黃河三角洲沿海灘涂井場填方設(shè)計與施工

張化民， 于彥江， 秦如雷， 陳根龍， 馮起贈， 邵玉濤， 李 強

(1.中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075；3.中國冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，山東 濟南 250101)

1 工程簡介

為滿足項目研究需求，中國地質(zhì)調(diào)查局“海域天然氣水合物陸地試采工程”項目組在黃河三角洲地區(qū)建設(shè)了一處鉆井試驗基地。該鉆井場地位于山東省東營市刁口鄉(xiāng)附近，距海岸線1 km左右。場地面積14680 m2，運營周期2年。

該地區(qū)屬黃河三角洲沖積海積平原區(qū)沿海灘涂(見圖1)，表層為第四系全新世松散沉積物，厚度300～500 m，主要地層巖性為粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂、中砂等。場地選址區(qū)域內(nèi)1 m深度范圍內(nèi)的表層土體為粉砂質(zhì)粘土，土體成分見表1，基本性能參數(shù)見表2。

圖1 井場選址原始地貌Fig.1 Original topography of well site

Table 1 Composition of surface soil in drilling site%

表2 表層土基本性能參數(shù)Table 2 Basic parameters of surface soil

該鉆井場地具有以下特點：

(1)場地建設(shè)標準高：該場地為地質(zhì)調(diào)查項目試驗基地，運營時間為2年。不同于一般的鉆井施工，因其科研基地的性質(zhì)和較長的使用時間，該場地的地面承載力、場地平整度、圍擋結(jié)構(gòu)防風能力、場地臨時生活設(shè)施和場地供水供電能力的建設(shè)標準均超過《鉆前工程及井場布置技術(shù)要求》(SY/T 5466-2013)[1]的最高規(guī)定。

(2)區(qū)域環(huán)保要求高：黃河三角洲地區(qū)有我國暖溫帶最廣闊的河口濕地，是物種保護、候鳥遷徙和河口生態(tài)演替的重要地點，同時具備河口濕地、三角洲濕地和濱海濕地的特點，生物資源豐富，但生態(tài)環(huán)境異常脆弱，對人類活動影響有很強的敏感性。該區(qū)域的氣體、水排放和噪聲等環(huán)保指標有嚴格的要求。依據(jù)《中華人民共和國自然保護區(qū)條例》和《山東省濕地保護辦法》的有關(guān)規(guī)定，對自然保護區(qū)造成破壞的工程活動，主體單位承擔經(jīng)濟懲罰的同時還要追究法律責任。

(3)土體改造難度大：該區(qū)域表層粉砂質(zhì)粘土存在微振液化現(xiàn)象[2]，在外界振動的作用下，土體中孔隙水壓力不斷增大，土體有效應力會降為零，土粒處于懸浮狀態(tài)，土體強度完全喪失。

這種土體特性會造成2個問題，一是場地平整壓實過程中，不可以采用振動壓實，不然會適得其反，越振動土體越松散。二是場地建設(shè)完成后，由于地下水位的反復升降,加上施工作業(yè)中的微振作用,引起飽和細粒土地基的液化及不均勻沉降,導致地面開裂、破損,將嚴重影響場地的使用[3-4]。

本文主要對黃河三角洲的沿海灘涂井場的填方方案和施工過程進行論述。

2 填方施工

2.1 地基處理方案選擇

通過對土體的特殊工程特性和場地使用期間的承載力要求進行分析，該場地內(nèi)土體填方施工應結(jié)合地基處理同時進行[5-7]。該地區(qū)的地基處理方法主要包括強夯法、灰土墊層法和粉噴樁法等[8]。

強夯法[9-10]：試驗區(qū)地下水位較高，當夯擊能大時,拔錘后夯坑內(nèi)迅速積水,導致大部分夯擊能被地下水所消耗。同時由于土層較軟,造成排水不利,孔壓居高不下,對夯擊能往深部傳播不利,真正用于深部土層加固的能量不足。另外,還可能由于夯擊間歇和夯擊過后孔隙水壓力沒有完全消散,導致強度指標降低。所以采用強夯法時,應該考慮增長夯擊間歇和加強抽排水措施。

灰土墊層法[11]：灰土墊層的材料為石灰和土，石灰和土的體積比一般為3∶7或2∶8?；彝翂|層的強度隨用灰量的增大而提高。灰土墊層處理黃河三角洲地基是一種以土治土、原位處理地基的辦法。灰土墊層以土料為主,造價較低,是一種比較經(jīng)濟的地基處理方法。它的缺點是施工受氣候、環(huán)境和地下水的影響較大,現(xiàn)場施工質(zhì)量必須從嚴控制。

粉噴樁法[12]：它是通過特制的深層攪拌機械,在加固深度范圍內(nèi)把水泥粉與切碎的軟土地基原位強制攪拌,利用水泥粉和地基土間產(chǎn)生的一系列物理、化學反應,使地基土硬結(jié)成具有整體性、穩(wěn)定性和一定強度的水泥土柱狀體。該水泥攪拌樁與軟土地基一起構(gòu)成復合地基,達到加固軟土地基的目的。其特點是不會使鄰近土體受壓變形產(chǎn)生地面隆起、損壞、松動,施工文明,無坍孔與縮徑之憂，攪拌無噪聲、無振動、無排污,對周圍環(huán)境和建筑物無不良影響，還可節(jié)約基礎(chǔ)開挖土方及配筋等費用，社會效益和經(jīng)濟效益都較好。

3種地基處理方法效果、造價和工期對比見表3。

表3 地基處理方式對比Table 3 Comparison of foundation treatment

過對比分析可知：灰土墊層處理方式在工期和造價方面都優(yōu)于其他兩種方式，在承載力方面雖然低于粉噴樁，但也能滿足承載力要求。

其次，灰土墊層的透水性很差，可以形成隔水層，隔絕地下水與地表水的滲透路徑，有利于杜絕工程污水對地下水的污染[13-15]。強夯法和粉噴樁法需要使用強夯機或鉆機等重型專用機械，而灰土墊層僅需使用簡單的機械和人工。重型機械的使用存在廢氣和噪聲污染的問題，所以灰土墊層法在環(huán)保方面優(yōu)于其他兩種方法。

綜合考慮環(huán)保、工期、造價和適用性等方面因素，本次填方施工采用灰土墊層的地基處理方案，并且在灰土墊層施工中嚴格控制施工質(zhì)量。

2.2 填方方案設(shè)計

依據(jù)場地內(nèi)不同區(qū)域的使用情況，將場地劃分為重載區(qū)和輕載區(qū)。重載區(qū)包括：鉆機施工區(qū)域、發(fā)電機和泥漿處理設(shè)備區(qū)和場內(nèi)道路。

輕載區(qū)包括：生活區(qū)、庫房等不存在重型機械和車輛活動的區(qū)域。

兩種區(qū)域采用不同的回填方案。

輕載區(qū)方案：素土回填找平+200 mm灰土墊層+100 mm碎石面層。

重載區(qū)方案：建筑垃圾回填找平+200 mm灰土墊層+100 mm碎石面層。

填方施工工序和流程見圖2。

圖2 填方施工流程Fig.2 Backfilling construction process

填方施工中投入的機械和工時見表4。

表4 井場填方施工機械Table 4 Well site backfilling construction machinery

2.3 灰土墊層工程質(zhì)量控制

灰土施工情況見圖3?；彝翂|層的施工質(zhì)量是該填方方案的關(guān)鍵，為保證工程質(zhì)量，采取了以下灰土墊層質(zhì)量控制措施[16]：

(1)土料采用優(yōu)質(zhì)填方素土,其中不得含有有機雜質(zhì)，使用前要過篩，粒徑≯15 mm。

(2)用作灰土的熟石灰在使用前一天澆水，將石灰粉化并過篩,粒徑≯5 mm，不得夾有未熟化的生石灰塊。

(3)灰土拌合時，根據(jù)氣溫和土料的濕度適當澆水，拌好的灰土顏色要求均勻一致,含水量以用手緊握成團、輕捏即碎為宜。

圖3 灰土墊層施工Fig.3 Construction of lime-soil cushion

(4)拌好后的灰土應及時鋪墊碾壓,不得隔日使用,壓實的灰土不得受水浸泡。

(5)灰土墊層采用分層壓實的辦法來進行施工,虛攤厚度為100 mm。

(6)灰土墊層采用碾壓壓實，而不是傳統(tǒng)的夯打。

(7)灰土的質(zhì)量逐層進行檢驗,每壓實完一層檢驗一次,當符合設(shè)計要求后方可鋪墊上層。土的質(zhì)量檢驗采用環(huán)刀取樣測定其干密度,質(zhì)量標準按壓實系數(shù)鑒定,壓實系數(shù)控制在0.98,承載能力達到150 kPa為合格。

3 施工效果

該場地填方工程于2018年1月16日開工，2月20日完工，歷時45 d，因春節(jié)放假原因，實際有效工作時間35 d。施工費用見表5。因施工過程控制精準，調(diào)度計劃合理，提前5 d完工，為后續(xù)工作爭取了時間，同時施工費用也比預算低8萬多元。

表5 施工費用統(tǒng)計Table 5 Construction cost statistics

經(jīng)第三方檢測，該填方工程質(zhì)量合格，承載力達到了設(shè)計要求。

施工完成后的場地見圖4，場地使用中的情況見圖5。

圖4 鋪墊完成的場地Fig.4 Site completed by backfilling

圖5 使用中的場地Fig.5 Site in use

4 結(jié)語

總結(jié)該黃河三角洲沿海灘涂井場填方施工的經(jīng)驗如下：

(1)填方全程采用靜壓壓實填土，避免了孔隙水上升、土體產(chǎn)生微振液化效應，從而保證了填方工程的施工質(zhì)量。

(2)在面層下鋪設(shè)灰土墊層，既保證了地基承載力，又有效隔離了地下水上升通道和地表水下滲通道，切斷了微振液化的根源，同時杜絕了場地內(nèi)工程污水的下滲。

(3)將填方分為重載區(qū)和輕載區(qū)，采用不同的填方方案，既充分發(fā)揮了現(xiàn)有建筑垃圾成本低、承載力高的特點，又克服了原料數(shù)量不足的問題。既滿足了承載力要求，又節(jié)約了成本。