安徽华谊化工有限公司年产60万吨甲醇一期项目岩土工程勘察实录

2020-05-16王小勇陈诚奚亚男

安徽地质 2020年1期

王小勇，陈诚，奚亚男

（安徽工程勘察院，安徽合肥 230011）

0 前言

2007年经安徽省发展和改革委员会批准，安徽华谊化工有限公司在安徽省无为二坝开展煤基多联产精细化工基地建设，安徽华谊化工有限公司年产60万吨甲醇一期项目（图1）即为其中的重要组成部分。

2007～2010年，安徽工程勘察院承接了该项目的详细勘察工作，从项目勘察开始到竣工全过程参与了其中的岩土工作，经与建设单位、设计单位及咨询单位密切配合，高质量地完成了勘察任务。勘察过程中采取了多种手段，进行了技术创新，勘察报告结论正确、建议合理，并全方位参与了后期服务，深受建设单位的好评。

1 工程概况

1.1 工程简介

安徽华谊化工有限公司年产60 万吨甲醇一期项目包括年产60万吨甲醇、50万吨醋酸乙酯、自备热电厂、空分装置、工业水厂、除盐水和污水处理站、自备电厂以及专用码头[包括散货码头、重件码头、化学品码头，码头栈桥跨长江大堤(延伸至江中500m）]、300m 专用铁路以及5 条市政道路（路幅宽35m，均为城市主干道）、仓储等公用工程等，占地面积约1997亩，工程总投资达到51.6亿元。

代表性单体如：重型设备荷载（灰水处理系统）中单台设备即重达130000kN，高耸建筑火炬高80m，烟囱高120m，框架单柱最大荷载（气化系统）30000kN，深基坑工程（沉渣池系统，埋深达10m）。

该工程整体对沉降变形要求较高。

1.2 勘察方法和手段

针对该工程场地地质条件、工程特点和设计要求，勘察工作中主要采用了钻探（包括水上钻探）、静力触探试验（单桥、双桥）、标准贯入试验、单孔波速测试、十字板剪切及室内试验等综合勘察手段。

图1 安徽华谊化工有限公司年产60万吨甲醇一期项目全景图Figure 1. Full view of phase I project of annual output of 600,000 tons of methanol of Anhui Huayi Chemicals Co., Ltd.

1.3 勘察工作布置

（1）勘探孔位置、间距均按国标及各行业相关规范确定；勘探孔深均按照桩基础考虑，进入预计桩端以下不小于5～7m；部分栈桥、火炬、烟囱等拟建（构）筑物按大直径灌注桩考虑，孔距按照10～15m 设计，均匀布孔，孔深要求进入中风化岩石不小于5m。

（2）岩土样测试等除满足常规规范以外，针对深基坑工程、边坡工程、桩基参数确定等问题进行了特定试验项目。软土中增加了无侧限抗压强度（原状、重塑）、静止土压力系数（K0），先期固结压力、固结系数；砂土中采取了原状砂样进行了相对密度、自然休止角、渗透系数等室内试验项目。

（3）原位测试主要采用常规的标准贯入试验、静力触探试验及波速测试。静探选择了双桥、单桥两种方式进行数据对比。在软土中进行了十字板剪切试验。

1.4 勘察完成主要工作量

本次勘察共完成勘探点1657 个，勘探总进尺48481m，取土样1920 件，进行标准贯入试验2121 次，重型动力触探试验202 次，土样常规试验1024 件，三轴试验共164 组，高压固结试验48 组，固结系数试验131件，颗粒分析试验896件，渗透系数试验323件，软土无侧限抗压强度试验114 组、静止土压力系数试验10 组，砂土相对密度试验80 组、自然休止角试验62件，岩石饱和抗压强度20组。

2 场地岩土工程条件

2.1 地形地貌

场地地处长江北岸，属水网地区，地貌单元属沿江丘陵平原区，微地貌分为长江河床及河漫滩，表部主要由全新统芜湖组粉质黏土、淤泥质粉质黏土组成，原始地形平坦，高程在5.00m左右，场地内沟塘分布较多。码头区由堤岸向江心处倾斜，坡度为20o～25o，江底地形较平坦，高程在-15.0～-20.0m左右。

2.2 区域地质构造和稳定性

场地位于淮阳山字型构造前弧东翼，本区及附近主要断裂构造有3条，均为隐伏构造，以北北东、北东向最为发育。

场地处于扬州—铜陵地震带，属地震中等偏低活动区。场地构造活动较弱，区域稳定性较好，抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速值为0.05g，地震分组为第一组，属于基本稳定区。

2.3 地层

根据区域地质资料和勘探揭露，工程区位于扬子地层区下扬子地层分区，均为第四系全新统（Q4）淤泥质土、粉质黏土、粉砂、中细砂和砂砾层所覆盖，下伏基岩为侏罗系（J）凝灰质粉砂岩。

根据勘探揭露地层的成因时代、埋藏特征及工程地质特性，结合原位测试及土工试验成果，将工程区内地基岩土体共分为9个工程地质组（见表1）。②层～⑥层为影响工程的主要地基土层，其主要物理力学性质指标见表2。

表1 工程地质层岩性及分布特征一览表Table 1. List of lithology and distribution characteristics of engineering geological strata

表2 ②层～⑥层地基土主要物理力学指标表Table 2. Main physical and mechanical indexes of layer 2-6 foundation soils

2.4 地下水

（1）场地地下水类型主要为潜水和承压水。潜水主要赋存于吹填砂土中，地下水水量、变化幅度受大气降水及地表水影响较大。承压水主要为赋存于场地内的砂土及卵石中，含水层厚度约40m，勘察期间承压水位高程约4.50m，年变化幅度1.00～1.50m，水量丰富，主要为侧向补给，地下水流向由西北流向南东，与长江水有水力联系。

（2）经采取地下水水样测试，场地地下水对钢筋混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性。

2.5 不良地质作用

场地及周边不良作用不发育，但场地内存在软土，表部分布大量的暗塘，对工程有不利影响。

3 勘察工作难点及解决对策

3.1 勘察工作难点

由于本工程特殊的设计及工程所在地特殊的地理位置，使得本工程岩土工程勘察在通常的勘察要求需要再着重考虑如下问题：

（1）本项目规模大，工期要求较紧，且涉及工民建、水运、市政、铁路、电力等多个行业，因此勘察成果要同时符合各行业的要求，对勘察的组织及各工序过程衔接、质量控制均有很高的要求。

（2）本项目部分建（构）筑物单体荷载大，运营期有动荷载，对基础及地基持力层选择、变形控制要求高，要求勘察报告提供的岩土参数准确、合理、经济。

（3）场地地基岩土层主要为软土、砂、卵石及风化岩，并夹软弱透镜体，承压水头较高，要保证钻探的高采心率、准确划分地层有一定难度。

（4）工程区紧邻长江，码头工程伸入长江主航道约500m，长江水流急、施工水域水深最深达30m 左右，水上钻探施工难度大，陆域场地内沟塘地段也有部分水上钻探工作。

（5）根据设计要求，软土及砂土均要采取部分原状样，样品等级要求达到Ⅰ级，有大量的特殊性试验，且要求在卵石层中取代表性样品，对于取样质量要求较高。

（6）项目区属血吸虫高发区，对于现场职工安全健康管理形成了很大的挑战。

3.2 解决对策

（1）详细勘察前根据初步勘察成果及设计要求，编制了详细的勘察纲要，对于各行业工程采用的技术标准、勘探方法及设计工作量、质量控制等均进行了详细规定。勘察作业时成立了项目部，实行项目负责制，下设施工组、技术组、测量组、试验组、后勤组等，人员囊括钻探施工、技术员、测量员、安全员、试验员等各类专业人员，高峰期项目部达80余人，项目部成员通过岗前培训明确岗位职责，各负其责，项目负责常驻现场，总管协调，院技术管理部门适时至现场指导检查，确保了勘察质量和勘察工期的双合格。

（2）勘察时采用了多种手段，同时进行了大量的原位测试（尤其是在砂层中按一定间隔连续进行标准贯入试验），并采取了大量的样品进行室内试验。对于样品取样、送样及测试时间均严格按要求执行，确保了土工试验数据的可靠性，并与原位测试数据进行了大量对比，筛选剔除异常数据，确保提供的岩土参数准确性。

在整个工程进行过程中，勘察单位及时通过与设计单位、咨询单位协同分析，优先选定部分单体先行进行基础设计及试桩工作；并根据试桩成果，通过试桩与工程桩之间的工程地质条件的比对分析，对先期提供的岩土参数进行优化，同时也对后期勘察的勘察手段、勘察深度、间距、岩土参数等进行适时优化调整，确保了所提供岩土参数的合理性、经济性。

（3）钻探均采用泥浆护壁或跟管钻进，严格控制每回次进尺及施工工艺，软土采取率达到90%以上，砂层中采取率也达到75%。同时，在陆域场地进行了大量的大吨位静力触探探路（即在钻探前先进行静探，找出重点深度，在钻探时重点查明）及比对工作，较好地揭示了软弱透镜体的分布。

（4）勘察中的水上钻探包括长江主航道、近岸区及陆域少量池塘的水上钻探。勘察单位根据池塘和江水的不同特点分别采用了筏排法和船载法作业方式。

陆域上池塘中水深较浅，船无法进入，因此运用筏排法，以废旧油桶搭建成简单的水上钻探施工平台。

而长江上的水上钻探作业，安全性及测量控制是要点。由于长江河水较深、流速较快、浪大，因此采用双体钻船（主航道钻船采用400吨铁壳船，近岸区钻船采用100吨铁壳船）船载法，将两只船横排并进，中间留有间隙以槽钢与船帮焊接并用木板铺平形成平台，船头与船尾均用铁索合并，钻机焊与平台上，钻船四角均有缆绳，靠岸边时可将缆绳固定于岸上，离岸远时四角下锚固定，根据水涨水落情况适时调整固定钻船缆绳。工作人员一律穿戴救生衣进行水上作业，作业均严格按照安全作业规程及当地主管部门要求执行。

勘察过程中，水上勘探孔均随钻随测，定位先由GPS 初定坐标，再由全站仪测定绞锚到位，钻进过程中跟测水深及回次上余量；水域勘察期间每天均按照长江潮汐时间表定时测量水位。钻探时采用双层套管跟进，所有钻探孔均全断面取心，岩心采取率大于90%。通过这些工作措施，既确保了钻探施工安全，也保证了勘察质量。

（5）为满足取样的特殊要求，勘察中，对软土采用软土专用固定活塞式薄壁取土器，对砂土采用内环刀式取砂器，试样等级匀满足Ⅰ级标准；对于卵石则采用单动双管，以SM胶作为循环液，最终卵石取心率达90%，卵石试样等级满足Ⅱ～Ⅲ级标准，虽达不到Ⅰ级标准，但较常规取样质量有了大幅提高，可以作为代表性样品。

（6）勘察施工时，针对血吸虫高发的情况，在项目现场对进场所有人员进行了相关知识普及教育，项目施工人员统一居住，严格施工区域的人员进出管理，除现场采取必要的防护措施外，定期安排职工到当地血防站进行血吸虫病检查和救治。

4 岩土工程重点问题及分析评价

工程区场地属于基本稳定区；但场地内普遍存在深厚软土，工程地质条件、水文地质条件较复杂，项目工程类型多样，整体对沉降敏感，部分单体荷载较大，因此本工程的岩土工程重点问题主要集中在特殊性岩土、地基方案、地震效应、基坑工程、地下水控制等几个方面。因本工程规模大，考虑到投资经济性，地基方案尤其是桩基方案是整个岩土工程问题的重中之重。

4.1 特殊性岩土

拟建工程区内对工程影响最大的特殊性岩土主要为软土，岩性主要为淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土、淤泥，在场地内广泛分布，厚1.80～7.90m，同时有部分软土以透镜体形式存在于下部砂层中，含水量31.4%～49.8%，孔隙比1.18，液性指数1.24，压缩模量1.60～5.85MPa，无侧限抗压强度24.5kPa，灵敏度均值St=2.02，先期固结压力68kPa，其具有高压缩性、不均匀性、低强度的特性，沉降变形大，易造成地基下沉或基坑失稳，不可直接作为基础持力层。

4.2 场地和地基的地震效应

场地覆盖层厚度约49.0～51.0m，场地土层等效剪切波速Vse 为85～298m/s，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期值0.45s。由于场地内存在大面积深厚软土，拟建场地判定为对建筑抗震不利地段。

经判别，场地内饱和砂土为不液化土。

4.3 地基基础方案

地基基础方案选择的原则是“安全、合理、经济”，因此，根据本次勘察揭露的场地地质条件，结合设计建（构）筑物的结构和荷载特征，将本工程地基基础方案按天然地基基础、地基处理、桩基础进行分类分析。

4.3.1 天然地基方案分析

本项目中停车场、汽车装卸站、配电及操作室（1F）等属于荷载较轻（一般不超过30kPa）的建筑物，设计埋深较浅，对沉降变形也不敏感。

根据勘察揭露，这些拟建物场地在软土上部分布有硬度相对较高的①-2 层粉质黏土，层位较均匀，可作为硬壳层充分加以利用。

通过软弱下卧层验算，当基础埋深设置为1.2m时，上部荷载不应大于40kPa。

因此，这些轻型拟建物建议选择①-2层粉质黏土（硬壳层）作为基础持力层，基础埋深建议1.0～1.2m，要求施工严禁机械超挖造成该硬壳层破坏，应预留50cm作为人工清槽。

4.3.2 地基处理方案分析

拟建市政道路（包括排水管道）、集水槽、工业管线等拟建工程荷载较轻，对沉降变形有一定的控制要求，底板标高较固定，对基础埋深有一定要求。

根据勘察揭露，这些拟建物设计底板已位于软土中，由于软土沉降变形大，超过设计要求，采用桩基成本较高，因此建议对②层淤泥质粉质黏土进行地基处理，考虑到经济性，建议优先选择深层搅拌方案。

4.3.3 桩基方案分析

本项目多数拟建（构）筑物荷载较大或对沉降变形敏感。

由于场地普遍分布深厚软土，沉降变形大，不能满足设计要求，因此这些荷载较大或变形要求的拟建（构）筑物，均建议选择桩基础。根据场地工程地质条件、各拟建物不同的结构特点和变形要求，桩基础建议分别采用泥浆护壁钻孔灌注桩和混凝土预制管桩。

如火炬、烟囱、跨堤栈桥、铁路路基等单柱荷载较大或对沉降变形极敏感的建（构）筑物，建议桩端持力层选用⑦层卵石混砂或⑨层中风化凝灰质粉砂岩，由于持力层埋深较深，混凝土预制管柱难以穿透至持力层，因此建议采用泥浆护壁钻孔灌注桩。

其余拟建单体建筑物、码头工程等考虑经济性，则建议采用混凝土预制管桩（PHC 桩）,桩径400～600mm，持力层根据各拟建物荷载差异，可分别选择④层粉砂、⑤层细砂或⑥层细砂，静压管桩施工需大配重，但场地内表地地层软弱，无法满足静压管桩机械进场地要求，相比较而言，锤击式管柱机械更适用于本场地，因此建议采用锤击式沉桩设备。

4.4 基坑工程

本项目基坑工程主要分两类，沉渣池、受煤坑、转运站等基坑开挖深度在8.0m以上（较深基坑），其余事故集水池及废水池等开挖深度4.0～5.0m（较浅基坑）。基坑均位于软土中。由于软土含水量高、抗剪强度低，容易产生基坑失稳，如基底隆起、基坑边坡侧向过大位移等，但基坑周边环境较简单均为农田，对变形控制要求较低，因此将基坑安全等级判定为二级。

根据基坑工程埋深范围内地层分布情况分析，深度4.0～5.0m 基坑主动土压力及变形量相对较小，建议采用水泥土重力式挡墙方式进行支护，水泥土也可起到止水帷幕的作用，可有效控制变形；深度大于8.0m基坑主动土压力及变形量均较大，单纯采用水泥土重力式挡墙方式进行支护难以控制变形，易造成基坑失稳，建议采用排桩+内支撑或放坡结合重力式挡墙进行支护，同时建议对基坑内采用水泥土搅拌进行被动区加固。

4.5 地下水控制及抗浮水位

地下水对本项目工程的影响主要包括对地下室的浮托作用、对基坑工程的影响以及对基础施工的影响。

影响本工程深基坑的地下水主要为潜水（受大气降水及地表水影响较大）、下部砂土中的承压水（和长江水的联系较强，承压水头高）。由于场地整体地势较低，地下水位较高，地下水对地下室会产生较大浮力，经多因素综合权衡，最终将地下室抗浮设防水位标高确定为设计室外地面整平标高。

由于地下水位较高，基坑（槽）及桩承台开挖施工时均可能出现地下水渗出浸泡的可能，不仅降低持力层的地基承载力，还会造成基坑岩土体抗剪强度降低；管桩施工时如未封闭桩头，也有可能造成承压水上涌，带出地基土中细颗粒组分，造成桩承载力降低；对灌注桩成桩也有不利影响，易造成桩离析事故。为避免地下水对施工质量及工期的影响，建议基坑工程采用深层搅拌桩或高压旋喷桩进行帷幕止水，同时适当进行管井降水，管桩建议封闭桩头，灌注桩采用水下灌注混凝土工艺。

4.6 桩基设计参数优化

本项目大多数工程基础都采用混凝土预制管桩，因此混凝土预制管桩桩基参数提供准确与否直接与安全、经济挂钩，也是最为众人关注的岩土问题。

拟建场地历史上基本无建筑工程，岩土工程经验缺乏，因此首期勘察报告中的桩侧阻力及桩端阻力值均依据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）提供经验值（表3中优化调整前参数），按规范中经验值估算桩长 25m 的 PHC-500（100）AB 桩单桩极限承载力约2000kN，一个承台可能要布置多桩才能满足要求。

为准确测定桩承载力参数，建设单位进行了多根25m桩长PHC-500（100）AB桩的静载荷试验，桩土休止期均超过30 天，最长的达70 天以上，在极限加载3000kN 情况下，单桩沉降量都在15mm 以内，且回弹量在70%以上，说明单桩承载力发挥仍以侧摩阻力为主，端阻力尚未全部发挥；同时考虑到本工程中大部分桩基采用密集群桩，桩端均位于中密—密实状态砂层中，由于挤土效应，后期砂土的侧阻力和端阻力仍会有较大幅度的提高，因此判断桩基参数可在规范经验值基础上提高50%以上，用桩量可大大减少。但在随后进行的桩静载荷试验中又出现了部分桩承载力降低的问题，经分析研究，发现群桩施工造成的场地下部砂层中超孔隙水压力、桩土休止期过短、桩养护期不足、不配置桩尖等因素均可能导致桩承载力下降，因此经过综合分析，确定以桩静载荷试验成果为基础进行适当折减作为安全储备，桩基进入持力层深度应大于8倍桩径，以此为原则对原桩基参数进行优化调整（见表3中优化调整后参数），既能大幅降低工程造价，又能确保工程安全。

对于码头工程及电力工程，可依据港口规范参照桩基参数表应取不小于2.5～3.0的安全系数作为码头桩基的设计依据和安全储备。

存在重型设备及动荷载车间或对沉降要求严格的单体，桩基承载力建议选用0.8 倍的折减系数进行设计，以减小沉降变形值。以25m 长桩为例，当单桩承载力为2400kN时，计算桩基沉降量为5～8mm。

对于场地分布的一定厚度的淤泥质粉质黏土和粉质黏土，土性相对较差，同时考虑到本工程吹填砂厚度平均仅0.5m，且到正式施工时，固结沉降时间将达到1年左右，建议有大面积堆载或大面积降水情况时，应考虑负摩阻力对桩承载力的影响，②层负摩阻力系数建议取0.18。

表3 PHC桩基参数调整对比表Table 3. PHC pile foundation parameter adjustment and comparison

5 结语

5.1 社会及经济效益

安徽工程勘察院通过精心细致的勘探工作，编制了详实、准确的岩土工程勘察报告。报告对工程区岩土工程条件进行了准确评价，对建筑物的地基基础方案等提出了经济合理的结论和建议，在施工过程中提供了及时周到的技术服务，为项目基础施工节约了大量费用。该项目建成竣工后一次试产运行成功，至今运行正常，获得良好成效。该项目获得了“2012～2013年度国家优质工程奖”、“2012～2013 年度化学工业优质工程奖”、“2015年度安徽省优秀工程勘察设计一等奖”、“2015 年度全国优秀工程勘察设计二等奖”。证明了本工程勘察工作提供的数据科学准确，所取得的结论及建议是符合实际的，达到了安全、合理、经济的较好统一，也创造了良好的经济效益和社会效益。

通过本次勘察，还第一次系统地总结了长江北岸二坝地区的岩土工程经验，对该地区软土特性分析研究、预制桩设计及施工具有一定的指导意义。