◎呂林皓 國(guó)能（天津）港務(wù)有限責(zé)任公司 陳少青 天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

1.引言

神華天津煤炭碼頭堆場(chǎng)項(xiàng)目位于天津港南疆港區(qū)，天津港主航道南側(cè)，碼頭工程為順岸形式，采用棧橋式布置方式，共建設(shè)3個(gè)泊位，總長(zhǎng)度890m，可同時(shí)停靠2條7萬(wàn)噸級(jí)船舶和1條15萬(wàn)噸級(jí)船舶。堆場(chǎng)布置在碼頭岸線后方，面積約42.3萬(wàn)平米，平行于碼頭岸線布置，采用“四堆三取”布置了6條煤炭堆場(chǎng)，堆場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)堆煤高度18米，堆貨荷載約為170kPa。

天津港是在淤泥質(zhì)淺灘上通過(guò)圍海吹填造陸建成的中國(guó)最大人工港，神華天津煤炭碼頭堆場(chǎng)場(chǎng)區(qū)地基土層是由上部疏浚吹填土和下部原始海相沉積土層組成的深厚超軟土。該軟土地基具有土體顆粒細(xì)、含水率高、高塑性、滲透性差等特點(diǎn)，工程建設(shè)中通過(guò)地基處理來(lái)提高其地基承載力和消除變形沉降，但處理后整體工程性質(zhì)仍然較差，使用荷載下仍具有較大的變形沉降存在。且煤炭堆場(chǎng)因具有堆載荷載大、堆存時(shí)間不固定、移動(dòng)荷載疊加等不利因素會(huì)加劇堆場(chǎng)不均勻沉降的發(fā)生，造成場(chǎng)區(qū)內(nèi)堆取料機(jī)軌道、皮帶機(jī)基礎(chǔ)、廊道和附屬建構(gòu)筑物等無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)安全事故。因而深厚軟土地基條件下建設(shè)煤炭堆場(chǎng)此類重載堆存需求的工程項(xiàng)目，場(chǎng)區(qū)地基的沉降變形控制是需要研究重視的問(wèn)題。

2.工程地質(zhì)條件

煤炭堆場(chǎng)所在區(qū)域是利用航道疏浚土方吹填進(jìn)行圍海造地形成的陸域，項(xiàng)目建設(shè)前泥面平均標(biāo)高約+4.5米，上層為人工吹填的航道疏浚土，以流泥及淤泥形式存在，呈流塑狀、含水率高、孔隙比大、壓縮性高，為新近沖填形成的軟弱土層，厚達(dá)5.0米。其下為海相沉積淤泥及淤泥質(zhì)土至標(biāo)高約-13.0米多，再下為粉質(zhì)黏土混貝殼等，呈流塑～軟塑狀，為軟弱土層。場(chǎng)區(qū)中、高壓縮性軟土平均總厚度約18米，軟土層主要物理力學(xué)性指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 軟土層主要物理力學(xué)性指標(biāo)

在深厚軟土地基上建設(shè)煤炭堆場(chǎng)此類重載堆存需求的工程項(xiàng)目，在滿足工期合理、費(fèi)用經(jīng)濟(jì)的前提下，還要做到運(yùn)營(yíng)期場(chǎng)區(qū)地基的沉降變形可控，需要從項(xiàng)目建設(shè)階段就統(tǒng)籌考慮。堆場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)堆煤高度18米，堆貨荷載約為170kPa，考慮回填土及堆場(chǎng)結(jié)構(gòu)面層荷載，地基處理后現(xiàn)地面使用荷載將達(dá)到230kPa。本項(xiàng)目所處區(qū)域從現(xiàn)泥面至標(biāo)高約-13.0米之間為淤泥或淤泥質(zhì)黏土組成的深厚軟土地基，采用何種地基處理方式提高地基承載，消除沉降并盡可能降低工后運(yùn)營(yíng)期的殘余沉降，需要新的設(shè)計(jì)理念。

3.沉降控制設(shè)計(jì)理念

本項(xiàng)目煤炭堆場(chǎng)具有使用荷載大如堆場(chǎng)區(qū)現(xiàn)地面以上使用荷載達(dá)230kPa，各煤堆垛區(qū)堆存時(shí)間不固定，各種機(jī)械移動(dòng)荷載等特點(diǎn)，以及存在各功能區(qū)及建構(gòu)筑物對(duì)沉降要求不同，需要采用不同的地基處理方式和差異化的基礎(chǔ)形式。經(jīng)論證提出以下設(shè)計(jì)理念：

（1）考慮到總厚度約18米的深厚軟土地基，地基沉降將是客觀存在，地基處理后的殘余沉降也不可避免，以控制場(chǎng)區(qū)內(nèi)不均勻沉降和減少工后沉降為首要宗旨。

（2）根據(jù)各功能區(qū)使用要求不同，承載力和沉降控制標(biāo)準(zhǔn)也不同，對(duì)堆場(chǎng)區(qū)、輔建區(qū)、道路等在綜合考慮工期、造價(jià)等因素下采用不同的地基處理方式。

（3）優(yōu)化各功能區(qū)場(chǎng)地交工標(biāo)高設(shè)計(jì)，通過(guò)使用土工格柵、土工布等土工合成材料，減少土方砂石料使用量，滿足工程需求的同時(shí)節(jié)省工程費(fèi)用，減少結(jié)構(gòu)層對(duì)原泥面的使用荷載，起到減少沉降的作用，土工合成材料的整體性也對(duì)控制不均勻沉降有利。

（4）先進(jìn)行簡(jiǎn)易地基處理、運(yùn)營(yíng)初期可利用煤炭分級(jí)壓載，場(chǎng)區(qū)內(nèi)各功能區(qū)采用不同的結(jié)構(gòu)面層，優(yōu)先采用易翻修改建、能夠適應(yīng)地基不均勻沉降的結(jié)構(gòu)面層形式，做到使用期可維修調(diào)整。

（5）采用地基、基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)共同作用理念，合理考慮三者之間相互作用，對(duì)于重點(diǎn)部位如堆取料機(jī)基礎(chǔ)，采用能夠有效控制影響使用的差異沉降和便于調(diào)整的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

4.地基處理設(shè)計(jì)

天津港地區(qū)土方及砂石料稀缺費(fèi)用較高，往往先修建圍埝形成納泥池再吹填航道疏浚土方，最終通過(guò)地基處理形成陸域。由于吹填的航道疏浚土和原海相沉積土層均為中、高壓縮性軟土，若采用水泥土攪拌樁方式進(jìn)行全場(chǎng)區(qū)地基處理，投資額巨大不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)煤炭堆場(chǎng)各功能區(qū)使用要求的不同，可采取不同的地基處理方案，天津港地區(qū)多年軟土地基場(chǎng)地處理工程經(jīng)驗(yàn)證明真空預(yù)壓排水固結(jié)法進(jìn)行地基處理具有工期短，投資少等優(yōu)越性，適合港區(qū)大面積地基簡(jiǎn)易處理。

輔建區(qū)、道路等對(duì)承載力要求低的區(qū)域，可采用真空預(yù)壓法。本區(qū)域真空預(yù)壓法要求膜下真空度大于650mmHg，塑料排水板底打設(shè)標(biāo)高-14.0米，間距0.8米，抽真空時(shí)間約90天。固結(jié)度達(dá)到90%時(shí)停止抽真空卸載，使場(chǎng)地發(fā)生固結(jié)沉降約1.8米，殘余沉降0.2米。地基處理后根據(jù)使用要求，再回填山皮土并分層壓實(shí)達(dá)場(chǎng)地地面設(shè)計(jì)標(biāo)高。

由于真空預(yù)壓法處理軟土地基往往只能提供80kPa 的地基承載力，煤炭堆場(chǎng)區(qū)地面使用荷載約為230kPa，如此大荷載只能采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法方案，才能滿足堆場(chǎng)及堆取料機(jī)基礎(chǔ)等構(gòu)筑物的地基承載力和沉降變形要求。真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法方案先在現(xiàn)泥面回填約1.5m厚素土，頂面鋪設(shè)排水砂墊層，打設(shè)塑料排水板，埋設(shè)抽真空設(shè)施后進(jìn)行真空預(yù)壓。在保證地基穩(wěn)定的條件下，抽真空預(yù)壓的同時(shí)在密封膜上分級(jí)堆載，形成真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓。真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓的膜下真空度大于650mmHg，而膜上的堆載強(qiáng)度不小于90kPa，其場(chǎng)地地基預(yù)壓處理的總荷載約為200kPa。塑料排水板底打設(shè)標(biāo)高-14.0米，間距0.8米，抽真空聯(lián)合堆載預(yù)壓周期約180天。固結(jié)度達(dá)到90%時(shí)卸載，地基可產(chǎn)生固結(jié)沉降約3.0米，殘余沉降約0.4米。卸載時(shí)挖除堆載山皮土至設(shè)計(jì)高程，然后進(jìn)行場(chǎng)地整平壓實(shí)。

5.基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 場(chǎng)區(qū)標(biāo)高優(yōu)化設(shè)計(jì)

煤炭堆場(chǎng)區(qū)采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法進(jìn)行地基處理，地基處理前原泥面標(biāo)高約+4.5米，地基處理產(chǎn)生固結(jié)沉降約3米。目前6.0米高程是天津港南疆港區(qū)現(xiàn)有堆場(chǎng)普遍采用的標(biāo)高，選擇該標(biāo)高主要優(yōu)點(diǎn)是場(chǎng)地排水順暢，缺點(diǎn)是回填土方量較大。由于天津港地區(qū)土方及砂石料費(fèi)用較高，合理的堆場(chǎng)高程有利于減少土方回填量，節(jié)約工程造價(jià)。為此，根據(jù)堆場(chǎng)的使用要求，結(jié)合區(qū)域內(nèi)地下水位情況，對(duì)堆場(chǎng)高程進(jìn)行了多方案比選后，本項(xiàng)目采用了5.0米高程方案，5.0米高程可以減少堆場(chǎng)形成所需的回填土方工程量，達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。但由于場(chǎng)地5.0米標(biāo)高較低，為減少地下水對(duì)堆場(chǎng)結(jié)構(gòu)基層的影響，相應(yīng)增加了碎石墊層和土工格柵、土工布，土工合成材料的整體性對(duì)控制場(chǎng)區(qū)不均勻沉降有利。

5.2 鋪面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

堆場(chǎng)及道路內(nèi)主要流動(dòng)機(jī)械為單斗裝載機(jī)，最大軸壓：280kN/軸；自卸汽車，最大軸壓：140kN/軸。常用鋪面結(jié)構(gòu)有高強(qiáng)混凝土聯(lián)鎖塊方案和現(xiàn)澆混凝土大板方案，本項(xiàng)目選擇高強(qiáng)混凝土聯(lián)鎖塊方案。

現(xiàn)澆混凝土大板方案可采用30cm厚混凝土板、18cm厚二灰碎石基層、墊層為20cm厚級(jí)配碎石建設(shè)，現(xiàn)澆混凝土面層具有平整度好，使用年限長(zhǎng)，表面抗磨損、抗裝卸機(jī)械刻痕能力強(qiáng)，但地基沉降后極易破損、不易修復(fù)，施工養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)。而本項(xiàng)目選擇的高強(qiáng)混凝土聯(lián)鎖塊方案具有工期短、工程費(fèi)低、面層結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)港區(qū)軟土地基不均勻沉降等優(yōu)點(diǎn)，特別是當(dāng)堆場(chǎng)改變貨種和裝卸方式時(shí)，易翻修改建。雖然表面平整度稍差，但基本不影響使用。造價(jià)方面，高強(qiáng)混凝土聯(lián)鎖塊方案采用聯(lián)鎖塊厚8cm，其下為5cm砂墊層，上基層為20cm厚水泥穩(wěn)定碎石，下基層為20cm厚二灰碎石，墊層為20cm厚級(jí)配碎石，工程費(fèi)用方面相比較現(xiàn)澆混凝土大板方案可降低造價(jià)36%。

堆場(chǎng)周邊道路，仍采用高強(qiáng)混凝土聯(lián)鎖塊鋪面結(jié)構(gòu)方案，因其流動(dòng)荷載相對(duì)較少，相比較煤堆場(chǎng)區(qū)可取消20cm厚級(jí)配碎石墊層，相比較堆場(chǎng)區(qū)還可降低造價(jià)42%。

5.3 基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

各功能區(qū)使用荷載不同，對(duì)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)也不相同，因而地基設(shè)計(jì)需要解決的沉降變形側(cè)重點(diǎn)也不相同。如煤炭堆場(chǎng)區(qū)基礎(chǔ)主要需要消除淺層土體沉降和不產(chǎn)生過(guò)大差異沉降，堆取料機(jī)軌道基礎(chǔ)主要是消除影響使用的差異沉降和采用便于調(diào)整的基礎(chǔ)，高桿燈采用樁基礎(chǔ)形式主要是控制傾斜，管線基礎(chǔ)主要采用適應(yīng)土體變形的布置和材料等，其中堆取料機(jī)軌道基礎(chǔ)是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。

堆取料機(jī)設(shè)計(jì)輪壓：工作狀態(tài)270kN/輪，非工作狀態(tài)300kN/輪，單輪間距850mm。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了軌道梁方案和軌枕式方案兩種基礎(chǔ)方案比選。

1）軌道梁方案：軌道基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土軌道梁，為滿足軌道基礎(chǔ)對(duì)地基的作用要求，還需對(duì)軌道梁下地基再進(jìn)行二次地基處理，如采用水泥土攪拌法進(jìn)行。該方案具有整體性好，機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)，使用期間維修量少等優(yōu)點(diǎn)，但地基不均勻沉降后易破壞，工程費(fèi)用較高。

2）軌枕式方案：軌道基礎(chǔ)為預(yù)制C30 鋼筋混凝土軌枕，間距600～700mm，道床采用水泥穩(wěn)定碎石。該方案雖然整體性稍差，但具有對(duì)地基變形要求低，沉降后易調(diào)整，適合在軟土地區(qū)使用等優(yōu)點(diǎn)，且工程費(fèi)用相比較軌道梁方案可減少一半以上。

綜合考慮以上兩種軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)天津港已建工程的經(jīng)驗(yàn)及地基變形較大等因素，為增強(qiáng)軌道基礎(chǔ)的適應(yīng)能力，降低工程費(fèi)用，本項(xiàng)目堆取料機(jī)軌道基礎(chǔ)采用軌枕式基礎(chǔ)。

6.結(jié)語(yǔ)

本文以神華天津煤炭碼頭堆場(chǎng)為例，在深厚軟土地基條件下建設(shè)煤炭堆場(chǎng)此類重載堆存需求項(xiàng)目以減少工后沉降、控制不均勻沉降為設(shè)計(jì)目標(biāo)，先進(jìn)行簡(jiǎn)易地基處理，針對(duì)不同建構(gòu)筑物采用差異化和便于維修調(diào)整的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形式。通過(guò)堆場(chǎng)多年運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明該沉降控制的建設(shè)方法可行，在運(yùn)營(yíng)期根據(jù)需要適當(dāng)開(kāi)展調(diào)整維修，便可滿足項(xiàng)目正常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，為今后其它類似項(xiàng)目的建設(shè)運(yùn)營(yíng)提供參考。