尼日利亞某船廠船塢巖土工程分析與評價

2015-03-23 11:24:00魏錚

浙江建筑 2015年7期

魏錚

WEI Zheng

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，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12.2 萬m2，岸線約400 m。船廠前方水域布置舾裝碼頭，由碼頭平臺和1 座引橋組成，水工建筑物擬采用高樁梁板式結構，船廠陸域布置船塢、總組場、分段堆場、船體車間、舾裝車間、管加車間、倉庫、試驗與培訓中心、辦公樓等，見圖1。

1 工程地質條件

1.1 地形地貌

工程項目所在位置面朝邦尼河(BONNY RIVER)，地貌形態為河流沖擊平原，岸坡平緩，水下地形平坦，水域擬建設一座碼頭平臺和一座引橋。陸域場地地形平坦開闊，布置有船塢、滑道、簡易車間、辦公室、住宅樓等。

1.2 地質構造

非洲大陸由非洲地臺和阿爾卑斯褶皺帶的一部分組成。非洲地臺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”構成大部分尼日利亞的基底。晚古生代與中生代時期的構造期后含錫-鎢礦脈“新花崗巖”呈現出環狀構造。南西—北東走向的Benue 斷槽是在石炭紀非洲與南美洲分開時形成的三向構造的一個下降錯斷的斷裂滑塊的一部分。Benue 斷槽主要被石炭紀陸相和海相沉積物所覆蓋。海侵而形成的海相上石炭紀和三疊系沉積物在靠近尼日利亞—貝寧邊界的西北sokota 州及該國南部被發現。后始新統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在Jos 高原及Benue 斷槽。

尼日利亞沿海由2 個沉積盆地組成，由Okitipupa 山脊分開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、頁巖夾一些向西和海岸變厚以及朝海岸下傾的灰巖。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海弧形三角洲，覆蓋面積約75000 km2。陸上尼日爾三角洲有著一個廣闊的咸水/半咸水紅樹沼澤帶。尼日爾三角洲的巖性分為三個組:Akata、Agebada 與貝寧組。貝寧組主要由大規模的高度滲透性的砂、礫組成，局部為薄頁巖/黏土巖夾層，構成了三角洲多含水系統;石油及天然氣從Agebada 組砂層中的蓄油層中產出;Akata 組由均勻頁巖組成。

本項目的碼頭船塢位置毗鄰尼日利亞邦尼河，其上下游已建設有具一定規模的碼頭。據尼日利亞1：20 萬區域地質圖顯示，擬建工程區域附近無大的斷裂通過，場地區域穩定性較好。

1.3 地形地貌

1.4 地震效應及場地類別

根據尼日利亞地震災害分布圖顯示，在2010年以前哈克特港地區地震記錄為芮氏刻度3.0～4.0級，地震危險性很低。

根據資料顯示，該區沒有發生過大地震，不屬于多震地帶，可不考慮地基飽和砂土液化的問題。地震設計參數應以相關部門提供的參數為準。

陸域船塢區擬建場地上覆大面積的軟弱土及砂土，屬建筑抗震不利地段，按照有關規范以2 個鉆孔為例進行等效剪切波速估算，估算結果場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，擬建場地為軟弱土。場地基巖埋深按大于80 m 考慮，建筑場地類別為Ⅳ類。

1.5 地層巖性

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

淺黃色、灰白色，含云母，土體呈松散狀態，遍布于勘區陸域表層，分布廣泛連續，分布穩定，厚度薄，平均分布厚度2.14 m。該單元土體呈松散狀態，其平均標準貫入擊數N=5。

褐灰色，混腐植物，有臭味，粘性強，為弱泥炭質土，土體呈流塑狀態，廣泛分布于勘區陸域上部淺層，為勘區陸域上部主要地層，分布連續穩定，厚度大，平均分布厚度11.34 m。該單元土體呈流塑狀態，具高壓縮性、強度低的工程特性，為軟弱土層。其平均標準貫入擊數N ＜1。其主要物理力學特性見表1。

表1 單元土體特性指標綜合統計表

褐灰色，含云母，主要為中砂，僅場地北側為粗砂。該單元土體多呈松散狀態，局部少許呈稍密狀態，分布于勘區泥炭質土層之下，連續分布于水、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。其平均標準貫入擊數N=8。

褐灰色，含云母，土體呈中密狀態，以透鏡體形式在第③大層中產出，零星分布，僅在水域及陸域南側有揭示，在場地陸域北側缺失，厚度小，其平均分布厚度4.11 m。其平均標準貫入擊數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。該單元體在勘區水、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，其平均標準貫入擊數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。該單元體在勘區水、陸域分布連續穩定，一般厚度較大，為勘區地層中部主要單元土體，其平均標準貫入擊數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，場地北側陸域混少許礫砂，含云母，顆粒不均，局部含圓礫及角礫，土體主要呈中密狀態，局部少許呈密實狀態，連續分布于勘區水、陸域④-2單元體以下，分布連續廣泛，厚度大，其平均標準貫入擊數N=19。

1.6 特殊性巖土

據鉆探揭示，陸域船塢區分布有②-2 泥炭質土層，根據當地UNIVERSITY OF PORTHARCOURT 試驗室的試驗結果，其有機質含量為12. 55%(12.55%～24.84%)，屬弱泥炭質土。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、抗剪強度低、觸變性及流變性強的特征，工程性能不良。本工程對場區分布的軟土應進行地基處理后使用。

1.7 地基基礎方案與持力層選擇

根據鉆探揭示，地層上部①中砂呈松散狀態、②-2 泥炭質土呈流塑狀態，強度低，均為軟弱土層;③-1 中粗砂呈松散狀態，強度較低;③t 中粗砂呈中密狀態，強度較好，但分布零星;④-1 中粗砂呈松散狀態，強度低;④-2 中粗砂呈稍密狀態，分布連續、穩定但強度一般;⑤中粗砂分布連續、穩定，厚度大，強度較好。船塢區典型工程地質剖面圖見圖2。

船塢的基礎方案視場區的地層結構特點，以及船塢荷載的最大組合和結構形式確定。

圖2 船塢區工程地質剖面圖

方案一，當荷載最大組合的基底壓力小于地基土的承載力時，可考慮采用天然地基。根據場區的地層結構特點，場區地層上部各單元土體難以滿足要求，應進行地基處理。地基處理方法應視塢室埋深的要求，對應所選擇的單元土體確定，對泥炭質土可采用水泥攪拌樁等復合地基，對砂土可使用振沖法等方法進行地基處理，具體措施可在下階段施工圖勘察時根據施工圖設計明確的船塢開挖深度、結構方案等確定。

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，塢內干涸無水，應注意要求塢室在船重作用下不出現過大的變形;若船塢底板與塢墻不連成整體，則要求對墻與底板之間的接縫進行防滲處理，各獨立部分的沉降變形也必須嚴格控制。在這兩種結構形式下，若天然地基不能滿足荷載最大組合的基底壓力的要求，或變形不能滿足要求時，須采用樁基礎，其樁型可選用鋼管樁、預應力管樁(PHC)或鉆孔灌注樁，樁基持力層可根據上部荷載大小，以④-2 中粗砂、⑤中粗砂作為樁端持力層。

鑒于該區表層分布厚達10 余米的泥炭質土，塢底可能部分坐于其上。該單元土體強度低，厚度大，分布廣，故船塢采用天然地基難以滿足要求，進行地基處理工作量大，工期長，建議采用方案二。

根據巖土試驗及原位測試結果，提出各單元巖土層的地基設計參數見表2，最終參數值應由試樁資料確定。

表2 地基巖土層設計參數表

1.8 基坑開挖與支護

1.8.1 基坑等級與周邊環境

按照初步設計方案，擬建船塢擬采用支護明挖施工，主體結構基坑開挖深度初步擬定在設計地面下深約11～15 m，該基坑位置位于海邊，周邊環境較為開闊、簡單。根據本船塢的使用功能、結構形式及中華人民共和國行業標準《建筑基坑支護技術規程(JGJ 120—99)》之規定，擬建基坑安全等級為一級，重要性系數為1.10。

1.8.2 基坑工程地質、水文地質條件

擬建船塢基坑開挖后，組成坑壁的主要土層為上部黏性土層——泥炭質土層，下部無黏性土層——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，抗剪強度低，賦存有上層潛水;無黏性土層自穩性差，有較強的透水性，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浮動而流失的現象。

流砂多發生在顆粒級配均勻而細的粉、細砂中，有時在粉土中亦會發生。其表現形式是所有顆粒同時從一近似于管狀通道被滲透水流沖走，流砂發展結果是使基礎發生滑移或不均勻下沉，基坑坍塌、基礎懸浮等。

當土層由粒徑均勻的細顆粒組成，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顆粒在粗顆粒形成的孔隙通道中發生移動并被帶走，逐漸形成管狀通道，從而掏空地基，使地基變形、失穩的現象。

管涌多發生在非黏性土中，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，細粒含量較少，不能全部充滿孔隙。顆粒多由相對密度較小的礦物組成，易隨水流移動，有較大的和良好的滲透水流出路等。

由于基坑開挖，破壞了地下水的動態平衡，在基坑降水設計中，應根據地下水的實際動態滲流情況，進行抗滲透穩定性驗算。當實際水力坡降大于允許水力坡降時，將會發生流土或管涌。

(2)基坑突涌

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

1.8.4 基坑工程設計方案

(1)支護設計方案基坑范圍約為200 m ×76 m，平面呈長方形。基坑周邊環境較為寬松，無地下管網等障礙，為基坑開挖時放坡、支護結構設置提供了有利條件。初步設計開挖深度在擬設計地面下深約11～15 m，屬一級深基坑，雖周邊環境條件較為開闊、簡單，但基坑坑壁和坑底均為強透水的中粗砂層，賦存有弱承壓水。地下水對基坑工程影響較大。

根據鉆探揭示，本區②-2 泥炭質土層較厚，土質松軟，土體強度低，為軟弱土層。本區地下水豐富，分布較厚的砂土，為強透水層，且具有弱承壓性，地下水對基坑開挖影響較大，為防止滲透變形引起的流土、流砂、管涌以及坑底突涌等地下水的不良作用，基坑支護結構設計既要考慮支擋側土壓力，又要兼做止水帷幕。按此要求，基坑開挖可采用止水帷幕或樁、錨、噴射混凝土聯合支護等措施處理，既可以擋土又可以擋側壁地下水和下滲的地表水。現提出兩種支護設計方案供比選:其一，鋼板樁+高壓旋噴樁止水帷幕+內支撐;其二，鋼筋混凝土地下連續墻+內支撐。

當采用高壓旋噴止水帷幕時，為使高壓旋噴止水帷幕形成連續、均衡的不透水體，必須精心組織施工。鋼筋混凝土地下連續墻止水效果良好，但由于基坑范圍大，必須輔以內支撐，以增加支護結構的穩定性和有效扼制基坑變形。建議采用鋼筋混凝土地下連續墻+內支撐的方案。若地下連續墻能兼作塢墻，則可節約投資，實現經濟與技術的統一。

(2)地下水處理方案本工程對基坑構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隔水層，坑壁下段為透水和賦水的中粗砂層，坑底進入弱承壓含水層中粗砂層中，毫無疑問，若對弱承壓水不進行治理，將無法進行基坑開挖與船塢結構施工。

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，可以增長滲透途徑，減小地下水力梯度和流速，當坑內降水時，有利于減小坑外地下水的降幅，減小對周邊環境的影響。

降水方案可采用管井降水，降低坑內水位至塢室底板以下，以保證基坑開挖和塢室施工的順利進行。

(3)基坑設計參數根據土工試驗結合基坑設計的有關規定和工程經驗，將基坑支護、降水設計參數建議值，推薦于表3。