陳旭輝,陳海燕
(浙江省二建建設(shè)集團(tuán)有限公司,浙江 寧波 315202)
浙能新疆阿克蘇南工業(yè)園2×350MW熱電廠項(xiàng)目由浙江能源集團(tuán)投資,浙江省二建建設(shè)集團(tuán)有限公司承建,于2014年7月開工建設(shè),2016年10月投產(chǎn),項(xiàng)目占地362畝(1畝=666.67m2),總投資31億元。建成投產(chǎn)后將為地方招商引資提供電力能源保障,推進(jìn)工業(yè)化進(jìn)程,有力促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
該工程廠址地貌屬河流沖洪積平原。除場(chǎng)地中部有一條西北向的沙梁子,其余地段地形較平坦。根據(jù)《巖土工程勘測(cè)報(bào)告》,在勘探深度50m范圍內(nèi)的巖土地層主要為第四系沖洪積物,主要地層由以下成分組成。
1)①細(xì)砂 該層在廠區(qū)內(nèi)均有分布且連續(xù)。層頂高程1 118.800~1 121.700m, 層底高程1 100.800~1 110.340m,層底深度為10.00~18.50m,內(nèi)含較多粉土、粉質(zhì)黏土透鏡體及薄層,局部地段含少量圓礫顆粒。局部夾10~20cm厚圓礫透鏡體。
2)②細(xì)砂含礫 該層在廠區(qū)內(nèi)均有分布且連續(xù)。由于較厚,僅有控制性孔揭穿該層,層頂高程1 100.800~1 110.340m,層頂深度為10.00~18.50m,揭露厚度為12.80~21.30m,雜色,飽和,密實(shí),混有較多圓礫顆粒,成分以灰?guī)r、花崗巖及暗色變質(zhì)巖為主,圓礫顆粒含量一般為10%~20%,粒徑0.2~5cm,呈亞圓形、圓形狀,含少量粉土、粉質(zhì)黏土透鏡體及薄層。
3)③粉土 該層在廠區(qū)內(nèi)均有分布且連續(xù)。由于埋深較深,僅在37個(gè)控制性孔揭露該層,層頂高程1 085.130~1 090.610m,層底高程1 083.430~1 088.410m,層頂深度為30.00~33.90m,層底深度為32.20~35.80m,揭露厚度為1.20~4.30m,灰黑色,飽和,密實(shí),手搓砂質(zhì)感較強(qiáng),局部混少量圓礫顆粒。
4)④細(xì)砂 該層在廠區(qū)內(nèi)均有分布且連續(xù)。由于埋深較深,僅在39個(gè)控制性孔揭露該層,且未揭穿該層,層頂高程1 083.430~1 089.650m,層頂深度為29.60~35.80m,可見厚度為5.00~17.20m,青灰色、灰白色,飽和,呈密實(shí)狀態(tài),局部混少量圓礫顆粒。
勘探孔內(nèi)均見地下水,初見水位7.300~10.300m,靜止水位7.000~10.000m,屬孔隙水類型潛水,賦存于第四系沖洪積層中,主要接受東北向地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給,少量接受大氣降水補(bǔ)給。地下水受周邊地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉抽取地下水、氣候及季節(jié)影響,一般年變化幅度為1.0m左右。一年中地下水最高水位出現(xiàn)在1,2,12月,埋深最淺;地下水最低水位出現(xiàn)在 4,5,6月。
廠址位于阿克蘇南工業(yè)園東側(cè),距阿克蘇市區(qū)15km,距阿克蘇河上游采砂場(chǎng)15km,從河床可采挖級(jí)配良好的砂礫石。廠址周邊分布有棗園、林地和部分工業(yè)廠房,廠區(qū)北側(cè)3~5km有大片戈壁沙灘,可作為基坑開挖棄土場(chǎng)地。
電廠工程中有210m高煙囪、35m高灰?guī)焱矀}(cāng)、71m高鋼結(jié)構(gòu)鍋爐房、32m高主廠房和36m高空氣冷卻裝置,全廠設(shè)備基礎(chǔ)和地下管網(wǎng)星羅棋布,加上運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)荷載,對(duì)地基承載力要求很高。該工程主要建(構(gòu))筑物地基承載力設(shè)計(jì)值為600kPa。本文重點(diǎn)介紹沙漠地質(zhì)條件的地基處理方法。
本工程地貌屬?zèng)_洪積平原,處于典型沙漠地帶,現(xiàn)場(chǎng)地已被沙化,呈沙土、沙壤狀,地表承載力低,運(yùn)輸車輛、工程機(jī)械進(jìn)場(chǎng)必須修筑臨時(shí)道路,基坑邊坡穩(wěn)定性差,易產(chǎn)生塌方、坑陷等事故。
根據(jù)地質(zhì)報(bào)告,結(jié)合夏季農(nóng)田灌溉,地下水深度在8m左右,正處于開挖深度以上1m左右,由于砂質(zhì)土滲透性非常好,降水難度很大。
根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),地基一般采用較經(jīng)濟(jì)的砂礫石進(jìn)行換填,設(shè)計(jì)承載力達(dá)450~550kPa,而本工程要求達(dá)到600kPa,缺乏經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),所以,處理方案選擇和質(zhì)量控制是難點(diǎn)。
根據(jù)場(chǎng)地條件和當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)資料顯示,常用地基處理方法有樁基礎(chǔ)、換填法和振沖擠實(shí)法,該工程地質(zhì)持力層在50m以上,選用灌注樁造價(jià)偏高,且砂土地質(zhì)易造成塌孔等質(zhì)量問(wèn)題,不宜選擇。對(duì)比砂礫石換填和振沖擠實(shí)樁的投資成本、質(zhì)量控制和工期優(yōu)缺點(diǎn)如下:①砂礫石換填 造價(jià)需4 100 萬(wàn)元,施工方法簡(jiǎn)單、直觀,質(zhì)量易控制;可通過(guò)多投入機(jī)械加快進(jìn)度,工期可控;造價(jià)低,質(zhì)量可控,但土方開挖量大,換填砂礫石需求大。②振沖擠實(shí) 造價(jià)需5 100萬(wàn)元,較難成孔和控制樁長(zhǎng)與振沖密實(shí)度,質(zhì)量控制較難;振沖機(jī)械作業(yè)互相影響,無(wú)法同時(shí)施工,工期較長(zhǎng);造價(jià)相對(duì)較低,棄土量較少,但用水量大,較難記錄填料量,大功率振沖機(jī)對(duì)周邊地質(zhì)有影響。
3.1.1砂礫石碾壓換填說(shuō)明
采用天然砂礫石作為換填材料,通過(guò)機(jī)械分層碾壓,對(duì)基礎(chǔ)下方的軟弱地基進(jìn)行局部或全部置換的處理方式,砂礫石換填地基可提供較高的地基承載力,有效控制建筑物變形,具有抗剪強(qiáng)度高、透水性強(qiáng)、整體剛度大等特性。施工質(zhì)量主要控制材料選擇、最大干密度、單層虛鋪厚度及碾壓遍數(shù),且阿克蘇河上游有充足的天然級(jí)配砂礫石,能滿足需要。
3.1.2振動(dòng)碎石樁說(shuō)明
碎石樁施工中,要使樁體有效擠入軟土內(nèi),形成堅(jiān)實(shí)的柱狀樁體,振沖器必須有足夠的振動(dòng)力振搗樁體,振沖器要振動(dòng)至密實(shí)電流以上,且停留在該電流上一定時(shí)間,使樁體具有足夠密實(shí)度。目前,振動(dòng)碎石樁施工質(zhì)量的控制停留在較初級(jí)水平,僅靠1臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)柜控制振沖器的啟動(dòng),并通過(guò)電流表體現(xiàn)密實(shí)電流,而無(wú)法檢測(cè)制樁長(zhǎng)度、填料量、留振時(shí)間。當(dāng)?shù)胤浅H狈λ槭璧?00km外的山礦訂購(gòu),價(jià)格高昂。
根據(jù)以上分析比較,砂礫石換填造價(jià)低、進(jìn)度快、施工方法簡(jiǎn)單直觀、質(zhì)量易控制,所以選擇砂礫石換填為本工程地基處理方案。
為驗(yàn)證換填處理的承載力,工程前期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)承載力試驗(yàn)。按照換填厚度2,2.5,3,4m分別做3組堆載試驗(yàn),每組試驗(yàn)點(diǎn)平面開挖尺寸15m×45m,開挖深度同換填厚度,嚴(yán)格選料后,分層虛鋪厚度控制在400mm,每層使用22t壓路機(jī)振動(dòng)碾壓6遍進(jìn)行壓實(shí)。主要試驗(yàn)檢測(cè)和質(zhì)量控制過(guò)程如下。
1)天然級(jí)配砂礫石最大粒徑≤200mm,粗顆粒(粒徑>5mm)含量控制在81%~90%,需對(duì)顆粒不均的砂礫石進(jìn)行人工摻合。
2)砂礫石含水率控制在5%~8%,當(dāng)含水率不足時(shí)進(jìn)行灑水補(bǔ)充,每層碾壓完成后均需進(jìn)行取樣試驗(yàn),基準(zhǔn)最大干密度ρd取2.34g/cm3,壓實(shí)密實(shí)度控制在0.97以上。
3)分層換填夯實(shí)至預(yù)定厚度后,壓路機(jī)平碾1遍保持表面平整,進(jìn)行地基承載力測(cè)試。試驗(yàn)委托有資質(zhì)的專業(yè)檢測(cè)單位,采用慢速維持荷載法,由主梁、次梁、荷載物構(gòu)成加載反力系統(tǒng)。在承壓板底面下鋪墊經(jīng)過(guò)處理的50~100mm厚粗砂,采用2 000kN油壓千斤頂、并聯(lián)加載,通過(guò)手動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)加載,千斤頂合力通過(guò)承壓板中心。加載分級(jí)≥8級(jí),最大加載量不應(yīng)小于設(shè)計(jì)要求的2倍,加載間隔時(shí)間為10~15min,通過(guò)儀表讀數(shù)換算可得地基承載力和變形模量。最終荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)
通過(guò)試驗(yàn)得出以下結(jié)論:在嚴(yán)格控制施工質(zhì)量情況下,換填厚度為3m時(shí)承載力基本能達(dá)到600kPa,但沉降量>6mm,主廠房?jī)?nèi)幾個(gè)大型設(shè)備基礎(chǔ)埋深超過(guò)廠房基礎(chǔ)1m左右,即在換填完成后還要下挖,則換填厚度<3m,承載力<600kPa。若換填厚度為4m,則造價(jià)增加600萬(wàn)元左右,但相應(yīng)增加承載力富余量,也減少沉降,滿足所有基礎(chǔ)承載力。最終確定換填厚度為4m。
3.3.1邊坡設(shè)計(jì)
確定換填厚度為4m,基礎(chǔ)埋深5m,所以基坑開挖深度為9m。根據(jù)地質(zhì)條件確定開挖放坡分2級(jí):第1級(jí)放坡1∶1,邊坡采用5cm厚M10砂漿噴漿支護(hù),保護(hù)邊坡土層穩(wěn)定;第2級(jí)放坡1∶1.25,由于開挖后馬上回填,邊坡放置時(shí)間較短,所以不考慮噴漿支護(hù)。2級(jí)邊坡間,即-5.000m處設(shè)置2m寬?cǎi)R道,同時(shí)在邊坡10m范圍內(nèi)不得堆放重物,也不得有震動(dòng)性強(qiáng)的機(jī)械作業(yè),確保邊坡土體不受干擾。放坡系數(shù)安全性驗(yàn)算如下。
以77孔土層分布及地質(zhì)報(bào)告提供的參數(shù)為計(jì)算依據(jù)(見表2),采用理正軟件進(jìn)行計(jì)算。邊坡如圖1所示。整體穩(wěn)定性驗(yàn)算如圖2所示。
表2 土層參數(shù)
圖1 邊坡示意
圖2 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算
天然放坡計(jì)算條件如下:穩(wěn)定性驗(yàn)算采用瑞典條分法,應(yīng)力狀態(tài)為總應(yīng)力法,基坑底面以下的截止計(jì)算深度為0,基坑底面以下滑裂面搜索步長(zhǎng)為 5.00m,土條寬度為 0.40m。天然放坡計(jì)算結(jié)果如表3所示。
表3 天然放坡計(jì)算結(jié)果
通過(guò)計(jì)算得知,該放坡的7個(gè)道號(hào)整體穩(wěn)定安全系數(shù)都>1.0,說(shuō)明安全。
3.3.2開挖邊線設(shè)計(jì)
考慮鍋爐房、側(cè)煤倉(cāng)、主廠房和空冷島區(qū)域基礎(chǔ)排布較緊密,且換填厚度基本一致,為便于控制施工和質(zhì)量,采用整體大開挖法。煙囪區(qū)域相對(duì)獨(dú)立,考慮單獨(dú)開挖。基坑底開挖邊線原則為按最外側(cè)基礎(chǔ)外邊線再外擴(kuò)3m,確保所有基礎(chǔ)在有效換填層持力范圍內(nèi),其余邊線按放坡系數(shù)相應(yīng)外擴(kuò)即可。經(jīng)過(guò)計(jì)算,開挖平面如圖3所示。
圖3 開挖平面
3.3.3降水方案設(shè)計(jì)
根據(jù)相關(guān)資料,基底土質(zhì)為細(xì)砂,擬采用深井降水方法降低地下水。管井采用內(nèi)徑500mm預(yù)制鋼筋水泥管,濾水孔徑為15mm,間距150mm×150mm,外側(cè)采用塑料濾網(wǎng)進(jìn)行包裹。
根據(jù)土方開挖要求,降水設(shè)計(jì)需保持基坑開挖時(shí),土體內(nèi)水位在基坑底標(biāo)高0.5m以下,且換填過(guò)程中基坑內(nèi)不得出現(xiàn)積水,所以根據(jù)地下水位和各土層滲透系數(shù)可計(jì)算每天涌水量,再根據(jù)涌水量匹配相應(yīng)的抽排水設(shè)備。
通過(guò)計(jì)算,基坑深井降水共需34口深25m、內(nèi)徑500mm水泥管,基坑四周24口、坑內(nèi)10口,降水井應(yīng)便于排水,且避開廠房基礎(chǔ)和通道。在1,2號(hào)機(jī)主廠房區(qū)域四周的排水井通過(guò)φ300承插式波紋管連接,在轉(zhuǎn)角處砌筑1.5m×1.5m集水井,起排水沉淀作用。出廠排水管采用φ400承插式波紋管連接,再通過(guò)市政排水箱涵將水引入就近排水渠內(nèi)。
開挖流程為:測(cè)量控制點(diǎn)→開挖地表土→定位放線→修筑臨時(shí)道路→開挖第1層→修筑邊坡、馬道→修筑第2層臨時(shí)道路→開挖第2層→邊坡修筑、人工修底→基坑驗(yàn)槽→交付換填。
換填流程為:修筑下基坑運(yùn)輸通道→第1層虛鋪400mm厚砂礫石→灑水碾壓緊實(shí)→第2層虛鋪400mm厚砂礫石→灑水碾壓6遍→密實(shí)度試驗(yàn)→…→最后1層碾壓6遍→密實(shí)度試驗(yàn)→動(dòng)探試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)。
鍋爐房、側(cè)煤倉(cāng)、主廠房和空冷島為整體大開挖,開挖、換填順序?yàn)殄仩t房→側(cè)煤倉(cāng)→主廠房→空冷島。
5.1.1準(zhǔn)備工作
1)測(cè)量放線 測(cè)繪基坑第1級(jí)放坡邊線并放線,在基坑外周適當(dāng)位置做好測(cè)量控制點(diǎn)。
2) 修筑臨時(shí)道路 基坑內(nèi)道路寬5m,使用600mm厚戈壁料鋪平、澆水并壓實(shí),道路間距10m,滿足挖掘機(jī)工作半徑及裝車需要。
3)廠區(qū)道路采用永臨結(jié)合 即按規(guī)劃道路位置做好水泥穩(wěn)定層和混凝土中間層,滿足建設(shè)期運(yùn)輸通行需要,建設(shè)后期施工瀝青混凝土面層,形成永久性道路,路寬6~10m。
4)資源準(zhǔn)備 組織10個(gè)泥工、20個(gè)機(jī)械操作工、40個(gè)汽車駕駛員、5個(gè)架子工、30個(gè)普通工人。聯(lián)系砂礫石供貨商,確保每天5 000m3供應(yīng)量,準(zhǔn)備40輛20t自卸汽車、4臺(tái)PC200挖掘機(jī)、7臺(tái)PC360挖掘機(jī)、4輛ZL50L輪式裝載機(jī)、6輛22t振動(dòng)式壓路機(jī)、2臺(tái)120型推土機(jī)、1臺(tái)C400平鋪機(jī)、1套PJS100噴漿設(shè)備。
5.1.2開挖施工
1)采用7臺(tái)PC360大型挖掘機(jī)從鍋爐端同步開挖,使用2臺(tái)PC200中型挖掘機(jī)修邊坡及挖土,第1層開挖深度5m,即挖至中間馬道高度,從鍋爐區(qū)域向空冷支架區(qū)域推進(jìn)。
2) 開挖第1層土方時(shí),第1層臨時(shí)道路被挖掉,所以開挖第2層土方時(shí),基坑內(nèi)還要再修1遍臨時(shí)道路。
3) 開挖第2層土方前先進(jìn)行基坑降水,34個(gè)深水井提前5d開始抽水,將地下水位降至-12.000m以下,確?;拥撞坎槐唤?。抽水由專人負(fù)責(zé)24h值班,防止水泵空轉(zhuǎn),持續(xù)到基坑換填至-7.000m以上時(shí),可以停止。
4) 第2層機(jī)械開挖深度3.5m,留0.5m采用人工修土,減少基底土擾動(dòng)。其中人工修土緊跟挖掘機(jī)開挖進(jìn)度,以便挖掘機(jī)及時(shí)挖走人工修土部分。
5) 邊坡修筑采用PC200挖掘機(jī)結(jié)合人工輔助,要求基坑邊線順暢、邊坡角度一致、平面高度一致。邊坡修筑成型后盡快進(jìn)行噴漿護(hù)坡處理,確保邊坡穩(wěn)定。
5.1.3邊坡噴漿支護(hù)
1)基坑開挖邊坡修筑成型后即開始邊坡噴漿支護(hù),先進(jìn)行第1遍噴漿,再安裝鋼絲網(wǎng),鋼絲網(wǎng)規(guī)格為φ4@200,鋪到斜坡后,按1 000mm間距插入直徑20mm、長(zhǎng)500mm鋼筋,鋼筋外露5~10cm,鋼絲網(wǎng)與鋼筋綁扎牢固,然后進(jìn)行第2遍噴漿。
2)噴漿范圍為第1級(jí)斜坡面延伸至原始地面1m寬度。
3)噴漿砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M10,坍落度不宜過(guò)大,以設(shè)備能噴出為標(biāo)準(zhǔn),以便加速砂漿凝固而不流淌。噴漿面在12h后灑水養(yǎng)護(hù)3d,灑水量不宜過(guò)大,以保持混凝土面濕潤(rùn)為宜。
4)由結(jié)果可知,基坑邊坡安全穩(wěn)定,未出現(xiàn)下沉、滑坡、開裂等現(xiàn)象,取得較好效果。
1)換填料采用阿克蘇河附近級(jí)配良好的天然砂礫石,最大粒徑≤200mm,石料純凈、粗顆粒(粒徑>5mm)含量為81%~90%,含泥量<3%,鋪筑過(guò)程中,需人工摻合攪勻分布不均勻的粗細(xì)顆粒。換填料含水量控制在5%~8%,以碾壓時(shí)擠出水分、不產(chǎn)生積水為宜。
2)換填范圍為基坑內(nèi)-9.000~-5.000m,按每層虛鋪400mm進(jìn)行控制,大面積區(qū)使用平鋪機(jī)鋪裝,局部人工修整,表面應(yīng)平整順暢,厚度偏差<50mm。
墊層碾壓順序如下:底部原狀土壓路機(jī)平碾1遍(不振動(dòng)),每層虛鋪平整后先平碾1遍,然后振動(dòng)碾壓密實(shí),每層碾壓6~8遍,壓路機(jī)行駛速度控制在2km/h左右,墊層最后1層施工后需平碾1遍,使墊層達(dá)到一定平整度。每層碾壓結(jié)束后,對(duì)碾壓質(zhì)量進(jìn)行取樣檢測(cè),壓實(shí)系數(shù)≥0.97,每層每200m2取1組試驗(yàn)。每層每個(gè)區(qū)塊必須在取樣試驗(yàn)合格后才能施工上一層。對(duì)檢測(cè)不達(dá)標(biāo)的部位進(jìn)行返工處理,并重新進(jìn)行檢測(cè),直至達(dá)標(biāo)。砂礫石碾壓墊層承載力特征值≥600kPa,變形模量≥85MPa?;靥钪猎O(shè)計(jì)標(biāo)高后委托第三方有資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行地基承載力試驗(yàn)和動(dòng)探試驗(yàn),并出具檢測(cè)報(bào)告。
3)回填作業(yè)必須在基坑干燥狀態(tài)下進(jìn)行。
4)挖出1∶6斜坡,由廠區(qū)道路坡向鍋爐房基坑底回填800mm厚戈壁料,并灑水碾壓密實(shí),通道寬6m,兩側(cè)斜坡放坡1∶1,表面做噴漿支護(hù)。待完成主廠房和空冷支架區(qū)域挖土后,在適當(dāng)位置增加1~2處下基坑車輛通道,做法相同,以減小運(yùn)距,提高回填效率。
5)分層分段回填夯實(shí)時(shí),需注意填坡搭接,做好接槎,修筑1∶2階梯形邊坡,每級(jí)臺(tái)階高0.5m、寬1m,夯跡重疊0.5~1.0m,上、下層錯(cuò)縫距離≥1m。接槎縫部位不得留在基礎(chǔ)、墻角、柱墩等重要部位。
1)速度快 由于組織管理高效,工序銜接緊湊,設(shè)備投入充足,從開挖到完成驗(yàn)收并交付墊層施工共77d,比預(yù)期提前13d。開挖量共27萬(wàn)m3,換填12萬(wàn)m3。
2)造價(jià)低 以當(dāng)?shù)刎S富且廉價(jià)的天然級(jí)配砂礫石做回填料,95%以上工作均為機(jī)械作業(yè),工期短,管理成本低,比其他方案節(jié)約投資1 000萬(wàn)元以上。
3)后續(xù)施工連貫 換填完成后無(wú)養(yǎng)護(hù)間歇停頓,也無(wú)二次開挖或樁基處理,而是直接施工基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),且換填后場(chǎng)地平整開闊,為后續(xù)施工提供方便。
4)地基穩(wěn)定可靠 該項(xiàng)目投產(chǎn)已4年多,基礎(chǔ)可靠,運(yùn)行穩(wěn)定,未發(fā)現(xiàn)因沉降造成的墻面或地面裂縫,也未發(fā)現(xiàn)管溝開裂或池體滲漏,累計(jì)最大沉降量<60mm,遠(yuǎn)小于規(guī)范允許的200mm,沉降數(shù)據(jù)偏差小且均勻,達(dá)到預(yù)期效果。
本工程實(shí)踐證明,只要施工質(zhì)量控制到位,砂礫石換填承載力可達(dá)到600kPa,且施工方法簡(jiǎn)單、造價(jià)較低,為類似工程施工提供借鑒和經(jīng)驗(yàn)。