圣多美和普林西比首都国际机场改扩建岩土工程特性与治理方法

夏玉云, 柳 旻, 邵兵厂, 王 冉, 黄乾峰, 刘云昌

(1. 机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西西安710043;2. 陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室,陕西西安710043)

0 引 言

随着我国对外工程承包业务的蓬勃发展,常会遇到国内未见或少见的特殊岩土地质条件,地质风险显著增加。针对国外岩土工程特性的研究主要集中在大陆区域内,涉及的地层层序较为稳定(冷红蕾等,2007;戴根宝等,2011),但对大洋中的海岛区域,涉及表层多旋回成岩及风化等复杂场地的研究较少。圣多美和普林西比首都国际机场改扩建场地的岩土复杂多样,软土、有机土、多旋回火成岩广泛分布在陆域及海域场地中,若处理不当,将在工程建设过程中引发严重的工程地质问题,故以机场为研究区,对其工程特性、工程治理方法进行分析研究,为同类海外岩土工程建设提供参考。

1 工程概况

根据圣多美和普林西比首都国际机场改扩建项目要求,陆域工程勘察工作的主要范围为跑道西侧延伸方案(比较方案)区域、净空处理区及航站区(包括扩建停机坪、新建动力中心、新建消防站);海域工程勘察范围为跑道东侧海域延伸方案区域(护岸和填海区)。

根据我国《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)(以下简称《岩规》)和《民用机场勘测规范》(MH/T 5025—2011)有关规定,拟建建(构)筑物工程重要性等级可按一级(飞行区指标II为C、D、E)考虑,场地复杂程度等级为一级场地(复杂场地),地基复杂程度等级为一级(复杂),岩土工程勘察等级为甲级。

2 岩土工程勘察

2.1 勘察要求及勘察工作量

按照陆域工程勘察要求,查明场地内地层结构以及岩土层的类型、深度、分布、工程特性;查明地下水的类型、埋藏条件及水位变化特征;查明场地的不良地质作用;进行建筑抗震地段和建筑场地类别划分,对场地和地基的地震效应进行分析;对基础类型、地基处理方案等进行分析评价并提出建议。

海域工程勘察的目的是查明研究区内特殊岩土的物理力学性质,特别是软土(包括淤泥、淤泥质土、淤泥混砂等)的物理力学性质,评价其沉降状况,分析对工程的影响,并判断其在地震作用下震陷的可能性。特别要查明软土及下卧层的成层条件,软土中含砂夹层在水平和垂向的分布特征,并提供软土的先期固结压力、压缩系数、固结系数、渗透系数和抗剪强度等指标。

陆域布置钻孔92个,孔深4.2～40.0 m,总进尺2 196.3 m;采用跑道东侧海域延伸580 m方案,海域布置钻孔36个,总进尺1 240.6 m(表1)。

表1 勘察工作参数布置

2.2 研究区工程地质条件

2.2.1 地形地貌 研究区位于圣多美和普林西比民主共和国(圣普)首都圣多美。圣多美岛地处大西洋几内亚湾,四面环海,概略地理坐标为北纬0°21′,东经6°44′。圣多美岛属火山岛,地势崎岖,多山峰,除沿海平原外,岛上大部为玄武岩山地,最高峰圣多美峰海拔2 024 m。拟改扩建的圣多美机场位于圣多美岛东北部,周边环境及市政配套设施良好,交通便利(图1)。

图1 拟建项目场地位置示意图Fig. 1 Schematic diagram of the site location of the proposed project

自西往东,研究区地貌呈台地(Ⅰ区)—河谷(Ⅱ区)—滨海平原(Ⅲ区)—海岸及水下岸坡(Ⅳ区)—水下岸坡(Ⅴ区)的分布规律。机场跑道西侧比较方案的场地和净空区主要由火山岩台地及河谷组成,台地顶部地形较平坦,荒草丛生,农田较少;河谷地带位于台地与机场之间,地势低洼,地形较平坦,现为农田,植被茂密,中间发育小河;机场航站楼、消防区域等为海岸平原,地形平坦,勘探点孔口高程为8.16～9.37 m。拟扩建的延伸跑道区域位于滨海地带,由海岸和水下岸坡组成,地形较平坦,勘探点孔口泥面高程为-6.45～0.87 m,勘测期间水深<8 m。

2.2.2 区域地质及地震概况 圣多美和普林西比与其他一些小岛共同组成圣普列岛,位于几内亚湾,在地质上属喀麦隆火山线。圣多美为一层状火山岛,高约5 000 m,从深海平原上升到海拔2 024 m,主要由多旋回的溢流玄武岩(m0、m1)和火山碎屑岩(pi0、pi1)等组成。局部表层覆盖有冲积层(a)、海滩砂(ap)、海滩砾石(cp)等第四纪松散堆积物。拟建场地区域构造和地质图分别见图2、图3。

图2 研究区区域构造图1-全新—更新世红土;2-新近纪响岩;3-新近纪玄武岩;4-中新世粗面岩;5-白垩纪石英砂岩Fig. 2 Regional structural plan of the study area

图3 研究区区域地质示意图1-冲积层;2-溢出玄武岩;3-提升海滩;4-喷发玄武岩;5-海滩砂;6-研究区范围Fig. 3 Regional geological schematic map of the study area

研究区主要由第四纪松散堆积物和圣多美火山群新老两个阶段旋回火成岩组成,以玄武岩为主。圣多美岛现存构造受到了喀麦隆线的火山-构造排列的影响,确定有3个主要断层方向:一为NE-SW向,占主导地位,与岛的延伸方向相吻合;其余为N-S和NNE-SSW向。

研究区地质构造活动相对复杂,周边发育较多断层,鉴于区内无火山喷发记录,火山锥的形态显示其年龄均>1万a,且无明显的地震活动记录,可以认为该区发生火山活动的可能性很低。结合现场调查,未见全新世活动性断裂通过。

2.2.3 水文气象 研究区位于圣多美岛北部,为热带雨林气候,10月至次年5月为雨季,6—9月为旱季,年降水量500～1 400 mm,雨季降水量约占全年降水量的95%,全年主导风向为南风。

根据圣多美机场气象站1960—2010年逐日降水量、气温、相对湿度以及1976—2003年风速资料,得到各气象要素特征值(表2)。

表2 研究区气象要素特征值

2021年1月1日—2022年5月31日共17个月的潮位观测资料显示,研究区海域为典型半日潮型:最高潮位为1.601 m,最低潮位为-0.757 m,潮位平均值为0.427 m;最大潮差2.071 m,最小潮差0.363 m,平均潮差1.147 m;平均涨潮历时6.36 h,平均落潮历时6.06 h。

2.2.4 不良地质作用与特殊性质岩土 根据现场地质调查和勘探结果,研究区无明显的地质构造活动,未发现影响工程建设的不良地质现象,场地基本稳定。

研究区的特殊岩土体特征:跑道东侧延伸区海域的海相淤泥和有机土的工程性质特殊,属软弱土层;全区下伏发育第四纪更新世多旋回火山岩,岩性不一,差异风化明显,局部成岩作用差。

2.2.5 地层结构及主要物理力学性能指标 根据钻探、原位测试及室内试验结果,结合已收集的地质资料,研究区场地(陆域和海域)地基岩土按其形成年代、成因类型和工程性质可分为2个地层单元,共4个大层13个亚层(表3),地层空间分布见图4,地基土的主要物理力学性能指标见表4。

图4 典型工程地质剖面示意图(图例颜色代表不同地层单元,不代表具体岩土层)第一地层单元: 第四纪松散堆积物(陆域)(层①) 第一地层单元: 第四纪松散堆积物(海域)(层②)第二地层单元: 第四纪多旋回火成岩(层③) 第二地层单元: 第四纪多旋回火成岩(层④)Fig. 4 Schematic diagram of representative engineering geological section(The color of the legends represents different stratigraphic units, not specitic rock layers)

表3 研究区地层特征及空间分布

表4 地基土的主要物理力学性能指标平均值

2.2.6 地下水 根据水位测量结果,台地Ⅰ区稳定水位埋深为0.30～5.60 m,水位标高为16.26～32.25 m,地下水主要以潜水形式赋存于风化基岩裂隙中;雨季降水集中期有部分降水滞留于表层松散堆积物中。

河谷Ⅱ区和平原Ⅲ区的稳定水位埋深为0.10～5.30 m,水位标高为0.83～11.46 m,近于地表,地下水以潜水形式赋存于第四纪松散堆积物和风化基岩中,局部为上层滞水。地下水主要接受大气降水补给,其中河道区域的地下水接受上游河流补给,经山坡和河道流入大海。

2.2.7 水土腐蚀性 按《岩规》有关规定进行判定。拟建场地环境类别为Ⅱ类,地基土对混凝土具有微腐蚀性,对钢筋混凝土中的钢筋具有微腐蚀性,对钢结构具有微腐蚀性。

在工程区域采取3组地下水和2组海水试样进行水质简分析,地下水和海水的腐蚀性评价分析结果(表5)表明,工程海域宜做好相关建筑物材料及构件的腐蚀防护措施。

表5 水腐蚀性评价

2.3 场地地震效应

2.3.1 波速测试 对13个点位进行多道瞬态面波(瑞雷波)测试,获取各岩土层的剪切波速,用以划分场地土的类型及建筑场地类别。表6为现场面波测试资料的分层统计结果。

表6 面波测试结果

根据我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010,2016版)和《水运工程抗震设计规范》(JTS 146—2012)有关标准,结合现场钻探情况,拟建场地航站区(Ⅲ区)覆盖层<3 m,场地类别为Ⅰ1类,属抗震有利地段;近岸区域(Ⅳ)地层为中软—坚硬土,覆盖层厚度为3～50 m,估算剪切波速>250 m/s,拟建建筑场地类别可按Ⅱ类设计,拟建区域属抗震一般地段。

2.3.2 抗震设防烈度和设计基本地震动加速度 根据USGS National Earthquake Information Center(2023), 1904—2023年期间,拟建场地1 000 km范围内发生了38次地震,其中震级最大的是1939年发生在加纳的M6.4地震;拟建场地500 km范围内发生了19次地震,震级最大的是2019年发生在圣多美岛SE约34 km的M5.5地震,拟建场地无震感。

根据《非洲地震风险:修正麦加利烈度图》(OCHA Regional Office for Central and East Africa, 2007),圣多美与普林西比地区修正麦加利地震烈度(50年超越概率20%)为Ⅵ度。

综上所述,结合该工程具体情况,可考虑研究区50年超越概率10%的地面峰值加速度取0.05g,相应的地震烈度按Ⅵ度考虑。设计地震分组可按第一组考虑,一般情况下可不进行砂土液化和软土震陷的判别和处理。

2.4 典型试验

2.4.1 固结试验 为确定软弱土层的固结速率,采取部分未扰动软土样进行固结试验,各压力下的指标统计结果见表7。

表7 固结试验结果

2.4.2 岩石单轴抗压强度试验 为查明场地岩石的工程力学性质,对场地的岩石进行了单轴饱和抗压试验(表8)。

表8 岩石单轴抗压强度试验结果

2.4.3 有机质含量试验 为测定软土的有机质含量,对试样进行有机质含量测定,试验方法为灼失量法。试验结果见表9。

3 研究区岩土工程评价

3.1 研究区稳定性、适宜性评价

研究区拟建场地5 km以内未见活断层,场地内及周边未发现岩溶、滑坡、采空区等不良地质作用和地质灾害,无埋藏的河道、沟浜、墓穴、防空洞、孤石等不利埋藏物。Ⅲ区和Ⅳ区的建筑抗震地段类别为有利地段—一般地段,场地基本稳定,地层分布稳定,工程性质良好—一般,适宜—较适宜工程建设;Ⅴ区位于海域,分布较厚的软弱土层,场地稳定性差,工程建设适宜性差。

3.2 地基岩土工程性质评价

研究区拟建项目涉及的工程建设场地主要分布在航站区(Ⅲ区)和跑道东延海域(Ⅳ、Ⅴ区)。上述区域的地基岩土主要由第四纪全新世海陆交互相沉积砂土人工填土和第四纪更新世火成岩及其风化产物组成,已揭露地层主要特征如下。

3.2.1 第一地层单元 ①1-1杂填土:黏土为主,湿—饱和,可塑,土质不均,混杂碎石和砾石,表层含腐殖质及植物根系,混建筑和生活垃圾,局部被混凝土面层覆盖,工程性质较差,在Ⅲ区广泛分布,厚度较薄,宜清除处理。

②1粗砾砂:饱和,松散为主,局部稍密或中密,因其为钙质砂,在标准贯入试验评价密实度时未考虑增加5击后评价。钙质砂具有孔隙比大和颗粒易碎性等特征,力学性质差,具有一定的不均匀性,在Ⅳ区中东部和Ⅴ区广泛分布,具有一定的厚度。

②2细中砂:饱和,稍密为主,局部松散或中密,由生物碎屑和石英长石组成,力学性质一般,具有一定的不均匀性,主要分布在Ⅴ区的中北区域,厚度变化较大。

②3淤泥和②4有机土层:泥炭质土,力学性质差。其中,②3淤泥层土质较均匀纯净;②4有机土层含有大量植物根系和腐殖质,混较多生物碎屑。该层在Ⅴ区广泛分布,厚度较均匀、稳定。

3.2.2 第二地层单元 松散堆积物之下即为旋回火山岩及其风化产物,其中含碎石黏土④1层,力学性质一般,均匀性差,分布较广泛,层面起伏不定,厚度不一。

研究区下伏多旋回火成岩,风化火成岩③层为较新的m0时期的玄武岩;风化火成岩④层为老的m1时期的火成岩,由玄武岩和火山碎屑岩等组成。

全—强风化玄武岩③1和火成岩④2,力学性质较好,岩体破碎,均匀性差,分布广泛,厚度不一。

中—微风化玄武岩③2和火成岩④3,岩体较破碎—较完整,较坚硬—坚硬岩,分布较广泛。

综上所述,在垂向上,地基土的力学性质自上而下总体呈变好的趋势,但各地基土层的工程性质也存在较大的差异变化;在水平方向上,砂土层分布略有变化,风化岩层面起伏较大,厚度不均匀,局部地层缺失。总体而言,建筑地基均匀性差。

就整个研究区而言,多旋回的火成岩的风化受原始地形地貌和岩体结构影响,各风化程度之间并不具有一个稳定、明显的界线;除发育玄武岩外,还发育火山碎屑岩,如角砾熔岩等,各岩性成岩作用差异导致基岩强度相差甚大。

4 地基基础方案

4.1 研究区航站区地基基础方案评价

研究区的陆域新建建(构)筑物主要在机场航站区,主要包括改扩建停机坪、新建动力中心和新增消防站,属轻型建(构)筑物,荷载小。该区域基岩埋深浅,地表0.40～1.70 m以下即揭露全—强风化玄武岩③1层和中—微风化玄武岩③2层,基岩工程性质良好,可作为基础持力层,可采用天然地基方案。

4.2 机场跑道东侧延伸段地基方案分析

拟将跑道向东延长580.0 m,海域范围内的陆域形成拟采用堆填方式,将陆域净空处理产生的土石方运输堆填到待造陆域,填海区宽170.0 m,总长723.5 m,护岸总长2 071.0 m。

4.2.1 人工地基分析 因填海工程不考虑围堰施工,对于水深较浅的区域,可对回填土进行分层碾压夯实(陈荣波,2017),质量合格后可作为地基持力层使用;对于水深较大的区域,无法进行分层碾压夯实,需对回填土进行地基处理,可考虑强夯等措施进行处理(杨国荣等,2010)。

4.2.2 天然地基分析 填海造陆区域位于Ⅳ区和Ⅴ区,其中Ⅳ区地质条件一般—较好,当该区域天然地基满足上覆荷载和要求时,可考虑采用天然地基方案。

Ⅴ区的浅部地层以松散的粗砾砂②1层(钙质砂)、稍密细中砂②2层、流塑状淤泥②3层和有机土②4层组成,地基条件较差,天然地基无法满足上覆荷载和变形要求,需对上述地层进行处理。

鉴于该区域的水深条件和浅部地层条件,结合陆域形成方案,可考虑采用强夯联合排水固结的处理方法:强夯主要处理陆域形成的回填土人工地基及天然的浅部松散粗砾砂②1层和细中砂②2层;排水固结主要处理淤泥②3层和有机土②4层,鉴于软土层较厚,且软土下部为含碎石黏土④1,排水条件差,在采用堆载预压法时,应设置塑料排水板。为减少工后沉降,宜采用超载预压处理方法。淤泥②3层和有机土②4层的次固结系数Cv建议取0.01～0.03。

当选择强夯方案时,强夯的有效加固深度应根据现场试夯或地区经验确定。

无论采用何种地基处理方案,工程施工前应先进行试验,选择合理的施工工艺和参数。

当上述方案不具备施工条件或满足不了设计要求时,也可以比较经济性及技术难度后采用复合地基或桩基方案。桩基设计岩土参数见表10(张学飞,2021)。

表10 桩基设计参数

5 地基基础施工中的有关岩土工程问题

研究区基坑开挖可根据需要进行放坡开挖或采取支护措施,根据各拟建建筑物基坑开挖深度及场地现状,回填土层可按表11中的坡率进行放坡,基坑开挖受限时应采取必要的支护措施。

表11 基坑开挖坡率及降水参数

勘察期间,赋存在浅部松散土体中的地下水为潜水,地下水位受降水影响较大,基坑开挖时应做好坡面防护及基坑周围地面的排水工作,防止雨水浸泡边坡土体。此外,基坑周围不宜堆载。

基坑开挖可采取基坑降水措施,宜采用基坑内集水明沟排水的施工方案。依据拟建场地室内土工试验及工程经验,基坑设计、降水所需设计参数采用表11推荐值。

勘察过程中发现的可能影响项目设计和施工的潜在风险源如下。

(1)航站区岩石地基对基坑开挖和基础埋深的影响。航站区基岩埋深较浅,基坑开挖应根据其深度范围内的岩土特征选择开挖工艺和设备,岩土层等级分类见表12。当岩体无法机械破碎时,应酌情考虑减小基础埋置深度,但深度不宜<0.5 m。

表12 各地层土石等级分类

(2)地下管线。拟建场地航站区的范围内存在地下管线,对于基坑开挖等施工可能有影响的地下管线应采取避让或其他有效保护措施。

(3)既有建筑。拟新建消防站紧邻机场货仓(老航站楼),基础施工前需考虑对相邻建筑物的影响。

(4)边坡支护。净空处理区和填海工程区均会形成边坡,应对相关边坡进行监测,必要时采取支护措施。

(5)堆载预压塑料排水板的施工。拟建项目场地的软土层上覆松散—稍密砂土,局部为中密状态,砂土中局部混杂珊瑚块,排水板施工选择工艺时应考虑上述因素的影响。

(6)拟建项目临海,注意盐雾腐蚀对拟建工程的影响。

(7)河谷(Ⅱ区)发育一条SW-NE走向小河,河宽1.5～3.0 m。研究区雨季降雨丰沛,河水上涨时可淹没河岸,工程建设时应考虑积水和洪水对拟建工程的影响。

(8)拟建工程场地海域近岸受到海水动力冲刷作用,为剥蚀性海岸,宜进行护岸处理,以防海岸及建成后的构筑物进一步遭受海浪的冲刷侵蚀。

6 结 论

(1)采用多种岩土工程勘察手段,查明了机场改扩建陆域和海域场地地基岩土类别、层次、厚度、空间分布特征及相应物理力学性能,判断建筑场地类别、地震抗震类别等,进行水土腐蚀性评价等,满足了岩土分析评价和设计的要求。

(2)针对陆域和海域不同岩土工程特性,对建(构)筑物的地基基础方案进行分析论证,提出了相应的地基处理原则及措施。

(3)针对拟建建(构)筑物的具体情况,对后期施工过程中遇到的岩土工程问题进行分析,总结了施工中应注意的问题。