快速夯實RIC 工藝在大型機(jī)場人工島填海項目中的應(yīng)用與研究

黃志文，李書瑭

（1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2. 中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

在大面積填海造陸項目中，常用的密實處理工藝有強(qiáng)夯法、分層碾壓法及振沖密實法等，但以上工藝均存在不足之處：強(qiáng)夯法，振動影響范圍廣、施工噪音大、設(shè)備凈空高，對施工邊界條件要求較高，不適用于工況復(fù)雜區(qū)域施工；分層碾壓法，一般分層厚度0.3 m 左右，施工效率慢，且不能與大規(guī)模一次吹填成型工藝相匹配；振沖密實法，設(shè)備凈空高，對回填料黏粒含量有嚴(yán)格的要求等。本文以香港國際機(jī)場第三跑道填海工程（以下簡稱香港三跑工程）施工為例，闡述在復(fù)雜工況條件下，快速夯實工藝的成功應(yīng)用。

1 項目概況

香港三跑工程位于香港現(xiàn)有機(jī)場北側(cè)，香港口岸人工島項目西北側(cè)，回填區(qū)總面積約650 hm2，回填總量9200 萬m3，主要采用砂或合規(guī)替代材料回填，少部分采用公眾填料?；靥顓^(qū)的地基處理主要采用水上排水板+陸上水泥攪拌樁、水上深層水泥攪拌、陸上深層水泥攪拌、振沖密實等方式。本工程回填施工分為砂墊層、砂墊層～-1.0 mPD（PD 為香港高程基準(zhǔn)面）、-1.0～+2.5 mPD、+2.5 mPD 以上回填4 個階段，其中+2.5 mPD 以上為陸上回填，要求相對壓實度95%及以上。

2 工藝應(yīng)用背景

香港三跑工程具備工程規(guī)模大、施工技術(shù)要求高、安全環(huán)保監(jiān)管嚴(yán)等特點，是國際大型填海項目要求最高的項目之一。對于施工而言，限制條件主要體現(xiàn)在對設(shè)備凈空高度、施工噪音以及工期等方面。在凈空高度限制方面，由于毗鄰的第二跑道處于運營當(dāng)中，工程建設(shè)過程中，為保障航空安全，對施工設(shè)備的限制高度極為嚴(yán)苛，特別是臨近二跑道附近區(qū)域限制高度在+7.1～+15 mPD。這在一定程度上決定了陸上回填密實工藝可選范圍的局限性。

原設(shè)計文件要求陸上回填密實采用分層碾壓，但0.3 m 一層的攤鋪厚度與水力吹填工藝不匹配，且分層碾壓需預(yù)留大面積的回填、碾壓及檢測等工序工作面，且工期也不能滿足要求。為此，需結(jié)合機(jī)場邊界條件，研究投入一種可與一次性吹填工藝相匹配的密實工藝。經(jīng)項目團(tuán)隊調(diào)研、實地踏勘、典型試驗等，逐項排除了強(qiáng)夯法及振沖密實法，最終選取快速夯實工藝作為陸上回填密實工藝[1-7]。

3 原理及特點

快速夯實原理為：液壓缸將夯錘提升至一定高度后釋放，夯錘在重力和液壓蓄能器的共同作用下加速下落，落下后打擊靜壓在地面上帶緩沖墊的夯腳，再通過夯腳夯擊地面，實現(xiàn)對地基土的密實處理。

與傳統(tǒng)的強(qiáng)夯相比，其作用力峰值小，擊打頻率高，具有作用柔和的突出特點，有防揚塵、防飛濺的功能。與傳統(tǒng)的表層碾壓技術(shù)（壓路機(jī)等）相比，其貫穿能力強(qiáng)而均勻，在基礎(chǔ)處理中不易形成表層硬結(jié)，可在較大的深度范圍內(nèi)獲得較均勻的密實度。

4 工藝施工

4.1 工藝流程

結(jié)合工藝特點，快速夯實施工流程及順序如圖1 所示。

圖1 快速夯實流程圖Fig.1 The construction flow chart of RIC

4.2 施工參數(shù)的設(shè)定

4.2.1 設(shè)備選型

香港三跑工程陸上回填密實處理厚度平均約4.0 m，查閱相關(guān)資料并經(jīng)試驗施工驗證，選取的夯錘型號為HC 84（圖2），對應(yīng)夯擊能為84 kJ，其中夯錘工作重量約12 t，配套采用SH 490 型挖掘機(jī)組合施工。表層碾壓所選用壓路機(jī)自重約18 t，最大激振力不少于200 kN。

圖2 快速夯實機(jī)現(xiàn)場圖Fig.2 Field photo of RIC

4.2.2 含水率的控制

香港三跑工程主要回填料為海砂、機(jī)制砂，砂料含泥量少于20%，根據(jù)實驗室擊實實驗，砂料最佳含水率在11%～12%?，F(xiàn)場施工時，為滿足含水率要求，施工前安排灑水車或水泵灑水作業(yè)。

4.2.3 夯點間距

結(jié)合快速夯實機(jī)夯擊能量及夯板尺寸規(guī)格（夯板尺寸分為1.0 m 及1.25 m 兩種），夯點間距D 取2.5 m，夯點采用梅花形布置，分3 遍夯實（圖3）。夯板尺寸的選擇根據(jù)土質(zhì)情況而定，對于含泥量低的海砂，夯板可選1.25 m 大尺寸，提高其夯擊能的擴(kuò)散效果。

圖3 夯點布置圖Fig.3 Layout plan of RIC points

4.2.4 夯擊次數(shù)及表層壓實處理

RIC 收錘標(biāo)準(zhǔn)（單個夯點的總夯擊次數(shù)的確定）取決于最后三錘夯擊沉降量，根據(jù)現(xiàn)場施工測量、統(tǒng)計，夯擊次數(shù)達(dá)到50 擊后，最后三錘沉降量少于30 mm。依據(jù)現(xiàn)場試驗區(qū)施工檢測結(jié)果，擬定的夯擊次數(shù)為50 擊，可滿足地基檢測驗收的設(shè)計要求。

快速夯實施工后，現(xiàn)場留存的沉降孔洞，需采用推土機(jī)進(jìn)行整平，并碾壓密實?？偰雺罕閿?shù)為8～10 遍。

4.3 壓實度檢測

常用的壓實度檢測方法為灌砂法和核子密度儀法，這兩種檢測方法一次檢測深度為0.3～0.5 m，對于深層密實處理回填土，需開挖檢測斷面，如需檢測4 m 深度回填土，開挖工程量非常大，且面臨后續(xù)回填后再處理的問題。因此需結(jié)合地質(zhì)勘察方式，選用其他合適的檢測方式及判定標(biāo)準(zhǔn)來檢測深層地基土壓實施工質(zhì)量。

4.3.1 檢測方式、方法

經(jīng)過綜合分析，本項目首次提出采用靜力觸探（CPT）作為質(zhì)量檢測驗收方法。根據(jù)國外相關(guān)學(xué)術(shù)論述，CPT 錐尖阻力值qc可按照經(jīng)驗公式轉(zhuǎn)為相對密實度。根據(jù)Jamiolkowski（1985）經(jīng)驗公式：

式中：Dr為相對密實度，%；qc為CPT 錐尖阻力值，t/m2；σ′v0為垂直有效應(yīng)力，t/m2。

相對密實度不同于相對壓實度，根據(jù)Lee and Singh（1971）的論述，相對壓實度與相對密實度的相對關(guān)系可用式（2）表述：

式中：Dr為相對密實度，%；R 為相對壓實度，%。

綜合以上2 個公式，可得出相對壓實度與CPT 的qc之間的關(guān)系，因此，理論上用CPT 來檢測壓實效果是否達(dá)到設(shè)計要求的壓實度是合理可行的。

4.3.2 檢測標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計要求相對壓實度不少于95%，將數(shù)值代入上述公式后，可得出Dr=0.75，對應(yīng)不同深度的qc值如表1 所示。

表1 不同深度qc 要求值Table 1 Required value of qc at different depths

在實際施工中，由于表層土的CPT 值檢測偏差較大，為避免干擾檢測值的合格判定，表層600 mm 采用常規(guī)的灌砂法檢測相對壓實度。

以此為理論依據(jù)，香港三跑工程密實工藝經(jīng)設(shè)計變更后，政府部門屋宇署批準(zhǔn)快速夯實的CPT 驗收標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 CPT 驗收標(biāo)準(zhǔn)Table 2 CPT acceptance criteria

4.4 工效分析

現(xiàn)場施工統(tǒng)計，快速夯實夯錘施工頻率約20 錘/min，每個點50 擊，單點夯擊用時約2.5 min，考慮移機(jī)、定位等時間，單點完成夯實總時間5 min 左右，每小時完成夯點12 個。依據(jù)擬定的工藝參數(shù)，可得出工效為37.5 m2/h，按照每日有效作業(yè)時間14 h 計，每月平均工作25 d，單臺設(shè)備月均產(chǎn)能可達(dá)13125 m2（按平均處理深度4 m考慮，對應(yīng)處理工程量為52500 m3）。

5 檢測結(jié)果分析

快速夯實工藝在正式投入施工前，項目團(tuán)隊在施工區(qū)域外及施工現(xiàn)場均進(jìn)行了多輪次的試驗施工，獲取了大量相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，助推該工藝在香港地區(qū)得以首次用于工程實體，取得了突破性進(jìn)展。

5.1 靜力觸探（CPT）及標(biāo)準(zhǔn)貫入檢測（SPT）

試驗施工階段，按照施工前、第1、2 遍夯擊后及最后碾壓密實后分別檢測，總檢測次數(shù)為4輪，每一輪檢測點位均設(shè)置在夯點形成的中心最薄弱處。

具體檢測點位布置如圖4 所示。

圖4 檢測點位布置圖Fig.4 Layout plan of testing points

對CPT 檢測結(jié)果進(jìn)行分析，見圖5，每一遍夯擊后，+2.5 mPD 以上回填土的qc值均得到了有效提升，特別是第3 遍夯擊后，表層1.0～2.0 m 深度的qc值提高4～8 MPa，提升較為明顯，土壤整體強(qiáng)度得到了有效提高。

圖5 試驗階段CPT 檢測結(jié)果Fig.5 CPT testing results in trial stage

從圖5 也可以看出，+2.5 mPD 以下qc值增長逐步減少，土壤強(qiáng)度增長逐步減弱，夯擊能傳遞深度有限。

現(xiàn)場大范圍施工后，從驗收檢測結(jié)果來看，基本與試驗階段一致，CPT 的qc值均基本滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)要求，見圖6。

圖6 正式施工階段CPT 檢測結(jié)果Fig.6 CPT testing results in formal construction stage

SPT 作為輔助檢測手段，主要用于試驗階段校核CPT 值是否出現(xiàn)大的偏差，進(jìn)一步判定壓實土的地質(zhì)特性。同時，根據(jù)本項目回填土物理力學(xué)特性，通過對SPT 和CPT 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，推算適用于本項目的SPT 與CPT 之間的函數(shù)關(guān)系：qc=0.6N。

5.2 灌砂法（SRT）及核子密度儀法（NDT）

試驗階段，灌砂法及核子密度儀法用于校核CPT 及SPT 檢測結(jié)果，采用逐層開挖，分層檢測，見圖7。

圖7 SRT 檢測斷面設(shè)置示意圖Fig.7 Schematic diagram of SRT testing section setting

經(jīng)過現(xiàn)場檢測，SRT 及NDT 檢測結(jié)果進(jìn)一步證實快速夯實工藝的處理效果可滿足設(shè)計要求，不同深度范圍內(nèi)SRT 檢測結(jié)果見圖8。

圖8 試驗階段SRT 檢測結(jié)果分析Fig.8 SRT testing result analysis in the trial stage

現(xiàn)場大范圍正式施工后，僅表層600 mm 采用SRT 進(jìn)行檢測，分兩級進(jìn)行，每級檢測厚度為300 mm。相比原設(shè)計，檢測數(shù)量大幅降低，檢測進(jìn)度可較好地滿足場地交付驗收要求。

6 結(jié)語

快速夯實工藝國內(nèi)常用于道路補(bǔ)強(qiáng)等局部施工，在大型填海項目中尚未有具體應(yīng)用，該新工藝在香港屬于首次成功實施，為將來在香港和大陸推廣應(yīng)用提供很好的參考借鑒。

快速夯實工藝經(jīng)過試驗及現(xiàn)場施工的論證，選定的84 kJ 夯擊能的RIC 設(shè)備，其有效處理深度可達(dá)4 m 左右，能與一次性水力吹填工藝相互匹配，極大地保障了現(xiàn)場施工進(jìn)度。同時，由于其環(huán)保性能好、工效相對較高、成本節(jié)約等諸多優(yōu)勢，可應(yīng)用于各種復(fù)雜工況條件下的地基土密實處理施工，能有效彌補(bǔ)強(qiáng)夯、振沖密實等對凈空、噪音、振動影響及土質(zhì)要求等方面的不足，具有較大的推廣應(yīng)用價值。