魏 錚

WEI Zheng

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武昌438071)

尼日利亞某船廠地處尼日利亞南部邦尼河下游，距河口約22 km，船廠總土地面積達(dá)12.2 萬(wàn)m2，岸線(xiàn)約400 m。船廠前方水域布置舾裝碼頭，由碼頭平臺(tái)和1 座引橋組成，水工建筑物擬采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，船廠陸域布置船塢、總組場(chǎng)、分段堆場(chǎng)、船體車(chē)間、舾裝車(chē)間、管加車(chē)間、倉(cāng)庫(kù)、試驗(yàn)與培訓(xùn)中心、辦公樓等，見(jiàn)圖1。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

工程項(xiàng)目所在位置面朝邦尼河(BONNY RIVER)，地貌形態(tài)為河流沖擊平原，岸坡平緩，水下地形平坦，水域擬建設(shè)一座碼頭平臺(tái)和一座引橋。陸域場(chǎng)地地形平坦開(kāi)闊，布置有船塢、滑道、簡(jiǎn)易車(chē)間、辦公室、住宅樓等。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

非洲大陸由非洲地臺(tái)和阿爾卑斯褶皺帶的一部分組成。非洲地臺(tái)包括除大陸西北緣從摩洛哥到突尼斯的阿特拉斯山脈之外的非洲大陸、馬達(dá)加斯加島和地理上屬于西亞的阿拉伯半島。阿特拉斯山脈是阿爾卑斯褶皺帶的一部分。

在尼日利亞，“基底雜巖”的前寒武巖石，包括片麻巖、角閃巖、大理巖及“老花崗巖”構(gòu)成大部分尼日利亞的基底。晚古生代與中生代時(shí)期的構(gòu)造期后含錫-鎢礦脈“新花崗巖”呈現(xiàn)出環(huán)狀構(gòu)造。南西—北東走向的Benue 斷槽是在石炭紀(jì)非洲與南美洲分開(kāi)時(shí)形成的三向構(gòu)造的一個(gè)下降錯(cuò)斷的斷裂滑塊的一部分。Benue 斷槽主要被石炭紀(jì)陸相和海相沉積物所覆蓋。海侵而形成的海相上石炭紀(jì)和三疊系沉積物在靠近尼日利亞—貝寧邊界的西北sokota 州及該國(guó)南部被發(fā)現(xiàn)。后始新統(tǒng)沉積物覆蓋了大部分的東北尼日利亞以及尼日爾三角洲。中心式火山及小型玄武巖火山渣錐出現(xiàn)在Jos 高原及Benue 斷槽。

尼日利亞沿海由2 個(gè)沉積盆地組成，由Okitipupa 山脊分開(kāi)的貝寧盆地與尼日爾三角洲盆地。貝寧盆地巖性主要是砂巖、頁(yè)巖夾一些向西和海岸變厚以及朝海岸下傾的灰?guī)r。新近沉積物之下為沿海平原砂層，其下為厚黏土層ilaro 組和其他更老的組。新近沉積物與沿海平原砂層由砂與黏土互層組成。

圖1 平面位置圖

尼日爾三角洲是尼日爾河沿?；⌒稳侵?，覆蓋面積約75000 km2。陸上尼日爾三角洲有著一個(gè)廣闊的咸水/半咸水紅樹(shù)沼澤帶。尼日爾三角洲的巖性分為三個(gè)組:Akata、Agebada 與貝寧組。貝寧組主要由大規(guī)模的高度滲透性的砂、礫組成，局部為薄頁(yè)巖/黏土巖夾層，構(gòu)成了三角洲多含水系統(tǒng);石油及天然氣從Agebada 組砂層中的蓄油層中產(chǎn)出;Akata 組由均勻頁(yè)巖組成。

本項(xiàng)目的碼頭船塢位置毗鄰尼日利亞邦尼河，其上下游已建設(shè)有具一定規(guī)模的碼頭。據(jù)尼日利亞1：20 萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖顯示，擬建工程區(qū)域附近無(wú)大的斷裂通過(guò)，場(chǎng)地區(qū)域穩(wěn)定性較好。

1.3 地形地貌

工程項(xiàng)目所在位置面朝邦尼河(BONNY RIVER)，地貌形態(tài)為河流沖擊平原，岸坡平緩，水下地形平坦，水域擬建設(shè)一座碼頭平臺(tái)和一座引橋。陸域場(chǎng)地地形平坦開(kāi)闊，布置有船塢、滑道、簡(jiǎn)易車(chē)間、辦公室、住宅樓等。

1.4 地震效應(yīng)及場(chǎng)地類(lèi)別

根據(jù)尼日利亞地震災(zāi)害分布圖顯示，在2010年以前哈克特港地區(qū)地震記錄為芮氏刻度3.0～4.0級(jí)，地震危險(xiǎn)性很低。

根據(jù)資料顯示，該區(qū)沒(méi)有發(fā)生過(guò)大地震，不屬于多震地帶，可不考慮地基飽和砂土液化的問(wèn)題。地震設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)以相關(guān)部門(mén)提供的參數(shù)為準(zhǔn)。

陸域船塢區(qū)擬建場(chǎng)地上覆大面積的軟弱土及砂土，屬建筑抗震不利地段，按照有關(guān)規(guī)范以2 個(gè)鉆孔為例進(jìn)行等效剪切波速估算，估算結(jié)果場(chǎng)地土層等效剪切波速在85.8～90.9 m/s 之間，平均等效剪切波速為88. 4 m/s，擬建場(chǎng)地為軟弱土。場(chǎng)地基巖埋深按大于80 m 考慮，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)。

1.5 地層巖性

勘區(qū)上覆地層為尼日爾三角洲貝寧組地層，系第四系全新統(tǒng)沖積地層(Qal4)，覆蓋層厚度大，鉆探深度內(nèi)未揭示到下臥基巖。由于貝寧組地層主要由大規(guī)模高滲透性的砂土組成，其沿海平原砂含水層是一個(gè)由土層分割開(kāi)的多含水層系統(tǒng)，貝寧組含水層中含有許多優(yōu)質(zhì)水，地下水豐富，地下水活動(dòng)頻繁。受其影響，地層中的砂土狀態(tài)不甚穩(wěn)定，變化明顯。船塢區(qū)主要巖土層如下:

淺黃色、灰白色，含云母，土體呈松散狀態(tài)，遍布于勘區(qū)陸域表層，分布廣泛連續(xù)，分布穩(wěn)定，厚度薄，平均分布厚度2.14 m。該單元土體呈松散狀態(tài)，其平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N=5。

褐灰色，混腐植物，有臭味，粘性強(qiáng)，為弱泥炭質(zhì)土，土體呈流塑狀態(tài)，廣泛分布于勘區(qū)陸域上部淺層，為勘區(qū)陸域上部主要地層，分布連續(xù)穩(wěn)定，厚度大，平均分布厚度11.34 m。該單元土體呈流塑狀態(tài)，具高壓縮性、強(qiáng)度低的工程特性，為軟弱土層。其平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N ＜1。其主要物理力學(xué)特性見(jiàn)表1。

表1 單元土體特性指標(biāo)綜合統(tǒng)計(jì)表

褐灰色，含云母，主要為中砂，僅場(chǎng)地北側(cè)為粗砂。該單元土體多呈松散狀態(tài)，局部少許呈稍密狀態(tài)，分布于勘區(qū)泥炭質(zhì)土層之下，連續(xù)分布于水、陸域上部地層中，分布廣泛，但分布厚度不均，平均分布厚度7. 61 m。其平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N=8。

褐灰色，含云母，土體呈中密狀態(tài)，以透鏡體形式在第③大層中產(chǎn)出，零星分布，僅在水域及陸域南側(cè)有揭示，在場(chǎng)地陸域北側(cè)缺失，厚度小，其平均分布厚度4.11 m。其平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N=20。

灰白色、灰黃色，以中砂為主，局部為粗砂，含云母，顆粒不均，混粗顆粒，土體呈松散狀態(tài)。該單元體在勘區(qū)水、陸域均有分布，分布在④-2 中粗砂之上，但局部有缺失。平均分布厚度8.52 m，其平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N=7。

灰白色、灰黃色，以中砂為主，局部為粗砂，含云母，顆粒不均，混粗顆粒，土體呈松散—稍密狀態(tài)。該單元體在勘區(qū)水、陸域分布連續(xù)穩(wěn)定，一般厚度較大，為勘區(qū)地層中部主要單元土體，其平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N=11。

黃色、灰黃色，局部混少許灰白色，以中砂為主，局部為粗砂，場(chǎng)地北側(cè)陸域混少許礫砂，含云母，顆粒不均，局部含圓礫及角礫，土體主要呈中密狀態(tài)，局部少許呈密實(shí)狀態(tài)，連續(xù)分布于勘區(qū)水、陸域④-2單元體以下，分布連續(xù)廣泛，厚度大，其平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N=19。

1.6 特殊性巖土

據(jù)鉆探揭示，陸域船塢區(qū)分布有②-2 泥炭質(zhì)土層，根據(jù)當(dāng)?shù)豒NIVERSITY OF PORTHARCOURT 試驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果，其有機(jī)質(zhì)含量為12. 55%(12.55%～24.84%)，屬弱泥炭質(zhì)土。②-2 單元土體屬軟土，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、滲透性差、抗剪強(qiáng)度低、觸變性及流變性強(qiáng)的特征，工程性能不良。本工程對(duì)場(chǎng)區(qū)分布的軟土應(yīng)進(jìn)行地基處理后使用。

1.7 地基基礎(chǔ)方案與持力層選擇

根據(jù)鉆探揭示，地層上部①中砂呈松散狀態(tài)、②-2 泥炭質(zhì)土呈流塑狀態(tài)，強(qiáng)度低，均為軟弱土層;③-1 中粗砂呈松散狀態(tài)，強(qiáng)度較低;③t 中粗砂呈中密狀態(tài)，強(qiáng)度較好，但分布零星;④-1 中粗砂呈松散狀態(tài)，強(qiáng)度低;④-2 中粗砂呈稍密狀態(tài)，分布連續(xù)、穩(wěn)定但強(qiáng)度一般;⑤中粗砂分布連續(xù)、穩(wěn)定，厚度大，強(qiáng)度較好。船塢區(qū)典型工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖2。

船塢的基礎(chǔ)方案視場(chǎng)區(qū)的地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及船塢荷載的最大組合和結(jié)構(gòu)形式確定。

圖2 船塢區(qū)工程地質(zhì)剖面圖

方案一，當(dāng)荷載最大組合的基底壓力小于地基土的承載力時(shí)，可考慮采用天然地基。根據(jù)場(chǎng)區(qū)的地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，場(chǎng)區(qū)地層上部各單元土體難以滿(mǎn)足要求，應(yīng)進(jìn)行地基處理。地基處理方法應(yīng)視塢室埋深的要求，對(duì)應(yīng)所選擇的單元土體確定，對(duì)泥炭質(zhì)土可采用水泥攪拌樁等復(fù)合地基，對(duì)砂土可使用振沖法等方法進(jìn)行地基處理，具體措施可在下階段施工圖勘察時(shí)根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)明確的船塢開(kāi)挖深度、結(jié)構(gòu)方案等確定。

方案二，若塢墻和底板連成整體，形成重力式塢室，則荷載較大，而且干船塢在使用期間，塢內(nèi)干涸無(wú)水，應(yīng)注意要求塢室在船重作用下不出現(xiàn)過(guò)大的變形;若船塢底板與塢墻不連成整體，則要求對(duì)墻與底板之間的接縫進(jìn)行防滲處理，各獨(dú)立部分的沉降變形也必須嚴(yán)格控制。在這兩種結(jié)構(gòu)形式下，若天然地基不能滿(mǎn)足荷載最大組合的基底壓力的要求，或變形不能滿(mǎn)足要求時(shí)，須采用樁基礎(chǔ)，其樁型可選用鋼管樁、預(yù)應(yīng)力管樁(PHC)或鉆孔灌注樁，樁基持力層可根據(jù)上部荷載大小，以④-2 中粗砂、⑤中粗砂作為樁端持力層。

鑒于該區(qū)表層分布厚達(dá)10 余米的泥炭質(zhì)土，塢底可能部分坐于其上。該單元土體強(qiáng)度低，厚度大，分布廣，故船塢采用天然地基難以滿(mǎn)足要求，進(jìn)行地基處理工作量大，工期長(zhǎng)，建議采用方案二。

根據(jù)巖土試驗(yàn)及原位測(cè)試結(jié)果，提出各單元巖土層的地基設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，最終參數(shù)值應(yīng)由試樁資料確定。

表2 地基巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.8 基坑開(kāi)挖與支護(hù)

1.8.1 基坑等級(jí)與周邊環(huán)境

按照初步設(shè)計(jì)方案，擬建船塢擬采用支護(hù)明挖施工，主體結(jié)構(gòu)基坑開(kāi)挖深度初步擬定在設(shè)計(jì)地面下深約11～15 m，該基坑位置位于海邊，周邊環(huán)境較為開(kāi)闊、簡(jiǎn)單。根據(jù)本船塢的使用功能、結(jié)構(gòu)形式及中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ 120—99)》之規(guī)定，擬建基坑安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)為1.10。

1.8.2 基坑工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

擬建船塢基坑開(kāi)挖后，組成坑壁的主要土層為上部黏性土層——泥炭質(zhì)土層，下部無(wú)黏性土層——③-1 松散中粗砂，基坑底土層主要為④-1層。黏性土層工程性能差，抗剪強(qiáng)度低，賦存有上層潛水;無(wú)黏性土層自穩(wěn)性差，有較強(qiáng)的透水性，賦存有弱承壓水。

1.8.3 地下水的不良作用

(1)滲透變形

①流土(砂) 流土是指在向上滲流作用下局部土體表面的隆起、頂穿或粗顆粒群同時(shí)浮動(dòng)而流失的現(xiàn)象。

流砂多發(fā)生在顆粒級(jí)配均勻而細(xì)的粉、細(xì)砂中，有時(shí)在粉土中亦會(huì)發(fā)生。其表現(xiàn)形式是所有顆粒同時(shí)從一近似于管狀通道被滲透水流沖走，流砂發(fā)展結(jié)果是使基礎(chǔ)發(fā)生滑移或不均勻下沉，基坑坍塌、基礎(chǔ)懸浮等。

當(dāng)土層由粒徑均勻的細(xì)顆粒組成，而水力梯度較大，流速增大，易形成流土。

②管涌 管涌是指在滲流作用下土體中的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動(dòng)并被帶走，逐漸形成管狀通道，從而掏空地基，使地基變形、失穩(wěn)的現(xiàn)象。

管涌多發(fā)生在非黏性土中，其特征是:顆粒大小的比值差別較大，常缺少某種粒徑，磨圓度較好，孔隙直徑大而互相連通，細(xì)粒含量較少，不能全部充滿(mǎn)孔隙。顆粒多由相對(duì)密度較小的礦物組成，易隨水流移動(dòng)，有較大的和良好的滲透水流出路等。

由于基坑開(kāi)挖，破壞了地下水的動(dòng)態(tài)平衡，在基坑降水設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)地下水的實(shí)際動(dòng)態(tài)滲流情況，進(jìn)行抗?jié)B透穩(wěn)定性驗(yàn)算。當(dāng)實(shí)際水力坡降大于允許水力坡降時(shí)，將會(huì)發(fā)生流土或管涌。

(2)基坑突涌

該區(qū)賦存有弱承壓水，水量豐富，而表層均布有黏性土層，為不透水層，當(dāng)基坑開(kāi)挖至一定程度后，該承壓水的水頭壓力將頂裂或沖毀基坑底板，造成突涌現(xiàn)象。該突涌現(xiàn)象將是本基坑開(kāi)挖過(guò)程中的短暫現(xiàn)象。

1.8.4 基坑工程設(shè)計(jì)方案

(1)支護(hù)設(shè)計(jì)方案 基坑范圍約為200 m ×76 m，平面呈長(zhǎng)方形?；又苓叚h(huán)境較為寬松，無(wú)地下管網(wǎng)等障礙，為基坑開(kāi)挖時(shí)放坡、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置提供了有利條件。初步設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度在擬設(shè)計(jì)地面下深約11～15 m，屬一級(jí)深基坑，雖周邊環(huán)境條件較為開(kāi)闊、簡(jiǎn)單，但基坑坑壁和坑底均為強(qiáng)透水的中粗砂層，賦存有弱承壓水。地下水對(duì)基坑工程影響較大。

根據(jù)鉆探揭示，本區(qū)②-2 泥炭質(zhì)土層較厚，土質(zhì)松軟，土體強(qiáng)度低，為軟弱土層。本區(qū)地下水豐富，分布較厚的砂土，為強(qiáng)透水層，且具有弱承壓性，地下水對(duì)基坑開(kāi)挖影響較大，為防止?jié)B透變形引起的流土、流砂、管涌以及坑底突涌等地下水的不良作用，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要考慮支擋側(cè)土壓力，又要兼做止水帷幕。按此要求，基坑開(kāi)挖可采用止水帷幕或樁、錨、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)等措施處理，既可以擋土又可以擋側(cè)壁地下水和下滲的地表水?，F(xiàn)提出兩種支護(hù)設(shè)計(jì)方案供比選:其一，鋼板樁+高壓旋噴樁止水帷幕+內(nèi)支撐;其二，鋼筋混凝土地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐。

當(dāng)采用高壓旋噴止水帷幕時(shí)，為使高壓旋噴止水帷幕形成連續(xù)、均衡的不透水體，必須精心組織施工。鋼筋混凝土地下連續(xù)墻止水效果良好，但由于基坑范圍大，必須輔以?xún)?nèi)支撐，以增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和有效扼制基坑變形。建議采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的方案。若地下連續(xù)墻能兼作塢墻，則可節(jié)約投資，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的統(tǒng)一。

(2)地下水處理方案 本工程對(duì)基坑構(gòu)成危害的地下水主要是潛水和弱承壓水，潛水主要賦存于上部黏性土層中，水量不大，易于明排。本工程主體基坑均揭穿相對(duì)隔水層，坑壁下段為透水和賦水的中粗砂層，坑底進(jìn)入弱承壓含水層中粗砂層中，毫無(wú)疑問(wèn)，若對(duì)弱承壓水不進(jìn)行治理，將無(wú)法進(jìn)行基坑開(kāi)挖與船塢結(jié)構(gòu)施工。

地下水的治理可采用止水帷幕(高壓旋噴樁或地下連續(xù)墻)，由于基底以下砂層厚度較大，難以將止水帷幕向下嵌入不透水層中，建議止水帷幕采用懸掛式，這樣，可以增長(zhǎng)滲透途徑，減小地下水力梯度和流速，當(dāng)坑內(nèi)降水時(shí)，有利于減小坑外地下水的降幅，減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。

降水方案可采用管井降水，降低坑內(nèi)水位至塢室底板以下，以保證基坑開(kāi)挖和塢室施工的順利進(jìn)行。

(3)基坑設(shè)計(jì)參數(shù) 根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)合基坑設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定和工程經(jīng)驗(yàn)，將基坑支護(hù)、降水設(shè)計(jì)參數(shù)建議值，推薦于表3。

表3 基坑支護(hù)、降水設(shè)計(jì)參數(shù)

2 結(jié) 語(yǔ)

(1)根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料揭示，勘區(qū)附近無(wú)活動(dòng)性斷層通過(guò)，地質(zhì)調(diào)查未見(jiàn)有現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)形跡分布，不良地質(zhì)作用不發(fā)育，工程地質(zhì)條件良好，場(chǎng)地穩(wěn)定，適宜本工程建設(shè)。

(2)該區(qū)域歷史資料顯示該區(qū)沒(méi)有發(fā)生過(guò)大地震，屬地震不活躍地帶，抗震設(shè)計(jì)宜按當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)規(guī)定執(zhí)行。

(3)該區(qū)表層有一定厚度的泥炭質(zhì)土，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮負(fù)摩阻力的影響。

(4)根據(jù)該區(qū)工程地質(zhì)條件，建議船塢區(qū)荷載較大的重要建筑物采用樁基方案，樁型選擇預(yù)制樁，或者鉆孔灌注樁，以④-2 以下單元土體作為樁端持力層。