飛行區(qū)場道紅砂巖地質(zhì)施工及變形監(jiān)測技術(shù)
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任繼榮
（山西機械化建設(shè)集團公司，山西 太原 030009）
[摘要]針對南方地區(qū)某機場紅砂巖填料條件和高填方、大土石方量的特點，研究紅砂巖填料特性，提出了施工方案，很好地解決了紅砂巖高透水性、易風(fēng)化、遇水膨脹和崩解等工程難點，同時對施工過程進行了變形監(jiān)測和施工效果檢測，保證了飛行區(qū)建設(shè)質(zhì)量要求。
[關(guān)鍵詞]機場；跑道；紅砂巖；變形；監(jiān)測；施工技術(shù)
[中圖分類號] U416.1 [文章編號]1002-8498( 2016) 11-0061-04
紅砂巖在我國南方地區(qū)分布較廣，具有高透水性、遇水軟化、極強風(fēng)化崩解性、強度干濕循環(huán)變化大等特點，一般不宜作為填筑材料。民用機場工程占地面積大，土石方量動輒都在數(shù)百萬立方米以上，不論從經(jīng)濟還是技術(shù)角度，場區(qū)土石方不可能大規(guī)模外棄或借方填筑，施工中要盡量做到挖填量平衡，同時機場飛行區(qū)跑道填筑質(zhì)量要求又高，因此如何做好飛行區(qū)紅砂巖土質(zhì)填料的施工成為一項重要課題。
1工程概況
某機場位于贛東北地區(qū)，場址處于低山丘陵地帶。擬建飛行區(qū)跑道長2 400m，寬45m，填方最大高度近30m，挖填土石方工程量610萬m3。根據(jù)巖性場區(qū)地層分兩大類，其中第四系分為耕土、淤泥和含礫粉質(zhì)黏土3層，白堊系可分為泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、粗砂巖和砂礫巖4層，依風(fēng)化程度又可分為9個亞層，呈紅色、深紅色或褐色，是南方地區(qū)典型的紅砂巖土質(zhì)。場區(qū)地下水局部賦存于低洼地的含礫黏土的孔隙中和強風(fēng)化基巖的裂隙中。歷史年度，
降雨量最大為2 996. 1mm，最小為923. 7mm。
2 場區(qū)紅砂巖填料土體性質(zhì)指標
1)現(xiàn)場紅砂巖樣品呈灰紅色或褐紅色，濕密度2. 03~2.21g/m3，含泥量<5%，含鹽量<0.3%。檢測其礦物質(zhì)含量9%左右，由于礦物質(zhì)親水性，紅砂巖易風(fēng)化崩解，遇水軟化。紅砂巖細粒狀后吸水性增強，達到飽和，孔隙率為0.1~0.3。紅砂巖透水深度可達20~ 30cm，其膨脹率為1% N4%，遇水其強度降低最高為30%，車轍可達20cm以上。
2)按照浸水崩解強度，對場區(qū)不同區(qū)段紅砂巖進行類別判定，場區(qū)一類紅砂巖、二類紅砂巖、三類紅砂巖都有分布。常水頭滲水試驗，紅砂巖松散填筑料滲透系數(shù)10-2~10-3(cm/s)級，呈高透水性。
3)現(xiàn)場試驗段工程發(fā)現(xiàn)，紅砂巖填料隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，巖塊崩解碎化。碾壓后的填筑體受水浸濕，強度降低，蒸發(fā)滲水后強度又有恢復(fù)。 飛行區(qū)填筑質(zhì)量控制指標如下。
1)道槽區(qū)土基頂面的反應(yīng)模量≥50MN/m3。
2)道槽區(qū)工后差異沉降<1.5‰。
3)中濕土法擊實試驗，一類紅砂巖最大干密度1. 9g/cm3，最佳含水率10.5%；二類紅砂巖最大干密度2. 0g/cm3，最佳含水量9.8%；三類紅砂巖最大干密度2. 12g/cm3，最佳含水量4.5%。填筑體壓實度要符合民用機場施工規(guī)范要求。
3 飛行區(qū)紅砂巖施工關(guān)鍵問題處理
3.1 紅砂巖填筑受地表水、地下水浸泡軟化、膨脹的問題
施工場地內(nèi)紅砂巖填料，特別是中、強風(fēng)化砂巖遇水軟化、膨脹變形特征顯著，如果施工過程中排水措施不到位，將會造成地下水、地表水浸泡軟化天然地基及填筑體地基，引發(fā)地基沉降和填筑體邊坡失穩(wěn)。對于這類問題，必須對填料采取隔水、排水措施，保證外部水源不進入，限制和阻斷紅砂巖填料的高透水性。解決方案為：①設(shè)置盲溝（見圖1），在場區(qū)內(nèi)地下水位低、山體孔隙水大的區(qū)段以及原地面沖溝、魚塘處設(shè)置盲溝，暗排地下水；②
施工作業(yè)面上游開挖集水坑，填筑體四周設(shè)置臨時排水溝，以排除雨水和雨后山體滲水；③施工過程中及時碾壓封面，注意每填筑層的坡度，集水坑不能設(shè)在道槽區(qū)，排水一定要掌握從道槽區(qū)向土面區(qū)引水的原則。臨時排水溝可采取鋪設(shè)塑料布的方式，減少排水過程中向土體滲水。
3.2 紅砂巖高填方填筑體問題
本施工場區(qū)內(nèi)最高填筑高度接近30m，部分地段邊坡坡底到坡頂垂直距離在25m以上，屬于高填方。
1)高填方各工作面填筑起始標高不同，填筑進度不同，容易形成軟弱、薄弱面。
2)填挖交界處屬于不同介質(zhì)，處理不當(dāng)，地表水沿交界面滲入，紅砂巖受到浸泡，原地基斜面與填筑體產(chǎn)生位移，造成不均勻沉降。解決方案為：①對于場地原地基軟弱土體，清除至可塑，換填30cm人頭石、10cm砂礫嵌縫，50t激振力碾壓機振動碾壓；②道槽區(qū)及影響區(qū)（道面兩側(cè)道肩各外延2m，并按1：0.75坡比向原地面放坡所得區(qū)域），填筑中每隔50cm厚度鋪設(shè)1層土工格柵(CTGSG45-45)，格柵應(yīng)深入臺階，共設(shè)置5層；③填方交界處當(dāng)原地面坡度>1:5時，開挖臺階搭接，臺階寬度≥1m，臺階頂面向內(nèi)傾斜3%。相鄰填筑區(qū)域施工進度保持同步，高差≤3m，并設(shè)臺階搭接。
3.3 高填方邊坡穩(wěn)定性問題
場地高填方區(qū)域，特別是邊坡位于沖溝、魚塘洼地時，該區(qū)域淤泥質(zhì)土抗剪強度差，對邊坡穩(wěn)定性不利，邊坡原地面與紅砂巖覆蓋土接觸面出現(xiàn)高填方及地基失穩(wěn)的控制面。
紅砂巖填筑體呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，破碎巖塊在強降雨情況下，水沿裂縫滲入邊坡填筑層，填筑體土重上升，邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強度急速降低。同時，紅砂巖極易風(fēng)化，在溫度和水的相互作用下，風(fēng)化向邊坡深處發(fā)展，發(fā)生滑坡、崩坍。解決方案：①擴大邊坡處理范圍，飛行區(qū)平整區(qū)域向跑道方向內(nèi)縮2m至坡腳外延2m范圍，作為邊坡處理范圍；②邊坡與原地面接觸處，軟弱部位采取換填、碾壓措施；③采用坡率法填筑，提高壓實系數(shù)；④坡腳、坡面受暴曬、雨水浸濕，風(fēng)化相對嚴重，做好砌石防護和排水措施。
4 紅砂巖填筑施工技術(shù)
4.1紅砂巖填料攤鋪
紅砂巖采用分層攤鋪的方式。施工中攤鋪厚度和碾壓組合須經(jīng)過試驗確定。本工程攤鋪厚度為50cm，等厚法填料，級配不均勻系數(shù)Cu>5。根據(jù)場區(qū)各類紅砂巖存量，一、二類紅砂巖用于土面區(qū)填筑，避免在雨季施工，三類紅砂巖用于道槽區(qū)填筑。同時，要對道槽區(qū)影響線、邊坡區(qū)范圍線層層明確標識，保證道槽區(qū)、邊坡區(qū)填料適宜。
4.2 紅砂巖填料碾壓及壓實度控制
本工程在填料接近最佳含水量的情況下，50t振動壓路機碾壓6遍，可以達到90%壓實度；碾壓8遍，達到93%壓實度；碾壓9~10遍，壓實度可以達到95%以上。碾壓方向從兩邊向中間，重疊寬度20cm左右，碾壓工作面搭接如見圖2所示。
為了將較大的紅砂巖料石碾碎，保證填料的級配，可以采用“耙壓”技術(shù)，即將填筑料推平、壓實，再使用松土齒耙耙松，壓實，多次反復(fù)。
現(xiàn)場試驗表明，在填料壓實度達到90%以上時，表面積水難以下滲，紅砂巖高透水性被抑制。施工中及時對填料進行碾壓，除能降低填料的透水性，也減少了填料在陽光、大氣中的暴露時間，減弱了紅砂巖填料易風(fēng)化性。所以一般要求每層填料必須在12h內(nèi)封壓完畢，并盡快開始下一層覆蓋施工。另外，施工現(xiàn)場可以分區(qū)段施工，一個施工面能保證各類機械正常作業(yè)，發(fā)揮工效即可，不宜過大。
4.3填筑過程中含水量控制
在施工過程中必須對填筑料含水量進行控制，一般控制在最佳含水量1%~2%為宜，工地實驗室要及時跟進，提供含水量參數(shù)。不同類別的紅砂巖含水量分別控制。填料含水量較低時，可以在挖方區(qū)或填筑區(qū)灑水，含水量較高時要晾曬。
每次降雨后，填筑面含水量較高，不要立即進入場地施工，晾曬1~2d，待紅砂巖填筑體恢復(fù)強度后再進行施工。如果急于施工，要推掉表層含水量過高的填料，重新碾壓下層填筑面后再開始施工。天氣轉(zhuǎn)晴時，由于填挖高差，與填方區(qū)交接的挖方區(qū)紅砂巖山體積存的雨水會滲入填筑面，一般會延續(xù)2d時間，這是紅砂巖特性決定的，要特別注意。
4.4 填筑體壓實度檢測
碾壓完成后要針對不同類別紅砂巖，按規(guī)定檢測頻率，采用灌砂法進行壓實度檢測。同時，要區(qū)分道面影響區(qū)、飛行區(qū)土面區(qū)、填方邊坡穩(wěn)定影響區(qū)等不同部位及距道基設(shè)計標高不同深度對壓實度的不同要求。
4.5沖擊碾壓補強
為確保道床，也就是道面底面以下0. 8m范圍內(nèi)的壓實度，提高紅砂巖填筑體的均勻性，道槽區(qū)填筑達到設(shè)計標高后，采用沖擊碾壓進行補強。沖擊碾壓設(shè)備為32kJ沖擊式壓路機，工作速度10~12km/h，沖擊遍數(shù)25遍，沖擊方向如圖3所示。
5 變形監(jiān)測技術(shù)
紅砂巖性質(zhì)脆弱，本項目高填方工程地形起伏較大、地質(zhì)條件復(fù)雜，紅砂巖填筑料多樣，因此填筑體穩(wěn)定性、地基及填筑體沉降、邊坡穩(wěn)定性等都是施工期需要關(guān)注的問題。為確保填筑體變形均勻、填筑密實、地基穩(wěn)定，及時獲取施工信息，紅砂巖施工過程同時規(guī)劃開展變形位移監(jiān)測工作。
5.1監(jiān)測點布設(shè)
監(jiān)測點選取在場區(qū)高填方區(qū)段、填挖交界處、地基軟弱區(qū)域（沖溝、魚塘）、邊坡區(qū)等最不利位置。監(jiān)測裝置布設(shè)如圖4所示。
5.2變形位移監(jiān)測的項目及數(shù)量（見表1）
5.3監(jiān)測時間及頻率
填筑工作一開始，即規(guī)劃實施監(jiān)測作業(yè)。觀測從當(dāng)年6月開始，1 1月結(jié)束，貫穿整個施工期，歷時6個月。檢測頻率前期為1次/3d，后期為1次/6d。
通過對填筑體頂面沉降、原地基沉降、分層沉降、坡腳水平位移、坡頂水平位移以及盲溝出水流量6個項目進行施工期間和工后監(jiān)測，繪制、分析時間．沉降關(guān)系曲線圖、時間一位移曲線圖、出水量一時間關(guān)系圖，判定填筑體是否滿足設(shè)計條件。從監(jiān)測結(jié)果可以看到：
1)填筑體頂面累計沉降量較小，而且監(jiān)測最后2個月的沉降量< 5mm（見圖5，以沖2觀測點為例），差異沉降率<1.5‰。
2)分層沉降監(jiān)測結(jié)果顯示，各斷面的主要壓縮區(qū)域為淺部土層，深部土層固結(jié)壓縮時間較長，沉降變形較小（見圖6，以塘7觀測點為例）。證明紅砂巖填筑控制較好，壓實度得到保證，場道地基深層土體處于穩(wěn)定狀態(tài)。
3)邊坡坡腳與坡面位移平均3mm，最大位移6mm，位移較小，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。
4)原地基沉降，施工期間沉降隨紅砂巖填土荷載的增加而呈現(xiàn)較快增長趨勢，各監(jiān)測點數(shù)據(jù)顯示累計沉降量7~ 20mm，至施工結(jié)束，監(jiān)測后期2個月沉降≤5mm，沉降趨于穩(wěn)定、收斂，說明對原地基處理手段效果良好。
5)盲溝出水流量監(jiān)測結(jié)果表明，排水起到預(yù)定作用，盲溝出水量達到6~ 10m3/h，有效降低地下水位，場道地基處于一個干燥環(huán)境，能夠避免紅砂巖受到水的浸濕影響，保證了填筑體穩(wěn)定。
6 紅砂巖填筑體施工效果
施工效果除進行壓實度檢測、變形檢測外，還在道槽區(qū)土基頂面進行了地基反應(yīng)模量檢測，檢測頻率為10 000m2/點，檢測在土基頂面施工完成后15d進行土基反應(yīng)模量檢測，結(jié)果如表2所示。
7結(jié)語
1)施工前要對場區(qū)紅砂巖進行浸水崩解試驗，以確定紅砂巖強度，分析其結(jié)構(gòu)特性。
2)在挖方區(qū)分區(qū)、分塊并編寫山頭號，明確該區(qū)域紅砂巖類別，采取不同的施工工藝。
3)紅砂巖最顯著特點是吸水性、透水性強、遇水易膨脹，現(xiàn)場一定要做好防水、排水、引水工作，這是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵。
4)紅砂巖土質(zhì)宜采用振動碾壓，“慢駛、多次”的碾壓方法，確保填筑密實度和孔隙率，降低工后沉降。
5)結(jié)合變形監(jiān)測，及時獲取紅砂巖施工現(xiàn)場變化。
6)通過工程實踐，證明了紅砂巖土質(zhì)填料施工的可行性，為類似工程提供了參考。
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