黄河三角洲沿海滩涂井场填方设计与施工

张化民， 于彦江， 秦如雷， 陈根龙， 冯起赠， 邵玉涛， 李 强

(1.中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000； 2.广州海洋地质调查局，广东 广州 510075；3.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东 济南 250101)

1 工程简介

为满足项目研究需求，中国地质调查局“海域天然气水合物陆地试采工程”项目组在黄河三角洲地区建设了一处钻井试验基地。该钻井场地位于山东省东营市刁口乡附近，距海岸线1 km左右。场地面积14680 m2，运营周期2年。

该地区属黄河三角洲冲积海积平原区沿海滩涂(见图1)，表层为第四系全新世松散沉积物，厚度300～500 m，主要地层岩性为粘土、粉质粘土、粉土、粉细砂、中砂等。场地选址区域内1 m深度范围内的表层土体为粉砂质粘土，土体成分见表1，基本性能参数见表2。

图1 井场选址原始地貌Fig.1 Original topography of well site

Table 1 Composition of surface soil in drilling site%

表2 表层土基本性能参数Table 2 Basic parameters of surface soil

该钻井场地具有以下特点：

(1)场地建设标准高：该场地为地质调查项目试验基地，运营时间为2年。不同于一般的钻井施工，因其科研基地的性质和较长的使用时间，该场地的地面承载力、场地平整度、围挡结构防风能力、场地临时生活设施和场地供水供电能力的建设标准均超过《钻前工程及井场布置技术要求》(SY/T 5466-2013)[1]的最高规定。

(2)区域环保要求高：黄河三角洲地区有我国暖温带最广阔的河口湿地，是物种保护、候鸟迁徙和河口生态演替的重要地点，同时具备河口湿地、三角洲湿地和滨海湿地的特点，生物资源丰富，但生态环境异常脆弱，对人类活动影响有很强的敏感性。该区域的气体、水排放和噪声等环保指标有严格的要求。依据《中华人民共和国自然保护区条例》和《山东省湿地保护办法》的有关规定，对自然保护区造成破坏的工程活动，主体单位承担经济惩罚的同时还要追究法律责任。

(3)土体改造难度大：该区域表层粉砂质粘土存在微振液化现象[2]，在外界振动的作用下，土体中孔隙水压力不断增大，土体有效应力会降为零，土粒处于悬浮状态，土体强度完全丧失。

这种土体特性会造成2个问题，一是场地平整压实过程中，不可以采用振动压实，不然会适得其反，越振动土体越松散。二是场地建设完成后，由于地下水位的反复升降,加上施工作业中的微振作用,引起饱和细粒土地基的液化及不均匀沉降,导致地面开裂、破损,将严重影响场地的使用[3-4]。

本文主要对黄河三角洲的沿海滩涂井场的填方方案和施工过程进行论述。

2 填方施工

2.1 地基处理方案选择

通过对土体的特殊工程特性和场地使用期间的承载力要求进行分析，该场地内土体填方施工应结合地基处理同时进行[5-7]。该地区的地基处理方法主要包括强夯法、灰土垫层法和粉喷桩法等[8]。

强夯法[9-10]：试验区地下水位较高，当夯击能大时,拔锤后夯坑内迅速积水,导致大部分夯击能被地下水所消耗。同时由于土层较软,造成排水不利,孔压居高不下,对夯击能往深部传播不利,真正用于深部土层加固的能量不足。另外,还可能由于夯击间歇和夯击过后孔隙水压力没有完全消散,导致强度指标降低。所以采用强夯法时,应该考虑增长夯击间歇和加强抽排水措施。

灰土垫层法[11]：灰土垫层的材料为石灰和土，石灰和土的体积比一般为3∶7或2∶8。灰土垫层的强度随用灰量的增大而提高。灰土垫层处理黄河三角洲地基是一种以土治土、原位处理地基的办法。灰土垫层以土料为主,造价较低,是一种比较经济的地基处理方法。它的缺点是施工受气候、环境和地下水的影响较大,现场施工质量必须从严控制。

粉喷桩法[12]：它是通过特制的深层搅拌机械,在加固深度范围内把水泥粉与切碎的软土地基原位强制搅拌,利用水泥粉和地基土间产生的一系列物理、化学反应,使地基土硬结成具有整体性、稳定性和一定强度的水泥土柱状体。该水泥搅拌桩与软土地基一起构成复合地基,达到加固软土地基的目的。其特点是不会使邻近土体受压变形产生地面隆起、损坏、松动,施工文明,无坍孔与缩径之忧，搅拌无噪声、无振动、无排污,对周围环境和建筑物无不良影响，还可节约基础开挖土方及配筋等费用，社会效益和经济效益都较好。

3种地基处理方法效果、造价和工期对比见表3。

表3 地基处理方式对比Table 3 Comparison of foundation treatment

过对比分析可知：灰土垫层处理方式在工期和造价方面都优于其他两种方式，在承载力方面虽然低于粉喷桩，但也能满足承载力要求。

其次，灰土垫层的透水性很差，可以形成隔水层，隔绝地下水与地表水的渗透路径，有利于杜绝工程污水对地下水的污染[13-15]。强夯法和粉喷桩法需要使用强夯机或钻机等重型专用机械，而灰土垫层仅需使用简单的机械和人工。重型机械的使用存在废气和噪声污染的问题，所以灰土垫层法在环保方面优于其他两种方法。

综合考虑环保、工期、造价和适用性等方面因素，本次填方施工采用灰土垫层的地基处理方案，并且在灰土垫层施工中严格控制施工质量。

2.2 填方方案设计

依据场地内不同区域的使用情况，将场地划分为重载区和轻载区。重载区包括：钻机施工区域、发电机和泥浆处理设备区和场内道路。

轻载区包括：生活区、库房等不存在重型机械和车辆活动的区域。

两种区域采用不同的回填方案。

轻载区方案：素土回填找平+200 mm灰土垫层+100 mm碎石面层。

重载区方案：建筑垃圾回填找平+200 mm灰土垫层+100 mm碎石面层。

填方施工工序和流程见图2。

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

填方施工中投入的机械和工时见表4。

表4 井场填方施工机械Table 4 Well site backfilling construction machinery

2.3 灰土垫层工程质量控制

灰土施工情况见图3。灰土垫层的施工质量是该填方方案的关键，为保证工程质量，采取了以下灰土垫层质量控制措施[16]：

(1)土料采用优质填方素土,其中不得含有有机杂质，使用前要过筛，粒径≯15 mm。

(2)用作灰土的熟石灰在使用前一天浇水，将石灰粉化并过筛,粒径≯5 mm，不得夹有未熟化的生石灰块。

(3)灰土拌合时，根据气温和土料的湿度适当浇水，拌好的灰土颜色要求均匀一致,含水量以用手紧握成团、轻捏即碎为宜。

图3 灰土垫层施工Fig.3 Construction of lime-soil cushion

(4)拌好后的灰土应及时铺垫碾压,不得隔日使用,压实的灰土不得受水浸泡。

(5)灰土垫层采用分层压实的办法来进行施工,虚摊厚度为100 mm。

(6)灰土垫层采用碾压压实，而不是传统的夯打。

(7)灰土的质量逐层进行检验,每压实完一层检验一次,当符合设计要求后方可铺垫上层。土的质量检验采用环刀取样测定其干密度,质量标准按压实系数鉴定,压实系数控制在0.98,承载能力达到150 kPa为合格。

3 施工效果

该场地填方工程于2018年1月16日开工，2月20日完工，历时45 d，因春节放假原因，实际有效工作时间35 d。施工费用见表5。因施工过程控制精准，调度计划合理，提前5 d完工，为后续工作争取了时间，同时施工费用也比预算低8万多元。

表5 施工费用统计Table 5 Construction cost statistics

经第三方检测，该填方工程质量合格，承载力达到了设计要求。

施工完成后的场地见图4，场地使用中的情况见图5。

图4 铺垫完成的场地Fig.4 Site completed by backfilling

图5 使用中的场地Fig.5 Site in use

4 结语

总结该黄河三角洲沿海滩涂井场填方施工的经验如下：

(1)填方全程采用静压压实填土，避免了孔隙水上升、土体产生微振液化效应，从而保证了填方工程的施工质量。

(2)在面层下铺设灰土垫层，既保证了地基承载力，又有效隔离了地下水上升通道和地表水下渗通道，切断了微振液化的根源，同时杜绝了场地内工程污水的下渗。

(3)将填方分为重载区和轻载区，采用不同的填方方案，既充分发挥了现有建筑垃圾成本低、承载力高的特点，又克服了原料数量不足的问题。既满足了承载力要求，又节约了成本。