圣多美和普林西比首都國際機場改擴建巖土工程特性與治理方法

夏玉云, 柳 旻, 邵兵廠, 王 冉, 黃乾峰, 劉云昌

(1. 機械工業勘察設計研究院有限公司,陜西西安710043;2. 陜西省特殊巖土性質與處理重點實驗室,陜西西安710043)

0 引 言

隨著我國對外工程承包業務的蓬勃發展,常會遇到國內未見或少見的特殊巖土地質條件,地質風險顯著增加。針對國外巖土工程特性的研究主要集中在大陸區域內,涉及的地層層序較為穩定(冷紅蕾等,2007;戴根寶等,2011),但對大洋中的海島區域,涉及表層多旋回成巖及風化等復雜場地的研究較少。圣多美和普林西比首都國際機場改擴建場地的巖土復雜多樣,軟土、有機土、多旋回火成巖廣泛分布在陸域及海域場地中,若處理不當,將在工程建設過程中引發嚴重的工程地質問題,故以機場為研究區,對其工程特性、工程治理方法進行分析研究,為同類海外巖土工程建設提供參考。

1 工程概況

根據圣多美和普林西比首都國際機場改擴建項目要求,陸域工程勘察工作的主要范圍為跑道西側延伸方案(比較方案)區域、凈空處理區及航站區(包括擴建停機坪、新建動力中心、新建消防站);海域工程勘察范圍為跑道東側海域延伸方案區域(護岸和填海區)。

根據我國《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)(以下簡稱《巖規》)和《民用機場勘測規范》(MH/T 5025—2011)有關規定,擬建建(構)筑物工程重要性等級可按一級(飛行區指標II為C、D、E)考慮,場地復雜程度等級為一級場地(復雜場地),地基復雜程度等級為一級(復雜),巖土工程勘察等級為甲級。

2 巖土工程勘察

2.1 勘察要求及勘察工作量

按照陸域工程勘察要求,查明場地內地層結構以及巖土層的類型、深度、分布、工程特性;查明地下水的類型、埋藏條件及水位變化特征;查明場地的不良地質作用;進行建筑抗震地段和建筑場地類別劃分,對場地和地基的地震效應進行分析;對基礎類型、地基處理方案等進行分析評價并提出建議。

海域工程勘察的目的是查明研究區內特殊巖土的物理力學性質,特別是軟土(包括淤泥、淤泥質土、淤泥混砂等)的物理力學性質,評價其沉降狀況,分析對工程的影響,并判斷其在地震作用下震陷的可能性。特別要查明軟土及下臥層的成層條件,軟土中含砂夾層在水平和垂向的分布特征,并提供軟土的先期固結壓力、壓縮系數、固結系數、滲透系數和抗剪強度等指標。

陸域布置鉆孔92個,孔深4.2～40.0 m,總進尺2 196.3 m;采用跑道東側海域延伸580 m方案,海域布置鉆孔36個,總進尺1 240.6 m(表1)。

表1 勘察工作參數布置

2.2 研究區工程地質條件

2.2.1 地形地貌 研究區位于圣多美和普林西比民主共和國(圣普)首都圣多美。圣多美島地處大西洋幾內亞灣,四面環海,概略地理坐標為北緯0°21′,東經6°44′。圣多美島屬火山島,地勢崎嶇,多山峰,除沿海平原外,島上大部為玄武巖山地,最高峰圣多美峰海拔2 024 m。擬改擴建的圣多美機場位于圣多美島東北部,周邊環境及市政配套設施良好,交通便利(圖1)。

圖1 擬建項目場地位置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the site location of the proposed project

自西往東,研究區地貌呈臺地(Ⅰ區)—河谷(Ⅱ區)—濱海平原(Ⅲ區)—海岸及水下岸坡(Ⅳ區)—水下岸坡(Ⅴ區)的分布規律。機場跑道西側比較方案的場地和凈空區主要由火山巖臺地及河谷組成,臺地頂部地形較平坦,荒草叢生,農田較少;河谷地帶位于臺地與機場之間,地勢低洼,地形較平坦,現為農田,植被茂密,中間發育小河;機場航站樓、消防區域等為海岸平原,地形平坦,勘探點孔口高程為8.16～9.37 m。擬擴建的延伸跑道區域位于濱海地帶,由海岸和水下岸坡組成,地形較平坦,勘探點孔口泥面高程為-6.45～0.87 m,勘測期間水深<8 m。

2.2.2 區域地質及地震概況 圣多美和普林西比與其他一些小島共同組成圣普列島,位于幾內亞灣,在地質上屬喀麥隆火山線。圣多美為一層狀火山島,高約5 000 m,從深海平原上升到海拔2 024 m,主要由多旋回的溢流玄武巖(m0、m1)和火山碎屑巖(pi0、pi1)等組成。局部表層覆蓋有沖積層(a)、海灘砂(ap)、海灘礫石(cp)等第四紀松散堆積物。擬建場地區域構造和地質圖分別見圖2、圖3。

圖2 研究區區域構造圖1-全新—更新世紅土;2-新近紀響巖;3-新近紀玄武巖;4-中新世粗面巖;5-白堊紀石英砂巖Fig. 2 Regional structural plan of the study area

圖3 研究區區域地質示意圖1-沖積層;2-溢出玄武巖;3-提升海灘;4-噴發玄武巖;5-海灘砂;6-研究區范圍Fig. 3 Regional geological schematic map of the study area

研究區主要由第四紀松散堆積物和圣多美火山群新老兩個階段旋回火成巖組成,以玄武巖為主。圣多美島現存構造受到了喀麥隆線的火山-構造排列的影響,確定有3個主要斷層方向:一為NE-SW向,占主導地位,與島的延伸方向相吻合;其余為N-S和NNE-SSW向。

研究區地質構造活動相對復雜,周邊發育較多斷層,鑒于區內無火山噴發記錄,火山錐的形態顯示其年齡均>1萬a,且無明顯的地震活動記錄,可以認為該區發生火山活動的可能性很低。結合現場調查,未見全新世活動性斷裂通過。

2.2.3 水文氣象 研究區位于圣多美島北部,為熱帶雨林氣候,10月至次年5月為雨季,6—9月為旱季,年降水量500～1 400 mm,雨季降水量約占全年降水量的95%,全年主導風向為南風。

根據圣多美機場氣象站1960—2010年逐日降水量、氣溫、相對濕度以及1976—2003年風速資料,得到各氣象要素特征值(表2)。

表2 研究區氣象要素特征值

2021年1月1日—2022年5月31日共17個月的潮位觀測資料顯示,研究區海域為典型半日潮型:最高潮位為1.601 m,最低潮位為-0.757 m,潮位平均值為0.427 m;最大潮差2.071 m,最小潮差0.363 m,平均潮差1.147 m;平均漲潮歷時6.36 h,平均落潮歷時6.06 h。

2.2.4 不良地質作用與特殊性質巖土 根據現場地質調查和勘探結果,研究區無明顯的地質構造活動,未發現影響工程建設的不良地質現象,場地基本穩定。

研究區的特殊巖土體特征:跑道東側延伸區海域的海相淤泥和有機土的工程性質特殊,屬軟弱土層;全區下伏發育第四紀更新世多旋回火山巖,巖性不一,差異風化明顯,局部成巖作用差。

2.2.5 地層結構及主要物理力學性能指標 根據鉆探、原位測試及室內試驗結果,結合已收集的地質資料,研究區場地(陸域和海域)地基巖土按其形成年代、成因類型和工程性質可分為2個地層單元,共4個大層13個亞層(表3),地層空間分布見圖4,地基土的主要物理力學性能指標見表4。

圖4 典型工程地質剖面示意圖(圖例顏色代表不同地層單元,不代表具體巖土層)第一地層單元: 第四紀松散堆積物(陸域)(層①) 第一地層單元: 第四紀松散堆積物(海域)(層②)第二地層單元: 第四紀多旋回火成巖(層③) 第二地層單元: 第四紀多旋回火成巖(層④)Fig. 4 Schematic diagram of representative engineering geological section(The color of the legends represents different stratigraphic units, not specitic rock layers)

表3 研究區地層特征及空間分布

表4 地基土的主要物理力學性能指標平均值

2.2.6 地下水 根據水位測量結果,臺地Ⅰ區穩定水位埋深為0.30～5.60 m,水位標高為16.26～32.25 m,地下水主要以潛水形式賦存于風化基巖裂隙中;雨季降水集中期有部分降水滯留于表層松散堆積物中。

河谷Ⅱ區和平原Ⅲ區的穩定水位埋深為0.10～5.30 m,水位標高為0.83～11.46 m,近于地表,地下水以潛水形式賦存于第四紀松散堆積物和風化基巖中,局部為上層滯水。地下水主要接受大氣降水補給,其中河道區域的地下水接受上游河流補給,經山坡和河道流入大海。

2.2.7 水土腐蝕性 按《巖規》有關規定進行判定。擬建場地環境類別為Ⅱ類,地基土對混凝土具有微腐蝕性,對鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性,對鋼結構具有微腐蝕性。

在工程區域采取3組地下水和2組海水試樣進行水質簡分析,地下水和海水的腐蝕性評價分析結果(表5)表明,工程海域宜做好相關建筑物材料及構件的腐蝕防護措施。

表5 水腐蝕性評價

2.3 場地地震效應

2.3.1 波速測試 對13個點位進行多道瞬態面波(瑞雷波)測試,獲取各巖土層的剪切波速,用以劃分場地土的類型及建筑場地類別。表6為現場面波測試資料的分層統計結果。

表6 面波測試結果

根據我國《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010,2016版)和《水運工程抗震設計規范》(JTS 146—2012)有關標準,結合現場鉆探情況,擬建場地航站區(Ⅲ區)覆蓋層<3 m,場地類別為Ⅰ1類,屬抗震有利地段;近岸區域(Ⅳ)地層為中軟—堅硬土,覆蓋層厚度為3～50 m,估算剪切波速>250 m/s,擬建建筑場地類別可按Ⅱ類設計,擬建區域屬抗震一般地段。

2.3.2 抗震設防烈度和設計基本地震動加速度 根據USGS National Earthquake Information Center(2023), 1904—2023年期間,擬建場地1 000 km范圍內發生了38次地震,其中震級最大的是1939年發生在加納的M6.4地震;擬建場地500 km范圍內發生了19次地震,震級最大的是2019年發生在圣多美島SE約34 km的M5.5地震,擬建場地無震感。

根據《非洲地震風險:修正麥加利烈度圖》(OCHA Regional Office for Central and East Africa, 2007),圣多美與普林西比地區修正麥加利地震烈度(50年超越概率20%)為Ⅵ度。

綜上所述,結合該工程具體情況,可考慮研究區50年超越概率10%的地面峰值加速度取0.05g,相應的地震烈度按Ⅵ度考慮。設計地震分組可按第一組考慮,一般情況下可不進行砂土液化和軟土震陷的判別和處理。

2.4 典型試驗

2.4.1 固結試驗 為確定軟弱土層的固結速率,采取部分未擾動軟土樣進行固結試驗,各壓力下的指標統計結果見表7。

表7 固結試驗結果

2.4.2 巖石單軸抗壓強度試驗 為查明場地巖石的工程力學性質,對場地的巖石進行了單軸飽和抗壓試驗(表8)。

表8 巖石單軸抗壓強度試驗結果

2.4.3 有機質含量試驗 為測定軟土的有機質含量,對試樣進行有機質含量測定,試驗方法為灼失量法。試驗結果見表9。

3 研究區巖土工程評價

3.1 研究區穩定性、適宜性評價

研究區擬建場地5 km以內未見活斷層,場地內及周邊未發現巖溶、滑坡、采空區等不良地質作用和地質災害,無埋藏的河道、溝浜、墓穴、防空洞、孤石等不利埋藏物。Ⅲ區和Ⅳ區的建筑抗震地段類別為有利地段—一般地段,場地基本穩定,地層分布穩定,工程性質良好—一般,適宜—較適宜工程建設;Ⅴ區位于海域,分布較厚的軟弱土層,場地穩定性差,工程建設適宜性差。

3.2 地基巖土工程性質評價

研究區擬建項目涉及的工程建設場地主要分布在航站區(Ⅲ區)和跑道東延海域(Ⅳ、Ⅴ區)。上述區域的地基巖土主要由第四紀全新世海陸交互相沉積砂土人工填土和第四紀更新世火成巖及其風化產物組成,已揭露地層主要特征如下。

3.2.1 第一地層單元 ①1-1雜填土:黏土為主,濕—飽和,可塑,土質不均,混雜碎石和礫石,表層含腐殖質及植物根系,混建筑和生活垃圾,局部被混凝土面層覆蓋,工程性質較差,在Ⅲ區廣泛分布,厚度較薄,宜清除處理。

②1粗礫砂:飽和,松散為主,局部稍密或中密,因其為鈣質砂,在標準貫入試驗評價密實度時未考慮增加5擊后評價。鈣質砂具有孔隙比大和顆粒易碎性等特征,力學性質差,具有一定的不均勻性,在Ⅳ區中東部和Ⅴ區廣泛分布,具有一定的厚度。

②2細中砂:飽和,稍密為主,局部松散或中密,由生物碎屑和石英長石組成,力學性質一般,具有一定的不均勻性,主要分布在Ⅴ區的中北區域,厚度變化較大。

②3淤泥和②4有機土層:泥炭質土,力學性質差。其中,②3淤泥層土質較均勻純凈;②4有機土層含有大量植物根系和腐殖質,混較多生物碎屑。該層在Ⅴ區廣泛分布,厚度較均勻、穩定。

3.2.2 第二地層單元 松散堆積物之下即為旋回火山巖及其風化產物,其中含碎石黏土④1層,力學性質一般,均勻性差,分布較廣泛,層面起伏不定,厚度不一。

研究區下伏多旋回火成巖,風化火成巖③層為較新的m0時期的玄武巖;風化火成巖④層為老的m1時期的火成巖,由玄武巖和火山碎屑巖等組成。

全—強風化玄武巖③1和火成巖④2,力學性質較好,巖體破碎,均勻性差,分布廣泛,厚度不一。

中—微風化玄武巖③2和火成巖④3,巖體較破碎—較完整,較堅硬—堅硬巖,分布較廣泛。

綜上所述,在垂向上,地基土的力學性質自上而下總體呈變好的趨勢,但各地基土層的工程性質也存在較大的差異變化;在水平方向上,砂土層分布略有變化,風化巖層面起伏較大,厚度不均勻,局部地層缺失?？傮w而言,建筑地基均勻性差。

就整個研究區而言,多旋回的火成巖的風化受原始地形地貌和巖體結構影響,各風化程度之間并不具有一個穩定、明顯的界線;除發育玄武巖外,還發育火山碎屑巖,如角礫熔巖等,各巖性成巖作用差異導致基巖強度相差甚大。

4 地基基礎方案

4.1 研究區航站區地基基礎方案評價

研究區的陸域新建建(構)筑物主要在機場航站區,主要包括改擴建停機坪、新建動力中心和新增消防站,屬輕型建(構)筑物,荷載小。該區域基巖埋深淺,地表0.40～1.70 m以下即揭露全—強風化玄武巖③1層和中—微風化玄武巖③2層,基巖工程性質良好,可作為基礎持力層,可采用天然地基方案。

4.2 機場跑道東側延伸段地基方案分析

擬將跑道向東延長580.0 m,海域范圍內的陸域形成擬采用堆填方式,將陸域凈空處理產生的土石方運輸堆填到待造陸域,填海區寬170.0 m,總長723.5 m,護岸總長2 071.0 m。

4.2.1 人工地基分析 因填海工程不考慮圍堰施工,對于水深較淺的區域,可對回填土進行分層碾壓夯實(陳榮波,2017),質量合格后可作為地基持力層使用;對于水深較大的區域,無法進行分層碾壓夯實,需對回填土進行地基處理,可考慮強夯等措施進行處理(楊國榮等,2010)。

4.2.2 天然地基分析 填海造陸區域位于Ⅳ區和Ⅴ區,其中Ⅳ區地質條件一般—較好,當該區域天然地基滿足上覆荷載和要求時,可考慮采用天然地基方案。

Ⅴ區的淺部地層以松散的粗礫砂②1層(鈣質砂)、稍密細中砂②2層、流塑狀淤泥②3層和有機土②4層組成,地基條件較差,天然地基無法滿足上覆荷載和變形要求,需對上述地層進行處理。

鑒于該區域的水深條件和淺部地層條件,結合陸域形成方案,可考慮采用強夯聯合排水固結的處理方法:強夯主要處理陸域形成的回填土人工地基及天然的淺部松散粗礫砂②1層和細中砂②2層;排水固結主要處理淤泥②3層和有機土②4層,鑒于軟土層較厚,且軟土下部為含碎石黏土④1,排水條件差,在采用堆載預壓法時,應設置塑料排水板。為減少工后沉降,宜采用超載預壓處理方法。淤泥②3層和有機土②4層的次固結系數Cv建議取0.01～0.03。

當選擇強夯方案時,強夯的有效加固深度應根據現場試夯或地區經驗確定。

無論采用何種地基處理方案,工程施工前應先進行試驗,選擇合理的施工工藝和參數。

當上述方案不具備施工條件或滿足不了設計要求時,也可以比較經濟性及技術難度后采用復合地基或樁基方案。樁基設計巖土參數見表10(張學飛,2021)。

表10 樁基設計參數

5 地基基礎施工中的有關巖土工程問題

研究區基坑開挖可根據需要進行放坡開挖或采取支護措施,根據各擬建建筑物基坑開挖深度及場地現狀,回填土層可按表11中的坡率進行放坡,基坑開挖受限時應采取必要的支護措施。

表11 基坑開挖坡率及降水參數

勘察期間,賦存在淺部松散土體中的地下水為潛水,地下水位受降水影響較大,基坑開挖時應做好坡面防護及基坑周圍地面的排水工作,防止雨水浸泡邊坡土體。此外,基坑周圍不宜堆載。

基坑開挖可采取基坑降水措施,宜采用基坑內集水明溝排水的施工方案。依據擬建場地室內土工試驗及工程經驗,基坑設計、降水所需設計參數采用表11推薦值。

勘察過程中發現的可能影響項目設計和施工的潛在風險源如下。

(1)航站區巖石地基對基坑開挖和基礎埋深的影響。航站區基巖埋深較淺,基坑開挖應根據其深度范圍內的巖土特征選擇開挖工藝和設備,巖土層等級分類見表12。當巖體無法機械破碎時,應酌情考慮減小基礎埋置深度,但深度不宜<0.5 m。

表12 各地層土石等級分類

(2)地下管線。擬建場地航站區的范圍內存在地下管線,對于基坑開挖等施工可能有影響的地下管線應采取避讓或其他有效保護措施。

(3)既有建筑。擬新建消防站緊鄰機場貨倉(老航站樓),基礎施工前需考慮對相鄰建筑物的影響。

(4)邊坡支護。凈空處理區和填海工程區均會形成邊坡,應對相關邊坡進行監測,必要時采取支護措施。

(5)堆載預壓塑料排水板的施工。擬建項目場地的軟土層上覆松散—稍密砂土,局部為中密狀態,砂土中局部混雜珊瑚塊,排水板施工選擇工藝時應考慮上述因素的影響。

(6)擬建項目臨海,注意鹽霧腐蝕對擬建工程的影響。

(7)河谷(Ⅱ區)發育一條SW-NE走向小河,河寬1.5～3.0 m。研究區雨季降雨豐沛,河水上漲時可淹沒河岸,工程建設時應考慮積水和洪水對擬建工程的影響。

(8)擬建工程場地海域近岸受到海水動力沖刷作用,為剝蝕性海岸,宜進行護岸處理,以防海岸及建成后的構筑物進一步遭受海浪的沖刷侵蝕。

6 結 論

(1)采用多種巖土工程勘察手段,查明了機場改擴建陸域和海域場地地基巖土類別、層次、厚度、空間分布特征及相應物理力學性能,判斷建筑場地類別、地震抗震類別等,進行水土腐蝕性評價等,滿足了巖土分析評價和設計的要求。

(2)針對陸域和海域不同巖土工程特性,對建(構)筑物的地基基礎方案進行分析論證,提出了相應的地基處理原則及措施。

(3)針對擬建建(構)筑物的具體情況,對后期施工過程中遇到的巖土工程問題進行分析,總結了施工中應注意的問題。