摘要:
地基处理是海上人工岛机场建设面临的难题，本文总结分析了国内外如关西机场、澳门机场、深圳机场等着名海上机场，结合具体的工程地质条件所采用的地基处理方案，并通过后期对沉降的监测所得到的数据对方案进行评估比较。实践证明，虽然海上机场建设所处的工程地质条件很差，但是通过合理的地基处理方案，可以在保证工期的情况下对后期的沉降起到良好的控制。
关键词：海上机场人工岛地基处理
Abstract：
Foundationtreatmentisthechallengesfacedbytheconstructionofseaairportonartificialisland,thispapersummarizesandanalysisseaairportengineeringathomeandabroadsuchasKansaiInternationalAirport,MacaoInternationalAirport,ShenzhenAirportandotherfamousseaairport,combinedwithspecificengineeringgeologicalconditionsoffoundationtreatmentschemes,andbymonitoringdataoflatesettlementtoevaluateschemecomparison.Practicehasprovedthateventheengineeringgeologicalconditionforairport’sconstructionisbad,throughthesuitablefoundationtreatment,thelatesettlementcanhaveagoodcontrolandensurethetimelimitforaproject.
Keywords:SeaAirport,ArtificialIsland,FoundationTreatment
1前言
随着陆地资源的紧张和航空运输吞吐量的增长，机场建设的占地问题成为城市发展中的一个矛盾，海上机场的建设为沿海城市提供了一种解决方案。自1975年日本第一次利用海域建设长崎机场并投入运营以来，世界各国已经先后在海域上成功建设了十余个机场，如日本关西国际机场、中部国际机场（新特丽亚机场）、韩国仁川国际机场、香港国际机场等。海上机场由于其节约土地资源，对城市环境影响较小，随着工程技术的进步，越来越多的沿海地区也在规划和建设海上机场。
改革开放以来，我国航空运输保持持续快速增长，平均增速达到15%[1]，发展潜力巨大，其中沿海城市又占运输量较大比例。据统计2008年我国158个民航机场中，沿海城市共拥有28个，数量占全国民航机场总数的18%，但是沿海机场旅客吞吐量为13203万人次、货邮吞吐量为452万吨，分别为全国总量的33%和51%，由此可见占海城市的机场运输占有十分重要的地位。机场的建设往往需要占用大量土地，而沿海城市人口密集，机场与民争地的矛盾日益突出，我国拥有18000千米长的海岸线，海洋资源丰富，获取的综合成本低于陆地，且海上机场几乎不存在噪声扰民的问题，因此海上机场的建设对我国沿海城市的民航业发展具有重要意义。
2海上机场的工程特点
现在的海上机场主要分半岛型和离岸型两种。半岛型是指机场由陆地向海域填筑而成的，新建成的机场与陆地连成一片，与外界交通联系较近；离岸型是指机场离开陆地建设，成为海上的孤岛，仅通过桥梁与陆地相连。半岛型机场有新加坡樟宜机场（建设时间1975-1981），珠海三灶机场（建设时间1992-1995）等，离岸型机场有日本长崎机场（建设时间1972-1975），中国澳门国际机场（建设时间1992-1995），日本中部国际机场（建设时间2000-2005）等。
海上机场由于其所处位置的特殊性，地基处理成为机场建设的关键问题。海上机场的基础通常是由填海形成的土地，工程量一般相当浩大，而且由于地基处理问题棘手，对沉降控制要求严格，一般工期比较长。例如日本关西机场建设于平均水深18米的海域中，一期工程和二期工程形成了10.56km2的土地，填土总厚度达33米，动用土、砂石料4.28亿m3，一期用时5年，二期用时8年。然而即使关西机场采用了当时最先进的技术，其基础沉降量仍然超出预期，截至2009年平均下沉幅度达到11.7米，并且出现的不均匀沉降问题导致其建筑结构使用收到严重影响。关西机场采取在较大建筑下取沙换土，以维持海床上的重量平衡，同时设置顶升系统，随时调整补充因不均匀沉降导致的缝隙。
3国内外海上机场地基处理方案举例
3.1日本关西机场
3.1.1机场设计概述
关西机场为离岸型，按设计要求，整个工程将先用填筑施工法建成一个面积为5110米的海上人工岛，然后再在岛上建造海上机场环绕人工岛的护岸全长约11公里。在岛上将建有起落跑道，引导跑道、停机坪、候机楼、导航设施。根据第一期工程建设计划，机场的年设计起落能力达10万次，日起落能力可达280次。
该机场的施工海域的水深为16.5米～19.0米左右。海底地基20米左右以上为软弱的冲击粘土层，再往下至100米左右为粘土层与砂砾层交互而成的洪积层。该海域的施工条件与日本以往建造的人工岛相比，具有海水深、面积大、填筑土石方量大等困难。据计算，除掉护岸外，护岸内的需填筑的土石方总量约为1.5亿米，这些土石方重力载荷将作用到洪积层的深层。这样，不仅施工量大，而且也给地基处理带来新的难题。因此，海洋地基地质调查，护岸的设计与施工，填筑施工及地基沉降处理等将是机场建造中的几个关键问题。
3.1.2海地地基特性
冲积粘土层的特性：整个建设场地的地基表面20米左右的冲积粘土层主要由海成粘土组成，其中淤泥占40～60%，粘土占60～40%。其土质主要是高塑形无机质粘土，塑性指数Ip=10～80，液限WL=30～120%，为一般的港湾海地的粘性土。且由单轴压缩试验得到的单轴压缩强度qw指分布比较分散。[2]
洪积层特性：与冲积粘土层相比，洪积土层较厚，多层交叠，构成复杂。
3.1.3护岸地基处理
护岸是人工岛的重要组成部分，它的结构选择是否合理、质量是否可靠都将影响人工岛的质量及其使用寿命。护岸有各种各样的结构形式，关西海上机场韵人工岛主要采用了缓倾斜砌石护岸的结构形式同时在人工岛的角部也采用了嵌入式钢板制箱形结构及直立式消波沉箱形的护岸形式。在11公里长的护岸中，约8公里采用的是缓倾斜砌石护岸形式，因此，下面以此为倒，简述其与地基处理有关的问题。
海底地基上层的冲积粘土层非常软弱，仅在护岸本身的重力荷载作用下，也缺乏应有的支持力，更不用说动荷载。因此在护岸的建造过程中，必须采取简易有效的措施，来增强地基的支持力。缓倾斜护岸采用的是阶段施工，分步增加载荷的方法来达到此目的。护岸的施工过程大致可分为以下几步：铺底砂，第一次堆积砂、第一次抛石，第二次堆积砂、第二次抛石，形成上部缓倾斜的台座、砌石。所谓阶段施工，即从铺底砂到第一次抛石之间要间隔六个月，做为压密期；第一、二两次抛石之间也要有六个月的压密期。这样，伴随各阶段载荷的增加，由于压密的结果，而使地基分阶段产生沉降，进而使地基分阶段产生沉降，进而使地基强度不断增加。
这种分段施工法而产生的压密沉降及地基强度增加的效果，日本方面是采用Barton理论来评估地基的压密度、用Boussinesq的弹性解来分析地中的应力分布，用以往的施工经验而总结出来的m，法来预测地基沉降的。总体上看，二者的趋势是一致的。开始时，实际沉降比理论计算的结果要快些，时间较长后，理论计算结果要稍大些。由于理论上的计算可以先行一步，其计算的结果对施工过程中地基沉降的估，对施工期的安排有一定的指导意义。
3.1.4建筑场地的地基处理
人工岛的建设，一般是先建设护岸，然后再将护岸内的场地填平。如前述，因关西海上机场的面积大，海水较深，填筑土石方量大，因此，填筑场地的地基改良与沉降评估是人工岛建设的又一个关键问题。
为此，首先对填筑场地采用了SD改良法，来加速粘土层的压密过程。所谓SD地基改良法，就是在场地的粘土层的相应间隔内人工贯入砂桩。这样随着上部荷载的增加，粘土层中所产生的超静孔隙水压力可以向水平方向的砂桩中逸散，从而加速了粘土层的压密过程，这就是所谓的SD法。关西海上机场的填筑面积较大，在用SD法进行地基改良时，砂桩的间距职为2.5米×2.5米，砂桩的直径为4O厘米，砂桩的总数约为1O0万根。这些数据是依据填筑的施工期，填筑土石层厚度，未来机场的设计和使用要求，对现有的冲积粘土层承载力的增大要求来决定的。在现有的设计条件下，大体上在机场投人使用时，冲积粘土层将完成其压密过程。
其次，填筑施工也如护岸施工一样，采用阶段施工法，即在水深为-15米、-10米、-6米时进行直投式填筑，在水深-8米时，进行扬土式填筑。为了保证各载荷阶段地基支持力的增加，在两次直投式填筑之间分别相隔六个月，这样基本上可以保证足够的压密期间。关西海上机场人工岛的填筑土石厚度为30米，伴随填筑过程，冲积粘土层将有明显的沉降，经理论上计算，其沉降量随该地点冲积粘土层的层厚等有些变化，预测平均将有六米左右的0e降量，这一点有待于建成后的量测结果的验证
关于洪积层的沉降，则较为复杂，不确定的因素较多。有关研究者曾利用有限单元法进行了分析计算，根据建设场地深层钻孔资料，预计洪积层在十年以后将有0．5米～1．0米左右的沉降。
由于海上机场场地的特殊性，加上当时建设经验有限，关西机场在使用中也发生了较大的不均匀沉降，后期采取在较大建筑下取沙换土，以维持海床上的重量平衡，同时设置顶升系统，随时调整补充因不均匀沉降导致的缝，。来保证机场的正常使用。
3.2澳门国际机场
3.2.1机场设计概况
澳门国际机场为离岸型，跑道设在凼仔与路环两岛之间海域填筑的人工岛上，该岛长3600m，宽约400m，全岛划分为跑道区、滑行道区和东、西安全区。四周由东西南北护岸围护起来，在其西侧有南、北联络桥与航站区相连接。
3.2.2地基土层特性和处理方法
地质条件为南端较北端复杂，地质构成可大致分为三大层：表层为淤泥和淤泥质粘性土，厚约18m；中层为杂色或灰色粘土、亚粘土和砂土，厚约40m；下层为花岗岩风化残积层。对工程有影响的主要是前两大层。[3]
由于海底淤泥及下卧粘土层深厚，淤泥呈流塑状态，含水量大，压缩性高，强度很低。要在极软弱地基上围海造地，修筑机场跑道，软基处理是一大难题，处理不好将会直接影响安全和正常使用。本工程经设计部门多方案比较后，采用换填地基法与堆载排水固结法相结合的方案。即对于护岸工程采用基槽挖除淤泥再回填砂、石的换填地基法处理；跑道与滑行道除采用换填法外再结合下卧粘土层打设塑料排水板实施堆载预压加固方案；安全区则不挖除淤泥直接打设塑料排水板在自重下压密处理。这样区别对待的地基处理方案能否获得最佳技术经济效果，有赖于工程监测资料的分析与评估。通过评估分析，进一步完善设计和指导施工。
3.2.3地基处理计划方案比较
在人工岛修建机场跑道，最关键的问题是如何面对跑道区的软弱地基问题。为此，国内外不少单位针对本工程的特点，提出过许多处理方案，现将几种典型比较分析如下：
桩基承台式
主要有葡萄牙GRID方案，这个方案的主要特点是不对跑道地基进行加固，而是在结构上采取措施达到跑道满足使用功能的要求。其具体做法是，先在软弱土层中现场钻孔直至岩层，然后浇筑直径为1.8m的混凝土灌注桩，桩顶上再浇制带翼板的整体式空箱纵梁，翼板在纵横向相互连接而构成跑道道面。也就是桩基承台式跑道，该方案技术上可行，在使用寿命年限内变形小，纵横向几乎没有差异沉降，不需要经常维修。最大缺点是造价高得多，其次是寿命较短，一般使用5O年就要停航大修。还有跑道和安全区是两种截然不同的结构，两者交界处的差异沉降需要经常处理，桩基施工难度高，工期长，与人工岛其他工序干扰较大．总工期要突破四年，所以没有采用。
排水固结法和换填处理相结合
此类方案根据具体操作的不同，变化较多，主要有中国三航院A方案、中国三航院B方案、中国三航院C方案。各方案各有特点，最后经过比较选择的是B方案，在论证的过程中又吸收了各方的好建议，如在下卧粘土层中设排水板以消除残余沉降，又如改变水上插板为陆上插板．改善施工条件，加快施工进度等等，使之形成了一个比较完善的方案。
B方案的主要特点是跑道区地基全部清淤，在下卧粘土层中打设排水板进行填砂预压。其主要工序为：（1）在跑道、滑行道范围内将淤泥全部清除；（2）回填砂至一定高程(该高程随水上插板或陆上插板而定)；（3）吹填砂；（4）堆砂预压；（5）卸载；（6）用振冲法和强夯法密实回填砂。此方案不仅技术上可行．而且彻底清除了淤泥．采用换填处理方法虽然造价高于A、C方案，但工期大大缩短经国内外专家同行评议，最后采纳了此方案。
B方案被认为这是一个好方案，首先在技术上比较先进，且切实可行，能满足上部构筑物功能上的要求。清淤、吹填抛填砂可以使用大型挖泥船，功效高；深插排水板可用液压链条传动式平贯入头插板机，不仅有能力穿过厚砂层插到35m深而且效率相当高；回填砂的密实可用大功率的振冲机．振冲后回填砂层的静探贯入阻力可以达到12MPa的要求。该方案实现了就地取才、废物利用，数千万育回填砂石料都能取自附近海域，从基槽挖出的数百万方淤泥可用来填海造地。打设排水板结合堆载预压工艺成熟，加固效果可靠，这是工程界最常用一致公认的加固方法。在造价上与桩基承台式跑遭相比也比较低廉，虽然比不清淤方案造价高，但它的工期短，使投资提前发挥效益而得到了补偿。
对护岸地基的处理也是成功的。彻底清除基槽淤泥，采用外侧宽里侧窄的不对称基槽对保证护岸稳定性和减少沉降很有好处。护岸是整个人工岛的安全屏障，在施工初期，人们担心护岸里侧填砂不到一定高程，堤心石能否填到 4m，护岸是否会向里滑动；又担心堤内填砂至设计高程时，护岸是否会向外侧滑动。根据现场监测位移资料和稳定验算证明了上述两种情况都是稳定的。关于跑道、滑行道的塑料排水板插入深度问题曾经是一个争议较大的问题。软基加固一般只在压缩性大的淤泥或淤泥质粘性土中打设排水板，而香港史伟高工程咨询公司却坚持在本人工岛跑道区将排水板插入压缩性不大(每米约压缩3厘米)的杂色或灰色粘土中10米，即排水板插到标高约-32mDCM处经过一段工程实践后，我们认为史伟高公司的主张是可取的。这是因为本工程下卧有深厚的(达-55m左右)中压缩性粘土，它的总压缩量较大(较厚区段可达70cm)，将排水板尽量往深打则可在道面施工前多消除一定量的沉降，即使是多消除10多厘米也是可取的。
当然，最后通过施工监测资料分析与评估，发现在地基处理设计中尚有几处缺陷，如护岸内坡部分基槽斜坡段未要求插排水板，将会发生较大沉降差，致使内坡抛石结构产生变形。又由于滑行道槽面西边沿与护岸内坡搭接了一段，上述沉降也可能使道面产生过大的变形而导致开裂。若当初设计使滑行道里护岸远些，则有望避免此问题发生。
3.3深圳机场
3.3.1工程设计概况
深圳机场为国家一级民用机场，位于深圳市西北福永镇的伶仃洋东畔．场道有跑道和滑行道各一条，长3400m，宽度分别为60m和40m。另有7条联络道将它们与站坪，停机坪及候机楼联成一整体。
3.3.2地基土层特性
机场场区地势平坦而开阔.地基土层包括淤泥，亚粘土.淤泥质亚粘土，砂层及风化残积土。分为3个压缩土层：第Ⅰ层为淤泥，平均w=84％，e=2.3，承载力低，压缩性高，a=2.23
MPa-1左右，
，固结困难。第Ⅱ层又分为4个亚层：Ⅱ2层为轻超固结亚粘土，超固结比OCR=2.6，w=25％，a=0.39MPa-1，性质较好Ⅱ1-2层为粘土土混砂，透水性较好；Ⅱ2层为淤泥质亚粘土，w=40％，压缩性较大；Ⅱ3为砂层，透水性较好，含2.0m左右水头的承压水。第Ⅲ层为残积土层，分为两个亚层，Ⅲ1层为风化程度较强的土层，平均w=29％，a=0.45MPa-1，
，属中等压缩性；Ⅲ2层为性质较好，风化程度较弱的土层，压缩性较低；这三个土层在场道地基中并不是均匀分布的。淤泥层普遍存在，厚度4～8m；Ⅱ层只在部分地段存在，Ⅲ层虽普遍存在，但有6个软弱带，给地基的不均匀沉降造成不利影响。[4]
3.3.3沉降控制要求和分析计算
由于跑道、滑行道和联络道采用混凝土刚性道面，对地基的剩余沉降及不均匀沉降要求十分严格。按道面设计要求：道面浇注后至跑道使用30年所产生的沉降量不得太于50mm，不均匀沉降在弯沉盆半径太于50m时，盆底的沉降与盆顶的沉降差小于50mm。为了满足沉降要求，同时考虑工期与投资两个因素，经反复论证比较，地基处理选用拦淤堤封闭挖除淤泥，回填石碴或风化石碴料，分层填筑碾压形成工地基。地基工程于1988年12月开工至1990年底完成，1991年初开始混凝土道面施工，5月道面工程完成。为了满足道面对沉降的要求，在设计和施工过程中，采取了一系列的工程措施对地基的沉降进行控制，以使地基的沉降大部分甚至全都沉降在施工期内完成。
通过分析计算，找出整个场地地基中不能满足设计要求的地段，以采取相应措施。在分析中，采用了土力学中传统的分层总和法和有限元法两种方法进行计算。在有限元计算中用剑桥弹塑性模型和比奥固结方程耦合的方法对地基的应力、应变、位移与沉降进行分析。田地基土属正常固结或微超固结，且裂隙发育，剪胀性不明显，用剑桥模式是合适的。且此模式参数少，易于测定。
3.3.4换填地基的沉降控制方案
为了使换填后的地基满足混凝土刚性道面对沉降与差异沉降的严格要求．必须采取许多措施以使地基的沉降在换填施工期内完成较大的比倒．使剩余沉降小于道面设计所要求的允许值。包括两个方面的措施：在设计阶段．通过分析地基的沉降规律。采取必要的工程措施加速地基的沉降。在换填施工阶段，通过对观测资料的分析，调整道面工程的施工时间。使地基的沉降与剩余沉降完全满足道面设计允许值。
前述的沉降分析计算表明：当换填地基完成后，道面工程开始施工前。可以完成总沉降的80％左右，能使93％的地段的剩余沉降量满足小于50mm的要
求对不能满足的地段采取如下的措施：
（1）在回填过程中，挖淤后对基坑抽水，使回填体保持干燥状态。作用在持力层上的荷载为回填体的干容重与厚度的乘积。而在场道工程完成后，地下水位上升，回填体变成浮重作用于持力层。使基中的压缩层在施工期超载4～5t/m2。从而降低剩余沉降量。
（2）消除砂层中的承压水头。在几个沟槽段的部位，往往有Ⅱ2层淤泥质土存在且与下层砂并存，而砂层中的承压水又使Ⅱ2层的固结排水困难，消除承压水可使Ⅱ2层由单面排水变为双面排水，大大地加快了Ⅱ2的固结。
（3）在换填完成后．经过一个施工停歇期后再浇筑道面混凝土。可使剩余沉降量减少。在地基处理设计中，曾建议在少数部位停歇2～5个月。而在实际施工中。根据观测资料分析进行控制。
根据这一方法得出各个观凋断面的地基最终沉降量及剩余沉降量列于表1中。用此法决定道面施工时间。1991年1月开始浇筑道面工程，同年6月道面工程全部施工完毕．以后的观测资料表明，地基沉降已经稳定。实测沉降值与剩余沉降值列于表1中，表1说明沉降控制完全达到道面设计要求。
3.4国内外其它软基上已建机场的工程举例
3.4.1宁波机场
宁波机场是1986年至1990年在软基上建设的机场。该机场地基约有30m厚的软土层表层是0.65m硬壳层；其下就是软弱的淤泥质粘土层，含水量任48%～53%之间，孔隙比为1.34～1.45；再下面是轻亚粘土和亚粘土，土性较好，含水量36%，孔隙比接近1.0。
采用袋装砂井超载预压加固。袋砂井直径7cm正三角形布置，边长1.4m，砂井最大打入深度20m。跑道西端砂井下尚有10m厚软土。未打砂井，堆载高4m，预压期为7个月。断面中心实测沉降约为130cm，地面20m以下沉降很小，只有2～3cm，超载量为永久荷载的54%～75.5%，可确保20年安全使用。
跑道道面标高只高出原地面1.7m.所以构筑物自重荷重很小。采用混凝土刚性道面，使用至今，历经酷暑、冰冻及雨季等不同气候条件下负荷运行，完全达到安全使用要求。
3.4.2济南遥墙机场
该机场位于济南市“北约26公里，黄河与小清河之间。场区地层地质条件较复杂，是由历史上南部山区冲积的粘性土层与北部黄河决口冲积的粉质土层相互交替沉积形成的，原沉积的淤泥质软土覆盖在地表下某一深度处。跑道区原地面下有20m厚较松软的土层，其中7.5～115m处夹有一层软弱的淤泥和淤泥质粘土。除此夹层外，表面有2～3m粉砂，其余多为粉粒为主的粘性土层。在使用荷重作用下约有27cm沉降，其中淤泥和淤泥质土占9.5cm．主跑道地基采用真空预压法加固，即预压荷载相当于80KPa，大于飞机荷载52KPa，也就是有约30KPa的超载。预压结束时固结度达到95以上，消除的沉降超出设计荷载下沉降量的53%，所以机场投入营运后不再有沉降产生跑道面比原地面高出134m，道面同样采用混凝土刚性道面，厚38cm，机场投入使用一年多，目前道面情况良好。
总结：
通过人工岛建设海上机场会是今后机场建设的一个方向之一，具有很多陆域机场不具备的优势，解决了机场与民争地的问题，而且噪声污染也更小。但是海上机场的建设也有其特殊的困难性，由于基础土质一般较软弱，粘土和淤泥质土较多，而且含水量极高，容易发生不均匀沉降，给机场的建设和运营带来了很大的挑战。灵活运用换填、排水固结、强夯、灌入桩等方法，能有效的加快施工进度，控制沉降。国内外大型海上机场的相继建成也为海上机场的建设提供了宝贵的经验。
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