尼日利亚某船厂船坞岩土工程分析与评价

魏 铮

WEI Zheng

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武昌438071)

尼日利亚某船厂地处尼日利亚南部邦尼河下游，距河口约22 km，船厂总土地面积达12.2 万m2，岸线约400 m。船厂前方水域布置舾装码头，由码头平台和1 座引桥组成，水工建筑物拟采用高桩梁板式结构，船厂陆域布置船坞、总组场、分段堆场、船体车间、舾装车间、管加车间、仓库、试验与培训中心、办公楼等，见图1。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

工程项目所在位置面朝邦尼河(BONNY RIVER)，地貌形态为河流冲击平原，岸坡平缓，水下地形平坦，水域拟建设一座码头平台和一座引桥。陆域场地地形平坦开阔，布置有船坞、滑道、简易车间、办公室、住宅楼等。

1.2 地质构造

非洲大陆由非洲地台和阿尔卑斯褶皱带的一部分组成。非洲地台包括除大陆西北缘从摩洛哥到突尼斯的阿特拉斯山脉之外的非洲大陆、马达加斯加岛和地理上属于西亚的阿拉伯半岛。阿特拉斯山脉是阿尔卑斯褶皱带的一部分。

在尼日利亚，“基底杂岩”的前寒武岩石，包括片麻岩、角闪岩、大理岩及“老花岗岩”构成大部分尼日利亚的基底。晚古生代与中生代时期的构造期后含锡-钨矿脉“新花岗岩”呈现出环状构造。南西—北东走向的Benue 断槽是在石炭纪非洲与南美洲分开时形成的三向构造的一个下降错断的断裂滑块的一部分。Benue 断槽主要被石炭纪陆相和海相沉积物所覆盖。海侵而形成的海相上石炭纪和三叠系沉积物在靠近尼日利亚—贝宁边界的西北sokota 州及该国南部被发现。后始新统沉积物覆盖了大部分的东北尼日利亚以及尼日尔三角洲。中心式火山及小型玄武岩火山渣锥出现在Jos 高原及Benue 断槽。

尼日利亚沿海由2 个沉积盆地组成，由Okitipupa 山脊分开的贝宁盆地与尼日尔三角洲盆地。贝宁盆地岩性主要是砂岩、页岩夹一些向西和海岸变厚以及朝海岸下倾的灰岩。新近沉积物之下为沿海平原砂层，其下为厚黏土层ilaro 组和其他更老的组。新近沉积物与沿海平原砂层由砂与黏土互层组成。

图1 平面位置图

尼日尔三角洲是尼日尔河沿海弧形三角洲，覆盖面积约75000 km2。陆上尼日尔三角洲有着一个广阔的咸水/半咸水红树沼泽带。尼日尔三角洲的岩性分为三个组:Akata、Agebada 与贝宁组。贝宁组主要由大规模的高度渗透性的砂、砾组成，局部为薄页岩/黏土岩夹层，构成了三角洲多含水系统;石油及天然气从Agebada 组砂层中的蓄油层中产出;Akata 组由均匀页岩组成。

本项目的码头船坞位置毗邻尼日利亚邦尼河，其上下游已建设有具一定规模的码头。据尼日利亚1：20 万区域地质图显示，拟建工程区域附近无大的断裂通过，场地区域稳定性较好。

1.3 地形地貌

工程项目所在位置面朝邦尼河(BONNY RIVER)，地貌形态为河流冲击平原，岸坡平缓，水下地形平坦，水域拟建设一座码头平台和一座引桥。陆域场地地形平坦开阔，布置有船坞、滑道、简易车间、办公室、住宅楼等。

1.4 地震效应及场地类别

根据尼日利亚地震灾害分布图显示，在2010年以前哈克特港地区地震记录为芮氏刻度3.0～4.0级，地震危险性很低。

根据资料显示，该区没有发生过大地震，不属于多震地带，可不考虑地基饱和砂土液化的问题。地震设计参数应以相关部门提供的参数为准。

陆域船坞区拟建场地上覆大面积的软弱土及砂土，属建筑抗震不利地段，按照有关规范以2 个钻孔为例进行等效剪切波速估算，估算结果场地土层等效剪切波速在85.8～90.9 m/s 之间，平均等效剪切波速为88. 4 m/s，拟建场地为软弱土。场地基岩埋深按大于80 m 考虑，建筑场地类别为Ⅳ类。

1.5 地层岩性

勘区上覆地层为尼日尔三角洲贝宁组地层，系第四系全新统冲积地层(Qal4)，覆盖层厚度大，钻探深度内未揭示到下卧基岩。由于贝宁组地层主要由大规模高渗透性的砂土组成，其沿海平原砂含水层是一个由土层分割开的多含水层系统，贝宁组含水层中含有许多优质水，地下水丰富，地下水活动频繁。受其影响，地层中的砂土状态不甚稳定，变化明显。船坞区主要岩土层如下:

浅黄色、灰白色，含云母，土体呈松散状态，遍布于勘区陆域表层，分布广泛连续，分布稳定，厚度薄，平均分布厚度2.14 m。该单元土体呈松散状态，其平均标准贯入击数N=5。

褐灰色，混腐植物，有臭味，粘性强，为弱泥炭质土，土体呈流塑状态，广泛分布于勘区陆域上部浅层，为勘区陆域上部主要地层，分布连续稳定，厚度大，平均分布厚度11.34 m。该单元土体呈流塑状态，具高压缩性、强度低的工程特性，为软弱土层。其平均标准贯入击数N ＜1。其主要物理力学特性见表1。

表1 单元土体特性指标综合统计表

褐灰色，含云母，主要为中砂，仅场地北侧为粗砂。该单元土体多呈松散状态，局部少许呈稍密状态，分布于勘区泥炭质土层之下，连续分布于水、陆域上部地层中，分布广泛，但分布厚度不均，平均分布厚度7. 61 m。其平均标准贯入击数N=8。

褐灰色，含云母，土体呈中密状态，以透镜体形式在第③大层中产出，零星分布，仅在水域及陆域南侧有揭示，在场地陆域北侧缺失，厚度小，其平均分布厚度4.11 m。其平均标准贯入击数N=20。

灰白色、灰黄色，以中砂为主，局部为粗砂，含云母，颗粒不均，混粗颗粒，土体呈松散状态。该单元体在勘区水、陆域均有分布，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，其平均标准贯入击数N=7。

灰白色、灰黄色，以中砂为主，局部为粗砂，含云母，颗粒不均，混粗颗粒，土体呈松散—稍密状态。该单元体在勘区水、陆域分布连续稳定，一般厚度较大，为勘区地层中部主要单元土体，其平均标准贯入击数N=11。

黄色、灰黄色，局部混少许灰白色，以中砂为主，局部为粗砂，场地北侧陆域混少许砾砂，含云母，颗粒不均，局部含圆砾及角砾，土体主要呈中密状态，局部少许呈密实状态，连续分布于勘区水、陆域④-2单元体以下，分布连续广泛，厚度大，其平均标准贯入击数N=19。

1.6 特殊性岩土

据钻探揭示，陆域船坞区分布有②-2 泥炭质土层，根据当地UNIVERSITY OF PORTHARCOURT 试验室的试验结果，其有机质含量为12. 55%(12.55%～24.84%)，属弱泥炭质土。②-2 单元土体属软土，具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、渗透性差、抗剪强度低、触变性及流变性强的特征，工程性能不良。本工程对场区分布的软土应进行地基处理后使用。

1.7 地基基础方案与持力层选择

根据钻探揭示，地层上部①中砂呈松散状态、②-2 泥炭质土呈流塑状态，强度低，均为软弱土层;③-1 中粗砂呈松散状态，强度较低;③t 中粗砂呈中密状态，强度较好，但分布零星;④-1 中粗砂呈松散状态，强度低;④-2 中粗砂呈稍密状态，分布连续、稳定但强度一般;⑤中粗砂分布连续、稳定，厚度大，强度较好。船坞区典型工程地质剖面图见图2。

船坞的基础方案视场区的地层结构特点，以及船坞荷载的最大组合和结构形式确定。

图2 船坞区工程地质剖面图

方案一，当荷载最大组合的基底压力小于地基土的承载力时，可考虑采用天然地基。根据场区的地层结构特点，场区地层上部各单元土体难以满足要求，应进行地基处理。地基处理方法应视坞室埋深的要求，对应所选择的单元土体确定，对泥炭质土可采用水泥搅拌桩等复合地基，对砂土可使用振冲法等方法进行地基处理，具体措施可在下阶段施工图勘察时根据施工图设计明确的船坞开挖深度、结构方案等确定。

方案二，若坞墙和底板连成整体，形成重力式坞室，则荷载较大，而且干船坞在使用期间，坞内干涸无水，应注意要求坞室在船重作用下不出现过大的变形;若船坞底板与坞墙不连成整体，则要求对墙与底板之间的接缝进行防渗处理，各独立部分的沉降变形也必须严格控制。在这两种结构形式下，若天然地基不能满足荷载最大组合的基底压力的要求，或变形不能满足要求时，须采用桩基础，其桩型可选用钢管桩、预应力管桩(PHC)或钻孔灌注桩，桩基持力层可根据上部荷载大小，以④-2 中粗砂、⑤中粗砂作为桩端持力层。

鉴于该区表层分布厚达10 余米的泥炭质土，坞底可能部分坐于其上。该单元土体强度低，厚度大，分布广，故船坞采用天然地基难以满足要求，进行地基处理工作量大，工期长，建议采用方案二。

根据岩土试验及原位测试结果，提出各单元岩土层的地基设计参数见表2，最终参数值应由试桩资料确定。

表2 地基岩土层设计参数表

1.8 基坑开挖与支护

1.8.1 基坑等级与周边环境

按照初步设计方案，拟建船坞拟采用支护明挖施工，主体结构基坑开挖深度初步拟定在设计地面下深约11～15 m，该基坑位置位于海边，周边环境较为开阔、简单。根据本船坞的使用功能、结构形式及中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程(JGJ 120—99)》之规定，拟建基坑安全等级为一级，重要性系数为1.10。

1.8.2 基坑工程地质、水文地质条件

拟建船坞基坑开挖后，组成坑壁的主要土层为上部黏性土层——泥炭质土层，下部无黏性土层——③-1 松散中粗砂，基坑底土层主要为④-1层。黏性土层工程性能差，抗剪强度低，赋存有上层潜水;无黏性土层自稳性差，有较强的透水性，赋存有弱承压水。

1.8.3 地下水的不良作用

(1)渗透变形

①流土(砂) 流土是指在向上渗流作用下局部土体表面的隆起、顶穿或粗颗粒群同时浮动而流失的现象。

流砂多发生在颗粒级配均匀而细的粉、细砂中，有时在粉土中亦会发生。其表现形式是所有颗粒同时从一近似于管状通道被渗透水流冲走，流砂发展结果是使基础发生滑移或不均匀下沉，基坑坍塌、基础悬浮等。

当土层由粒径均匀的细颗粒组成，而水力梯度较大，流速增大，易形成流土。

②管涌 管涌是指在渗流作用下土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙通道中发生移动并被带走，逐渐形成管状通道，从而掏空地基，使地基变形、失稳的现象。

管涌多发生在非黏性土中，其特征是:颗粒大小的比值差别较大，常缺少某种粒径，磨圆度较好，孔隙直径大而互相连通，细粒含量较少，不能全部充满孔隙。颗粒多由相对密度较小的矿物组成，易随水流移动，有较大的和良好的渗透水流出路等。

由于基坑开挖，破坏了地下水的动态平衡，在基坑降水设计中，应根据地下水的实际动态渗流情况，进行抗渗透稳定性验算。当实际水力坡降大于允许水力坡降时，将会发生流土或管涌。

(2)基坑突涌

该区赋存有弱承压水，水量丰富，而表层均布有黏性土层，为不透水层，当基坑开挖至一定程度后，该承压水的水头压力将顶裂或冲毁基坑底板，造成突涌现象。该突涌现象将是本基坑开挖过程中的短暂现象。

1.8.4 基坑工程设计方案

(1)支护设计方案 基坑范围约为200 m ×76 m，平面呈长方形。基坑周边环境较为宽松，无地下管网等障碍，为基坑开挖时放坡、支护结构设置提供了有利条件。初步设计开挖深度在拟设计地面下深约11～15 m，属一级深基坑，虽周边环境条件较为开阔、简单，但基坑坑壁和坑底均为强透水的中粗砂层，赋存有弱承压水。地下水对基坑工程影响较大。

根据钻探揭示，本区②-2 泥炭质土层较厚，土质松软，土体强度低，为软弱土层。本区地下水丰富，分布较厚的砂土，为强透水层，且具有弱承压性，地下水对基坑开挖影响较大，为防止渗透变形引起的流土、流砂、管涌以及坑底突涌等地下水的不良作用，基坑支护结构设计既要考虑支挡侧土压力，又要兼做止水帷幕。按此要求，基坑开挖可采用止水帷幕或桩、锚、喷射混凝土联合支护等措施处理，既可以挡土又可以挡侧壁地下水和下渗的地表水。现提出两种支护设计方案供比选:其一，钢板桩+高压旋喷桩止水帷幕+内支撑;其二，钢筋混凝土地下连续墙+内支撑。

当采用高压旋喷止水帷幕时，为使高压旋喷止水帷幕形成连续、均衡的不透水体，必须精心组织施工。钢筋混凝土地下连续墙止水效果良好，但由于基坑范围大，必须辅以内支撑，以增加支护结构的稳定性和有效扼制基坑变形。建议采用钢筋混凝土地下连续墙+内支撑的方案。若地下连续墙能兼作坞墙，则可节约投资，实现经济与技术的统一。

(2)地下水处理方案 本工程对基坑构成危害的地下水主要是潜水和弱承压水，潜水主要赋存于上部黏性土层中，水量不大，易于明排。本工程主体基坑均揭穿相对隔水层，坑壁下段为透水和赋水的中粗砂层，坑底进入弱承压含水层中粗砂层中，毫无疑问，若对弱承压水不进行治理，将无法进行基坑开挖与船坞结构施工。

地下水的治理可采用止水帷幕(高压旋喷桩或地下连续墙)，由于基底以下砂层厚度较大，难以将止水帷幕向下嵌入不透水层中，建议止水帷幕采用悬挂式，这样，可以增长渗透途径，减小地下水力梯度和流速，当坑内降水时，有利于减小坑外地下水的降幅，减小对周边环境的影响。

降水方案可采用管井降水，降低坑内水位至坞室底板以下，以保证基坑开挖和坞室施工的顺利进行。

(3)基坑设计参数 根据土工试验结合基坑设计的有关规定和工程经验，将基坑支护、降水设计参数建议值，推荐于表3。

表3 基坑支护、降水设计参数

2 结 语

(1)根据区域地质资料揭示，勘区附近无活动性断层通过，地质调查未见有现代构造活动形迹分布，不良地质作用不发育，工程地质条件良好，场地稳定，适宜本工程建设。

(2)该区域历史资料显示该区没有发生过大地震，属地震不活跃地带，抗震设计宜按当地有关规定执行。

(3)该区表层有一定厚度的泥炭质土，设计时应考虑负摩阻力的影响。

(4)根据该区工程地质条件，建议船坞区荷载较大的重要建筑物采用桩基方案，桩型选择预制桩，或者钻孔灌注桩，以④-2 以下单元土体作为桩端持力层。