在復(fù)雜條件下大型建筑棄料堆填場整治關(guān)鍵技術(shù)

王吉鳴，王媛

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

0 引言

城市建筑棄料堆填是一個集廢棄物處置、填埋堆存、物料分選及運輸、環(huán)境保護為一體的綜合性社會公益項目[1]。填埋場的合理布局及利用關(guān)系到城市建筑棄料的堆存、分選和轉(zhuǎn)運等重大民生問題。國內(nèi)外在建筑棄料回收利用、二次循環(huán)方面做了大量研究，但對堆填場自身的安全使用和整治等方面的研究較少[2-3]。受經(jīng)濟條件及技術(shù)的限制，早期我國大多數(shù)城市的堆填場采取簡單的圈地填埋，并在填埋前期缺乏對填埋體合理、科學(xué)的有效管理[4]，導(dǎo)致大部分已建的建筑棄料堆填場對其周邊環(huán)境造成了不同程度的負面影響。

因此如何有效治理早期堆存無序的堆填場，使其安全、有序、高效地繼續(xù)進行堆填活動，并能夠在短期內(nèi)快速轉(zhuǎn)化為可長期持續(xù)利用的建設(shè)用地，是目前建筑棄料堆填場綜合整治需要解決的重要問題。

1 澳門建筑棄料堆填場工程概況

澳門建筑棄料堆填場填埋區(qū)位于澳門國際機場南聯(lián)絡(luò)橋南部（相距100 m），澳門路環(huán)發(fā)電廠北部（相距約150 m），占地面積約70萬m2，2006年3月投入使用至2017年12月底已累計接收超過3 300萬m3的建筑棄料，平均進料強度約為27萬m3/月。

2 工程的復(fù)雜性

2.1 邊界條件的復(fù)雜性

1）堆填場周邊建筑物

澳門建筑棄料堆填場北側(cè)有固定邊界（北堤），距離其100 m外與之平行的是澳門國際機場南聯(lián)絡(luò)橋。堆填場南側(cè)無固定邊界，呈開敞海域，與澳門電廠相距約150 m。由于場地堆存過高，北堤中部曾出現(xiàn)較大側(cè)向變形，間接影響機場聯(lián)絡(luò)橋樁基的安全。南端淤泥持續(xù)隆起，侵占部分航道及電廠取排水口。

2）堆填場上部建筑設(shè)施

澳門建筑棄料堆填場并非開展單一的填埋活動，場地內(nèi)還規(guī)劃有大量的建筑設(shè)施，包括近期需開展的南堤、飛灰基坑、液化天然氣（LNG）儲配站等建造工程，遠期需開展的永久出運碼頭等，其平面示意圖見圖1。諸如LNG儲配站、飛灰基坑等建筑設(shè)施對基礎(chǔ)的差異沉降及側(cè)向變形要求極高，要在如此厚的建筑棄料上建造以上設(shè)施，要在有限的平面范圍內(nèi)，在維持正常填埋活動的狀態(tài)下，合理安排各個項目的建造時程計劃是此工程的難點之一。

圖1 澳門建筑棄料堆填場平面示意圖Fig.1 Sketch map of Macao construction waste landfill

2.2 地質(zhì)條件的復(fù)雜性

澳門建筑棄料堆填場在使用前沒有采取任何地基處理措施，建筑棄料直接傾倒在15～25 m厚的軟土層上，經(jīng)過10 a的堆載，軟土層上已經(jīng)覆蓋有一層6～28 m厚的建筑棄料，天然軟土在不斷被壓縮、變形的情況下與建筑棄料產(chǎn)生了更為復(fù)雜的地質(zhì)組成。在不均勻高壓載作用下局部深層軟土已出現(xiàn)剪切破壞，目前堆填場多處出現(xiàn)了寬2～5 cm、長20～80 m的裂縫，這給地質(zhì)情況的判斷和制定處理方案帶來很大難度。

2.3 建筑棄料材料成分的復(fù)雜性

建筑棄料材料本身成分復(fù)雜，材料物理、化學(xué)性質(zhì)不均一，且不確定。澳門建筑棄料堆填場從使用至今，并未研究其材料成分及特性，也并未對材料分類堆存，導(dǎo)致目前整個堆填場處于一種隨機的、混亂的、邊界及地質(zhì)條件復(fù)雜的狀態(tài)，潛伏著一定的風(fēng)險和安全隱患。

3 堆填場整治關(guān)鍵技術(shù)

3.1 對邊界條件復(fù)雜性的研究和對策

1）對周邊機場、電廠的考慮

首先確定控制標(biāo)準(zhǔn)。堆填對周邊機場及電廠的影響主要為側(cè)向變形及差異沉降，經(jīng)研究確定差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為：澳門機場跑道＜1∶1 000，滑行道、停機坪及機場聯(lián)絡(luò)橋樁基＜2∶1 000。各類土體的側(cè)向變形位移控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土體變形位移控制標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Control standard of soil deformation

其次采用理論與監(jiān)測結(jié)合的方式判斷其變形及沉降現(xiàn)狀。鑒于地基處理前地質(zhì)條件及堆存材料特性的不確定性，理論計算存在較大偏差，因此目前采取現(xiàn)場實時監(jiān)測的方式掌握機場及電廠的安全狀態(tài)。監(jiān)測數(shù)據(jù)反映電廠護岸每月側(cè)向變形4～7 mm，變形速率0.05～0.27 mm/d，均在控制范圍內(nèi)。

在南聯(lián)絡(luò)橋上布置了T1～T5觀測點，其中T1～T2對應(yīng)堆填場上最大堆存標(biāo)高23.56 m的區(qū)域，在機場跑道的堤堰處布置了WP1～WP15觀測點，各觀測點的位置見圖2。

圖2 機場監(jiān)檢測點平面位置圖Fig.2 The plane position of airport monitoring point

南聯(lián)絡(luò)橋樁基的監(jiān)檢測結(jié)果見圖3、圖4。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：南聯(lián)絡(luò)橋樁基的側(cè)向變形基本控制在15 mm以內(nèi)，但在2016年5月，T2監(jiān)測點出現(xiàn)最大值，達30.1 mm，但隨后又驟降至8.1 mm。研究發(fā)現(xiàn)，30.1 mm的變形是由當(dāng)月在聯(lián)絡(luò)橋附近的清淤活動引起。截止2018年1月監(jiān)測段樁基的最大差異沉降約為0.06%。

機場跑道堤堰的監(jiān)檢測結(jié)果見圖5、圖6。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：越靠近堆填場其側(cè)向變形越小，變形值在0～25 mm之間，離堆填場越遠其側(cè)向變形越大，變形值在20～50 mm之間。截止2018年1月監(jiān)測段堤堰的最大差異沉降約為0.02%。

圖3 南聯(lián)絡(luò)橋樁基側(cè)向變形Fig.3 The lateral deformation of south bridge pile foundation

圖5 機場跑道海堤處的側(cè)向變形Fig.5 The lateral deformation of sea dike at the airport runway

圖6 機場跑道海堤處的差異沉降Fig.6 The differential settlement of sea dike at the airport runway

雖然現(xiàn)階段監(jiān)測數(shù)據(jù)表明機場及電廠的變形及差異沉降均在控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，但隨著堆填活動的繼續(xù)，堆填場對周邊建筑的負面影響會趨向明顯，故須建立固定邊界將其影響范圍控制在場地內(nèi)。

2）對南北邊界的考慮

將南端開敞海域封閉，新建南堤，為堆填活動及上部設(shè)施建造創(chuàng)造一個穩(wěn)固的邊界條件。

3）對上部計劃建造設(shè)施的考慮

一方面，為保證上部建造設(shè)施的安全，提出地基的變形控制標(biāo)準(zhǔn)為：剛性樁基礎(chǔ)5～7 cm，半剛性碎石樁基礎(chǔ)5～10 cm，塑料排水板8～12 cm。另一方面，為確保各建造設(shè)施的相融性和兼容性，按照“同步交叉、流水作業(yè)”的總體順序確定場內(nèi)主要設(shè)施的施工順序。

3.2 制定地基處理方案

與一般地基處理[5-6]不同，本項目存在3個難點：第一，軟土層上已堆載6～28 m厚的建筑棄料，且部分場地后期將建造各類建筑設(shè)施。需確定合適的地基處理標(biāo)高，采取合理的地基處理方案以增加堆填場堆存容量，為建筑設(shè)施提供良好的基礎(chǔ)。第二，地基處理期間場區(qū)存在多種土方量：沉降量、進料量、卸載量、回填量等，需找到各個量之間的關(guān)系并通過土方平衡計算，確保堆填場在地基處理后還有容納空間。第三，地基處理期間場區(qū)每天不僅仍要接收建筑棄料，與此同時還有土方卸載及搬運、施工人員及機械等均在場區(qū)內(nèi)活動，為保證堆存有序，需確定土方在任意階段的具體流向和數(shù)量，即土方倒運。

3.2.1 地基處理方案

1）地基處理標(biāo)高

堆填場規(guī)劃的交地標(biāo)高為6.0 m，目前場地的平均標(biāo)高約為8.0 m，考慮穿透上覆建筑棄料的施工能力及施工效率，綜合確定地基處理標(biāo)高為6.0 m。

2）地基處理方案

此階段地基處理的主要目的是增加場地堆存容量，消除場地安全隱患，各類建筑設(shè)施的基礎(chǔ)可在其開工時再進行二次加固。因此采用高性能塑料排水板預(yù)壓固結(jié)法為地基處理方案，同時利用預(yù)鉆孔技術(shù)穿透3～20 m厚的建筑棄料以保證排水板順利施打。

3.2.2 土方平衡

地基處理期間，包括5大土方量。標(biāo)高6 m以上土方量V1；標(biāo)高6 m以下欠方量V2；地基處理期間進料量V3；地基處理期間一級沉降量V4；標(biāo)高6 m以上剩余富足土方量V5。其中，V5滿足關(guān)系式：V5=V1+V3-（V2+V4）。經(jīng)計算，V1=197.6萬 m3，V2=102.9 萬 m3，V3=228 萬 m3，V4=145.9萬 m3，V5=176.4 萬 m3。

地基處理后，整個堆填區(qū)的場地平均標(biāo)高為10 m。此時場地內(nèi)包括3大土方量。標(biāo)高10 m以上可繼續(xù)堆存容積量V6（根據(jù)極限堆高確定，詳見3.4節(jié)）；二級沉降量V7；總?cè)莘e量V8。其中，V8滿足關(guān)系式：V8=V6+V7。經(jīng)計算，V6=101.7萬m3，V7=25.1萬 m3，V8=126.8萬m3。這表示在地基處理后，堆填區(qū)可繼續(xù)容納126.8萬m3的建筑棄料。

3.2.3 土方倒運

針對工程難點，土方倒運采取的主要措施：

1）首先將堆填場分為16個小區(qū)，6.0 m標(biāo)高以上的區(qū)域進行卸載，6.0 m標(biāo)高以下的區(qū)域進行地基處理和回填。

2）根據(jù)歷月建筑棄料各材料的來量，結(jié)合材料成分分析，預(yù)估建筑棄料來料量為9 000 m3/d。

3）土方倒運與地基處理遵循分區(qū)實施、流水作業(yè)原則，最大程度的優(yōu)化施工工期，降低施工風(fēng)險。

4）為了防止廢料來量超出預(yù)估情況而出現(xiàn)堆填場周轉(zhuǎn)困難、工序中斷等情況，在場外設(shè)定一個臨時周轉(zhuǎn)場地。

5）建筑垃圾集中堆放，便于后期堆填場的管理。

3.3 堆填物料成分和特性的研究

基于土工試驗[9]，對澳門建筑棄料的組成成分進行分類及含量百分比分析，試驗結(jié)果表明澳門建筑棄料主要包括惰性物料，建筑廢料，海泥等材料。各材料物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 各材料物理力學(xué)參數(shù)Table2 Physicalandmechanicalparameterofeachmaterial

3.3.1 惰性物料特性研究

惰性物料包括石料、磚塊、素混凝土和砂土等物料。6 mm以上的惰性硬料的質(zhì)量占總量的59.03%，180 mm以上的惰性硬料的質(zhì)量占總量的12.99%，顆粒粒徑分布見表3。

表3 惰性物料粒徑分布Table 3 Particle size distribution of inert materials

惰性物料材料特性較好，經(jīng)分選處理后可作填海或筑堤使用。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)海堤設(shè)計規(guī)范，筑堤時一般要求拋石粒徑應(yīng)根據(jù)水流沖刷能力進行驗算，一般要求單塊質(zhì)量不小于10 kg，按照球體換算，粒徑約為200 mm。結(jié)合本堆填場上物料粒徑分布情況，對于粒徑180 mm以上的石頭，如果單塊質(zhì)量超過10 kg，可考慮用于堤身填筑或海堤碎石墊層或者經(jīng)過粉碎處理滿足填海粒徑指標(biāo)后用于填海，粒徑180 mm以下可以用于填海。

根據(jù)香港土木工程拓展署與香港大學(xué)完成的惰性物料回填于防波堤及海底基坑的研究成果報告[7]，惰性物料的穩(wěn)定性和沉降表現(xiàn)均十分理想。工程中南堤的材料來自于分選后的惰性物料，要求惰性物料不帶其它有機物質(zhì)，粒徑最大不得超過70 mm，土料塑性指數(shù)不超過17。

3.3.2 海泥特性研究

海泥組成成分以淤泥、海泥、黏土塊等顆粒粒徑小于0.075 mm的細顆粒為主，目前堆填場上堆放著主要來自于澳門各建筑項目基坑開挖所挖出的淤泥或黏土，這些海泥在滿足化學(xué)指標(biāo)限值的情況下，可以考慮作為填海工程中陸域結(jié)構(gòu)的回填材料。工程中擬將其用作澳門國際機場陸域回填材料，經(jīng)地基處理后，由海泥回填形成的陸域承載力能達到140～180 kPa。海泥可用于填海的工程指標(biāo)要求如下：

1）物理指標(biāo)

考慮到澳門城市地下基礎(chǔ)開挖的軟性物料數(shù)量大，其成分變化性也較大，結(jié)合吹填土加固的案例，確定海泥含水率應(yīng)不大于50%～70%。

2）化學(xué)指標(biāo)

參照國內(nèi)外研究案例，暫定海泥的有機質(zhì)含量應(yīng)低于5%。

3） 重度

進行了現(xiàn)場十字板剪切試驗，試驗表明海泥重度為 16.1 kN/m3。

4）環(huán)保指標(biāo)

參照國內(nèi)外研究案例，海泥環(huán)保指標(biāo)主要為放射性和重金屬。本次研究按照建筑材料放射性核素限量指標(biāo)[8]及土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值[9]的要求確定。

3.3.3 建筑廢料特性研究

建筑廢料包括瓦片瓷片、鋼筋混凝土、金屬、塑料、木材、玻璃、包裝廢料以及其他被污染的物料。建筑廢料有一定的污染性，在堆存時需做特殊處理，不考慮用于填海。

3.3.4 建筑棄料的利用

澳門建筑棄料堆填場的材料經(jīng)過分選可進行以下不同類型的利用：

1）拆建廢料不宜用于填海。

2）分選后的惰性物料粒徑180 mm以上可用于筑堤，180 mm以下可用于填海。

3）經(jīng)過處理后的海泥可用于陸域回填。

3.4 填埋極限高程

通過分析地基穩(wěn)定性及填高對場內(nèi)設(shè)施的變形影響，確定堆填區(qū)極限填高[10-11]和可繼續(xù)堆存空間，用以指導(dǎo)堆存計劃，保證堆存安全。

不同于地基處理后有比較明確的地質(zhì)條件和準(zhǔn)確的理論分析為依據(jù)，地基處理前天然土質(zhì)的特性起伏大，棄料回填層亦是厚薄不均，高回填荷載下軟土蠕變、塑性開展、剪切變形等各種情況都會發(fā)生，單憑理論分析并不能得到準(zhǔn)確可控的結(jié)果，僅依靠觀測數(shù)據(jù)亦不能完全反應(yīng)軟土動態(tài)變化的細節(jié)特征。如果極限值取高，會增加填埋場使用的安全風(fēng)險，極限值取低，又會降低填埋場的接納能力，影響城市建筑棄料的安置。

有鑒于此，地基處理前填埋場極限高程的研究工作是基于以下組合原則進行的：

1）理論穩(wěn)定分析：通過邊坡穩(wěn)定計算，確定極限堆高及其斷面。

2）時限：制定的極限堆高應(yīng)能保證堆填場能夠使用至地基處理完工后。

3）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析：通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析回饋，實時掌握堆填場情況，判斷安全狀態(tài)。

4）實測地形：考慮到澳門堆填場前期棄料堆填帶有一定的隨機性，現(xiàn)時形成的場地高程亦是客觀造就的狀況，因此若理論計算的極限堆高與超過該堆高的實測地形有沖突，那么應(yīng)依靠監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷實測地形的安全狀態(tài)，若安全則保留該堆高，若不安全則卸載至理論計算的極限堆高。

綜合以上4項原則，確定地基處理前的極限堆高見表4、表5。

表5 南端邊界極限堆高分布表Table 5 Limited height along south boundary

4 結(jié)語

本文基于澳門建筑棄料堆填場工程實例，介紹了在復(fù)雜條件下堆填場整治的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)具有一定普適性意義，可為類似堆填場整治工程提供參考，主要結(jié)論如下：

1）高性能塑料排水板預(yù)壓固結(jié)法是建筑棄料堆填場增加堆存空間、改善地基的一種相對有效的加固措施。

2）建筑棄料中的惰性物料及海泥經(jīng)分選后可用于填海。

3）堆填場地基處理前的極限堆高應(yīng)根據(jù)理論穩(wěn)定分析、時限、現(xiàn)場監(jiān)測及實測地形等因素綜合確定。