强夯法在非洲某机场不停航施工中的应用

焦淑贤，胥祥伟，汪日灯

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.中交机场勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引 言

朱巴国际机场是南苏丹惟一的国际机场，建成于20世纪80年代，常年缺乏维护，设施、设备陈旧落后，跑道、滑行道道面破损严重，严重影响飞行安全，亟需修复改造，且改造必须采用不停航施工方式。

不停航施工改造是指在不影响机场正常运营或者在夜间航班结束后进入飞行区进行施工，不停航施工工期紧，有效作业时间短，工艺复杂，技术要求高、难度大，安全保障责任重大，必须确保机场在施工完成后能够即刻投入正常运营［1］。

强夯加固地基处理方法具有工艺简单、效果显著、费用低廉、适用土层范围广、施工周期短等突出优点［2－4］，在国内工程应用范围很广［5－8］。但强夯施工所需的龙门架很高，移动不便，在飞行区施工突破净空，影响飞行安全，尤其在非洲运营管理混乱的机场，存在极大安全风险。本文依托实体工程，分析强夯参数确定原则，并探讨强夯法在不停航施工条件下的应用效果，以期为类似工程施工提供参考。

1 工程概况

南苏丹地处东非中央，位于北纬4～10度线之间，靠近赤道，属热带草原气候，每年5～10月为雨季，气温在20℃～40℃，11月至次年4月为旱季，气温在30℃～50℃。降雨量较为充沛，年降雨量约为1 350～1 600mm。

朱巴国际机场海拔461m，目前跑道长2 400 m，宽45m，飞行区技术指标为4C，最大能够满足B737－300飞机起降使用。项目预期将跑道延长至3 100m，使之能够满足B767－200飞机使用，飞行区技术指标升级为4D。

对700m跑道延长段原有地质情况进行勘察，下卧土层依次为：黏性素填土，灰黄色，主要由粉质黏土组成，含较多细砂，松散，未经压实，层厚2.5～4m；砂混黏性土，灰黄色，以粗砂为主，混约40%黏性土，松散，未经压实，层厚2～3.2m。以下分别为砂土层、砾石层等，不属于需加固的土层不予描述。

为加快工期、减少成本，项目采用强夯法对700 m跑道延长段地基进行加固处理。

2 强夯参数确定

为确保地基加固效果，正式强夯施工前，在设计强夯参数的基础上，于跑道延长线上选取40m×20 m的场地进行试夯，以确定点夯能量、收锤标准、夯点间距以及间歇时间等参数。

在试夯区某一夯点位置附近设水位观测点和孔隙水压力观测点，经过一段时间的连续观察和监测（表1），该段时间内地下水位埋深基本稳定在3.1m左右。因此，可埋设3组孔隙水压力计进行水压力观测，埋深分别为4、6、8m，每组设置5个孔隙水压力计并呈直线分布，水平间距为1.5m，如图1所示。

表1 地下水位观测情况

图1 孔隙水压力计布置

2.1 点夯能量

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012），对于粉土、黏性土等细颗粒土，单击夯击能量3 000kN·m的有效加固深度为6.0～7.0m，因此暂定点夯能量为3 000kN·m，夯锤采用直径2.2 m、锤重15t的圆形平底锤，落锤高度为20.4m，采用徐工生产的50t履带吊机施工。

对试夯区某一夯点进行单点连续10次夯击，每次击夯后，立即对孔隙水压力计进行读数并记录。超孔隙水压力随夯击次数的变化见表2、图2。

有研究资料表明［9］，可以认为当孔隙水压力增量随着夯击次数增加而逐渐趋于恒定时的能量即为最佳点夯能量。

由表2和图2可知：不同埋深的超孔隙水压力随着夯击次数的增加逐渐趋于某一恒定的数值，说明该土层所能接受的能量已达到饱和状态，此时的夯击能就是最佳点夯能量。

通常认为，强夯时不同深度处的超孔隙水压力即为夯锤在该深度处产生的附加应力［10－11］。引用地基变形计算深度的概念，将超孔隙水压力与地基土自重应力比值为0.2处对应的深度作为有效加固深度［12－14］。经计算，夯击能为3 000kN·m 时，该地基的有效加固深度在6m左右，印证了前述夯击能选择的正确性。而埋深8m处的超孔隙水压力在10次连续夯击后达到了8.44kPa，说明强夯的影响深度可达8m，点夯能量为3 000kN·m是足够的。

表2 单点夯击时的超孔隙水压力

图2 夯锤正下方不同深度处超孔隙水压力随夯击次数的变化

强夯有效加固深度h通常可以用Menard公式计算［15－16］，即

式中：α为有效加固深度系数，与各土层的力学性能参数有关；M为夯锤质量；H为夯锤起吊的高度。

本试验通过有效应力与土层自重应力比值确定的有效加固深度为6m左右，根据Menard公式反算得到有效加固深度系数α为0.11，可为今后非洲该地区或类似地质条件下强夯的方案设计与施工提供技术性参考。

2.2 收锤标准

按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）和《强夯地基处理技术规程》（CECS 279—2010），收锤标准按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，并同时满足下列条件。

（1）最后两击的平均夯沉量不大于50mm。

（2）夯坑周围地面不应发生过大的隆起。

（3）不因夯坑过深而发生提锤困难。

对试夯区某一夯点进行单点夯击，夯击次数和夯沉量统计见表3。

表3 夯击次数和夯沉量

由表3可以得出：当单点夯击次数达到9击时，最后两击的平均夯沉量小于50mm。从整个试夯区来看，各夯点累计夯沉量在1.8～2.3m之间，同时根据监测，夯坑周围地面没有发生大的隆起，也没有发生提锤困难。根据试夯情况，一般单点夯击次数在10击以下时，最后两击的平均夯沉量已经小于50mm，但根据土基类型和夯击经验，设计要求单点夯击次数不小于10击，而此时地下不同深度处的超孔隙水压力也趋于稳定，因此可将10击作为收锤标准。

2.3 夯点间距

强夯采用点夯、复夯、满夯的工艺组合进行，点夯、复夯夯击10次，夯击能量为3 000kN·m，夯点采用梅花形布置，现场试夯时，夯点间距暂定为5m；满夯夯击2次，夯击能量为1 000kNm，夯击时点与点之间搭接1／4锤径。

夯点间距主要根据夯击点的侧向影响范围确定，与土基的类型、点夯能量以及夯锤直径等因素有关，一般为夯锤直径的1.2～2.5倍。从现场试夯情况来看，夯坑周围地面没有发生大的隆起，说明设计夯点间距5m是合适的。

此外，地下水的超孔隙水压力的空间分布显示，在不同深度处，当距强夯点的水平距离超过3m时，超孔隙水压力呈现较为明显的下降趋势，即有效应力的扩散能力在距夯点水平方向超过3m后会显著下降，因此夯点间距不可大于6m（图3）。

2.4 间歇时间

强夯点夯、复夯之间的间歇时间主要取决于孔隙水压力消散的时间，应该在试夯时根据孔隙水压力的监测情况来确定，对于排水条件较好的地基土，往往可以进行连续夯击作业。

图3 一次夯击时超孔隙水压力的空间分布曲线

对试夯区某一夯点强夯后40h内地下孔隙水压力进行连续监测，结果见表4和图4。

由表4和图4可以得出：对单点强夯后，超孔隙水压力会马上进入消散的过程，且消散速度较快。一次强夯后，2.5h内超孔隙水压力消散程度接近90%，且趋于稳定，夯后20h超孔隙水压力基本消散，说明由强夯引起的孔隙水压力在很短的时间可以得到消散，强夯对孔隙水压力造成的影响不大；从连续的监测情况来看，地下孔隙水压力的变化基本与地下水位变化一致。因此根据试夯结果，现场可以进行连续夯击作业，实际操作时，根据施工设备、工期安排，点夯、复夯之间的实际间歇时间为一周左右。同时，各试夯点累计夯沉量均小于地下水位埋深，因此在强夯施工时无需采取措施降低地下水位。

表4 一次强夯后的超孔隙水压力监测数据

图4 一次夯击不同深度处超孔隙水压力消散曲线

3 应用效果

对整个试夯区满夯完成后，静置2周，使地基最终稳定，对其进行标准贯入试验及密实度试验，发现强夯之后地基土标准贯入击数都在15击以上，压实度不小于96%，满足设计要求。

4 不停航施工措施

根据《民用机场运行安全管理规定》（CCAR－140），在跑道有飞行活动期间，禁止在跑道端之外300m以内、跑道中心线两侧75m以内的区域进行任何施工作业；在跑道端300m以外区域进行施工的，施工机具、车辆的高度以及起重机悬臂作业高度不得穿透障碍物限制面。对跑道延长段700m进行强夯施工时，由于强夯机起重架升起后已穿越障碍物限制面，所以强夯施工全部改为夜间停航施工。

为应对夜间强夯施工期间飞机临时紧急起降的情况发生，项目部与业主、机场管理部门、塔台管制部门、安保部门、施工单位建立有效沟通联络机制［17－18］。

（1）各单位之间设立专线电话，派专人值班，随时确保畅通。

（2）各单位之间对讲机设立施工专用无线通讯频道，派专人值班，对讲机使用时不得乱调频道和发信号，防止发射干扰飞行安全的无线电信号，影响机场运行安全。

（3）派专人密切注意跑道助航灯光，一旦打开或接到塔台有飞机起降的通知，立即启动应急预案，人员、机具、车辆全部撤离施工区域。

4.1 强夯紧急撤离演练

为进一步提高现场指挥、应对突发事件的能力，成立了由南苏丹交通部、民航局、机场管理部门、军方、联合国、项目部共同组成的安全控制领导小组，并举行了强夯紧急撤离演练。根据预先制订的专项应急预案，检验了在接到飞机紧急降落指令后，项目信息系统畅通程度，人员、机具、车辆按照预定线路紧急撤离，人员现场自我应急救助能力，中外籍员工定点医院救护联络等，检验了应急预案的可执行性和完备性，强化项目的应急处置能力。

4.2 主要施工措施

在飞行区进行强夯施工作业，安全保障责任重大，为确保第二天顺利通航，强夯施工中主要保障措施如下。

（1）强夯施工前，查明场地范围内的地下构造物和各种地下管线的位置及标高，并采取相应措施，避免强夯施工而造成损坏。

（2）在新、老跑道交接部位，为了消除强夯对老跑道道面的影响，设置一道底宽0.5m、顶宽2.5 m、深度2m的隔震沟。当天强夯施工完成后隔震沟内回填沙，并用钢板覆盖。次日再进行临近区域强夯作业时，应挖出隔震沟内沙，再进行强夯作业。

（3）跑道端部300m范围内的强夯完成后填平夯坑，整平并碾压密实。

（4）做好施工安全教育和每日现场班前安全教育。

（5）规定人员、机具、车辆行驶路线，设立警示灯，派专人指挥交通。

（6）成立安全控制领导小组，制定应急预案。

（7）飞机起飞、着陆前半小时完成清理施工现场的工作，将施工人员、机具、车辆全部撤离施工区域。

5 结 语

南苏丹朱巴国际机场改造项目成功地在不停航施工的情况下进行机场飞行区强夯加固地基处理，并得出以下结论。

（1）通过试夯，对孔隙水压力、地下水位、夯沉量进行监测，确定了点夯能量、收锤标准、夯点间距以及间歇时间等参数。

（2）建立不停航施工进出场许可制度及有效的沟通联络机制，并进行强夯紧急撤离演练，确立了施工过程中飞机紧急起降应对机制。