強(qiáng)夯法在非洲某機(jī)場(chǎng)不停航施工中的應(yīng)用

焦淑賢，胥祥偉，汪日燈

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交機(jī)場(chǎng)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引 言

朱巴國(guó)際機(jī)場(chǎng)是南蘇丹惟一的國(guó)際機(jī)場(chǎng)，建成于20世紀(jì)80年代，常年缺乏維護(hù)，設(shè)施、設(shè)備陳舊落后，跑道、滑行道道面破損嚴(yán)重，嚴(yán)重影響飛行安全，亟需修復(fù)改造，且改造必須采用不停航施工方式。

不停航施工改造是指在不影響機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)營(yíng)或者在夜間航班結(jié)束后進(jìn)入飛行區(qū)進(jìn)行施工，不停航施工工期緊，有效作業(yè)時(shí)間短，工藝復(fù)雜，技術(shù)要求高、難度大，安全保障責(zé)任重大，必須確保機(jī)場(chǎng)在施工完成后能夠即刻投入正常運(yùn)營(yíng)［1］。

強(qiáng)夯加固地基處理方法具有工藝簡(jiǎn)單、效果顯著、費(fèi)用低廉、適用土層范圍廣、施工周期短等突出優(yōu)點(diǎn)［2－4］，在國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用范圍很廣［5－8］。但強(qiáng)夯施工所需的龍門(mén)架很高，移動(dòng)不便，在飛行區(qū)施工突破凈空，影響飛行安全，尤其在非洲運(yùn)營(yíng)管理混亂的機(jī)場(chǎng)，存在極大安全風(fēng)險(xiǎn)。本文依托實(shí)體工程，分析強(qiáng)夯參數(shù)確定原則，并探討強(qiáng)夯法在不停航施工條件下的應(yīng)用效果，以期為類(lèi)似工程施工提供參考。

1 工程概況

南蘇丹地處東非中央，位于北緯4～10度線(xiàn)之間，靠近赤道，屬熱帶草原氣候，每年5～10月為雨季，氣溫在20℃～40℃，11月至次年4月為旱季，氣溫在30℃～50℃。降雨量較為充沛，年降雨量約為1 350～1 600mm。

朱巴國(guó)際機(jī)場(chǎng)海拔461m，目前跑道長(zhǎng)2 400 m，寬45m，飛行區(qū)技術(shù)指標(biāo)為4C，最大能夠滿(mǎn)足B737－300飛機(jī)起降使用。項(xiàng)目預(yù)期將跑道延長(zhǎng)至3 100m，使之能夠滿(mǎn)足B767－200飛機(jī)使用，飛行區(qū)技術(shù)指標(biāo)升級(jí)為4D。

對(duì)700m跑道延長(zhǎng)段原有地質(zhì)情況進(jìn)行勘察，下臥土層依次為：黏性素填土，灰黃色，主要由粉質(zhì)黏土組成，含較多細(xì)砂，松散，未經(jīng)壓實(shí)，層厚2.5～4m；砂混黏性土，灰黃色，以粗砂為主，混約40%黏性土，松散，未經(jīng)壓實(shí)，層厚2～3.2m。以下分別為砂土層、礫石層等，不屬于需加固的土層不予描述。

為加快工期、減少成本，項(xiàng)目采用強(qiáng)夯法對(duì)700 m跑道延長(zhǎng)段地基進(jìn)行加固處理。

2 強(qiáng)夯參數(shù)確定

為確保地基加固效果，正式強(qiáng)夯施工前，在設(shè)計(jì)強(qiáng)夯參數(shù)的基礎(chǔ)上，于跑道延長(zhǎng)線(xiàn)上選取40m×20 m的場(chǎng)地進(jìn)行試夯，以確定點(diǎn)夯能量、收錘標(biāo)準(zhǔn)、夯點(diǎn)間距以及間歇時(shí)間等參數(shù)。

在試夯區(qū)某一夯點(diǎn)位置附近設(shè)水位觀測(cè)點(diǎn)和孔隙水壓力觀測(cè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的連續(xù)觀察和監(jiān)測(cè)（表1），該段時(shí)間內(nèi)地下水位埋深基本穩(wěn)定在3.1m左右。因此，可埋設(shè)3組孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行水壓力觀測(cè)，埋深分別為4、6、8m，每組設(shè)置5個(gè)孔隙水壓力計(jì)并呈直線(xiàn)分布，水平間距為1.5m，如圖1所示。

表1 地下水位觀測(cè)情況

圖1 孔隙水壓力計(jì)布置

2.1 點(diǎn)夯能量

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012），對(duì)于粉土、黏性土等細(xì)顆粒土，單擊夯擊能量3 000kN·m的有效加固深度為6.0～7.0m，因此暫定點(diǎn)夯能量為3 000kN·m，夯錘采用直徑2.2 m、錘重15t的圓形平底錘，落錘高度為20.4m，采用徐工生產(chǎn)的50t履帶吊機(jī)施工。

對(duì)試夯區(qū)某一夯點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)連續(xù)10次夯擊，每次擊夯后，立即對(duì)孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)并記錄。超孔隙水壓力隨夯擊次數(shù)的變化見(jiàn)表2、圖2。

有研究資料表明［9］，可以認(rèn)為當(dāng)孔隙水壓力增量隨著夯擊次數(shù)增加而逐漸趨于恒定時(shí)的能量即為最佳點(diǎn)夯能量。

由表2和圖2可知：不同埋深的超孔隙水壓力隨著夯擊次數(shù)的增加逐漸趨于某一恒定的數(shù)值，說(shuō)明該土層所能接受的能量已達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)的夯擊能就是最佳點(diǎn)夯能量。

通常認(rèn)為，強(qiáng)夯時(shí)不同深度處的超孔隙水壓力即為夯錘在該深度處產(chǎn)生的附加應(yīng)力［10－11］。引用地基變形計(jì)算深度的概念，將超孔隙水壓力與地基土自重應(yīng)力比值為0.2處對(duì)應(yīng)的深度作為有效加固深度［12－14］。經(jīng)計(jì)算，夯擊能為3 000kN·m 時(shí)，該地基的有效加固深度在6m左右，印證了前述夯擊能選擇的正確性。而埋深8m處的超孔隙水壓力在10次連續(xù)夯擊后達(dá)到了8.44kPa，說(shuō)明強(qiáng)夯的影響深度可達(dá)8m，點(diǎn)夯能量為3 000kN·m是足夠的。

表2 單點(diǎn)夯擊時(shí)的超孔隙水壓力

圖2 夯錘正下方不同深度處超孔隙水壓力隨夯擊次數(shù)的變化

強(qiáng)夯有效加固深度h通常可以用Menard公式計(jì)算［15－16］，即

式中：α為有效加固深度系數(shù)，與各土層的力學(xué)性能參數(shù)有關(guān)；M為夯錘質(zhì)量；H為夯錘起吊的高度。

本試驗(yàn)通過(guò)有效應(yīng)力與土層自重應(yīng)力比值確定的有效加固深度為6m左右，根據(jù)Menard公式反算得到有效加固深度系數(shù)α為0.11，可為今后非洲該地區(qū)或類(lèi)似地質(zhì)條件下強(qiáng)夯的方案設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)性參考。

2.2 收錘標(biāo)準(zhǔn)

按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）和《強(qiáng)夯地基處理技術(shù)規(guī)程》（CECS 279—2010），收錘標(biāo)準(zhǔn)按現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線(xiàn)確定，并同時(shí)滿(mǎn)足下列條件。

（1）最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm。

（2）夯坑周?chē)孛娌粦?yīng)發(fā)生過(guò)大的隆起。

（3）不因夯坑過(guò)深而發(fā)生提錘困難。

對(duì)試夯區(qū)某一夯點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)夯擊，夯擊次數(shù)和夯沉量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 夯擊次數(shù)和夯沉量

由表3可以得出：當(dāng)單點(diǎn)夯擊次數(shù)達(dá)到9擊時(shí)，最后兩擊的平均夯沉量小于50mm。從整個(gè)試夯區(qū)來(lái)看，各夯點(diǎn)累計(jì)夯沉量在1.8～2.3m之間，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)，夯坑周?chē)孛鏇](méi)有發(fā)生大的隆起，也沒(méi)有發(fā)生提錘困難。根據(jù)試夯情況，一般單點(diǎn)夯擊次數(shù)在10擊以下時(shí)，最后兩擊的平均夯沉量已經(jīng)小于50mm，但根據(jù)土基類(lèi)型和夯擊經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)要求單點(diǎn)夯擊次數(shù)不小于10擊，而此時(shí)地下不同深度處的超孔隙水壓力也趨于穩(wěn)定，因此可將10擊作為收錘標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 夯點(diǎn)間距

強(qiáng)夯采用點(diǎn)夯、復(fù)夯、滿(mǎn)夯的工藝組合進(jìn)行，點(diǎn)夯、復(fù)夯夯擊10次，夯擊能量為3 000kN·m，夯點(diǎn)采用梅花形布置，現(xiàn)場(chǎng)試夯時(shí)，夯點(diǎn)間距暫定為5m；滿(mǎn)夯夯擊2次，夯擊能量為1 000kNm，夯擊時(shí)點(diǎn)與點(diǎn)之間搭接1／4錘徑。

夯點(diǎn)間距主要根據(jù)夯擊點(diǎn)的側(cè)向影響范圍確定，與土基的類(lèi)型、點(diǎn)夯能量以及夯錘直徑等因素有關(guān)，一般為夯錘直徑的1.2～2.5倍。從現(xiàn)場(chǎng)試夯情況來(lái)看，夯坑周?chē)孛鏇](méi)有發(fā)生大的隆起，說(shuō)明設(shè)計(jì)夯點(diǎn)間距5m是合適的。

此外，地下水的超孔隙水壓力的空間分布顯示，在不同深度處，當(dāng)距強(qiáng)夯點(diǎn)的水平距離超過(guò)3m時(shí)，超孔隙水壓力呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢(shì)，即有效應(yīng)力的擴(kuò)散能力在距夯點(diǎn)水平方向超過(guò)3m后會(huì)顯著下降，因此夯點(diǎn)間距不可大于6m（圖3）。

2.4 間歇時(shí)間

強(qiáng)夯點(diǎn)夯、復(fù)夯之間的間歇時(shí)間主要取決于孔隙水壓力消散的時(shí)間，應(yīng)該在試夯時(shí)根據(jù)孔隙水壓力的監(jiān)測(cè)情況來(lái)確定，對(duì)于排水條件較好的地基土，往往可以進(jìn)行連續(xù)夯擊作業(yè)。

圖3 一次夯擊時(shí)超孔隙水壓力的空間分布曲線(xiàn)

對(duì)試夯區(qū)某一夯點(diǎn)強(qiáng)夯后40h內(nèi)地下孔隙水壓力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4和圖4。

由表4和圖4可以得出：對(duì)單點(diǎn)強(qiáng)夯后，超孔隙水壓力會(huì)馬上進(jìn)入消散的過(guò)程，且消散速度較快。一次強(qiáng)夯后，2.5h內(nèi)超孔隙水壓力消散程度接近90%，且趨于穩(wěn)定，夯后20h超孔隙水壓力基本消散，說(shuō)明由強(qiáng)夯引起的孔隙水壓力在很短的時(shí)間可以得到消散，強(qiáng)夯對(duì)孔隙水壓力造成的影響不大；從連續(xù)的監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，地下孔隙水壓力的變化基本與地下水位變化一致。因此根據(jù)試夯結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)可以進(jìn)行連續(xù)夯擊作業(yè)，實(shí)際操作時(shí)，根據(jù)施工設(shè)備、工期安排，點(diǎn)夯、復(fù)夯之間的實(shí)際間歇時(shí)間為一周左右。同時(shí)，各試夯點(diǎn)累計(jì)夯沉量均小于地下水位埋深，因此在強(qiáng)夯施工時(shí)無(wú)需采取措施降低地下水位。

表4 一次強(qiáng)夯后的超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 一次夯擊不同深度處超孔隙水壓力消散曲線(xiàn)

3 應(yīng)用效果

對(duì)整個(gè)試夯區(qū)滿(mǎn)夯完成后，靜置2周，使地基最終穩(wěn)定，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及密實(shí)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)夯之后地基土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)都在15擊以上，壓實(shí)度不小于96%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 不停航施工措施

根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全管理規(guī)定》（CCAR－140），在跑道有飛行活動(dòng)期間，禁止在跑道端之外300m以?xún)?nèi)、跑道中心線(xiàn)兩側(cè)75m以?xún)?nèi)的區(qū)域進(jìn)行任何施工作業(yè)；在跑道端300m以外區(qū)域進(jìn)行施工的，施工機(jī)具、車(chē)輛的高度以及起重機(jī)懸臂作業(yè)高度不得穿透障礙物限制面。對(duì)跑道延長(zhǎng)段700m進(jìn)行強(qiáng)夯施工時(shí)，由于強(qiáng)夯機(jī)起重架升起后已穿越障礙物限制面，所以強(qiáng)夯施工全部改為夜間停航施工。

為應(yīng)對(duì)夜間強(qiáng)夯施工期間飛機(jī)臨時(shí)緊急起降的情況發(fā)生，項(xiàng)目部與業(yè)主、機(jī)場(chǎng)管理部門(mén)、塔臺(tái)管制部門(mén)、安保部門(mén)、施工單位建立有效溝通聯(lián)絡(luò)機(jī)制［17－18］。

（1）各單位之間設(shè)立專(zhuān)線(xiàn)電話(huà)，派專(zhuān)人值班，隨時(shí)確保暢通。

（2）各單位之間對(duì)講機(jī)設(shè)立施工專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通訊頻道，派專(zhuān)人值班，對(duì)講機(jī)使用時(shí)不得亂調(diào)頻道和發(fā)信號(hào)，防止發(fā)射干擾飛行安全的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，影響機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全。

（3）派專(zhuān)人密切注意跑道助航燈光，一旦打開(kāi)或接到塔臺(tái)有飛機(jī)起降的通知，立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，人員、機(jī)具、車(chē)輛全部撤離施工區(qū)域。

4.1 強(qiáng)夯緊急撤離演練

為進(jìn)一步提高現(xiàn)場(chǎng)指揮、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力，成立了由南蘇丹交通部、民航局、機(jī)場(chǎng)管理部門(mén)、軍方、聯(lián)合國(guó)、項(xiàng)目部共同組成的安全控制領(lǐng)導(dǎo)小組，并舉行了強(qiáng)夯緊急撤離演練。根據(jù)預(yù)先制訂的專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，檢驗(yàn)了在接到飛機(jī)緊急降落指令后，項(xiàng)目信息系統(tǒng)暢通程度，人員、機(jī)具、車(chē)輛按照預(yù)定線(xiàn)路緊急撤離，人員現(xiàn)場(chǎng)自我應(yīng)急救助能力，中外籍員工定點(diǎn)醫(yī)院救護(hù)聯(lián)絡(luò)等，檢驗(yàn)了應(yīng)急預(yù)案的可執(zhí)行性和完備性，強(qiáng)化項(xiàng)目的應(yīng)急處置能力。

4.2 主要施工措施

在飛行區(qū)進(jìn)行強(qiáng)夯施工作業(yè)，安全保障責(zé)任重大，為確保第二天順利通航，強(qiáng)夯施工中主要保障措施如下。

（1）強(qiáng)夯施工前，查明場(chǎng)地范圍內(nèi)的地下構(gòu)造物和各種地下管線(xiàn)的位置及標(biāo)高，并采取相應(yīng)措施，避免強(qiáng)夯施工而造成損壞。

（2）在新、老跑道交接部位，為了消除強(qiáng)夯對(duì)老跑道道面的影響，設(shè)置一道底寬0.5m、頂寬2.5 m、深度2m的隔震溝。當(dāng)天強(qiáng)夯施工完成后隔震溝內(nèi)回填沙，并用鋼板覆蓋。次日再進(jìn)行臨近區(qū)域強(qiáng)夯作業(yè)時(shí)，應(yīng)挖出隔震溝內(nèi)沙，再進(jìn)行強(qiáng)夯作業(yè)。

（3）跑道端部300m范圍內(nèi)的強(qiáng)夯完成后填平夯坑，整平并碾壓密實(shí)。

（4）做好施工安全教育和每日現(xiàn)場(chǎng)班前安全教育。

（5）規(guī)定人員、機(jī)具、車(chē)輛行駛路線(xiàn)，設(shè)立警示燈，派專(zhuān)人指揮交通。

（6）成立安全控制領(lǐng)導(dǎo)小組，制定應(yīng)急預(yù)案。

（7）飛機(jī)起飛、著陸前半小時(shí)完成清理施工現(xiàn)場(chǎng)的工作，將施工人員、機(jī)具、車(chē)輛全部撤離施工區(qū)域。

5 結(jié) 語(yǔ)

南蘇丹朱巴國(guó)際機(jī)場(chǎng)改造項(xiàng)目成功地在不停航施工的情況下進(jìn)行機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)強(qiáng)夯加固地基處理，并得出以下結(jié)論。

（1）通過(guò)試夯，對(duì)孔隙水壓力、地下水位、夯沉量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定了點(diǎn)夯能量、收錘標(biāo)準(zhǔn)、夯點(diǎn)間距以及間歇時(shí)間等參數(shù)。

（2）建立不停航施工進(jìn)出場(chǎng)許可制度及有效的溝通聯(lián)絡(luò)機(jī)制，并進(jìn)行強(qiáng)夯緊急撤離演練，確立了施工過(guò)程中飛機(jī)緊急起降應(yīng)對(duì)機(jī)制。