利的因素,施工中需要加強爆破安全控制,對爆破安全加大研究力度,研究適宜于爆破擠淤精細的延時爆破技術、對建()筑物起到有效防護的措施、減小對魚類傷害盼可靠措施等。

(2)對復雜地質環境下爆破擠淤工程的可行性需要在項目初設階段作論證,分析技術的可行性,必要時做現場試驗研究,為建設方、設計方提供可靠的論證依據。

(3)將數碼雷管應用于爆破擠淤施工,通過理論研究與試驗研究,采取延時干擾和疊加的辦法實現對淤泥軟化的改進措施,以減小炸約使用量,實現成本控制與環境保護的雙重效果。   

(4)發展物探實時監測技術,對泥石置換深度作實時監測,可更好地控制堤身落底深度和斷面輪廓,更精細地控制石料消耗,保證工程質量與成本控制的雙重效果。

參考文獻

[1]張建華,等.水下淤泥質軟基的爆炸處理法:中舊,871068117[P]1989

[2]張建華.水下淤泥質軟地基爆炸定向滑移處理法:中國,991223586[P]1999

[3]王健,等.爆炸擠淤防波堤、護岸堤身的失穩形式分析[J].水運工程,201206

[4]王田,等.大進尺爆破擠淤筑堤施工方法的探討[J].爆破,201103

[5]顧毅成,等.工程爆破安全[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2009

[6]李文濤,張秀梅.水下爆破施工對魚類影響的估算及預防措施[J].科學視野,200327(11)

[7]梁向前,謝定松,等,爆破擠淤水中沖擊波對環境影響的安全評估與監測[J].中國水利水電科學研究院學報,201117(4)

[8]趙根,吳從清,等,爆破水中沖擊波對魚類損傷研究[J].工程爆破,201l17(4)

[9]Keevin T MHempen G L A tiered approach to mitigating the environmental effects of underwater blasting[J]Joumal of Explosives Engineering1995132025

摘自《中國爆破新進展》



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