在复杂条件下大型建筑弃料堆填场整治关键技术

时间：2024-07-28

王吉鸣，王媛

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

城市建筑弃料堆填是一个集废弃物处置、填埋堆存、物料分选及运输、环境保护为一体的综合性社会公益项目[1]。填埋场的合理布局及利用关系到城市建筑弃料的堆存、分选和转运等重大民生问题。国内外在建筑弃料回收利用、二次循环方面做了大量研究，但对堆填场自身的安全使用和整治等方面的研究较少[2-3]。受经济条件及技术的限制，早期我国大多数城市的堆填场采取简单的圈地填埋，并在填埋前期缺乏对填埋体合理、科学的有效管理[4]，导致大部分已建的建筑弃料堆填场对其周边环境造成了不同程度的负面影响。

因此如何有效治理早期堆存无序的堆填场，使其安全、有序、高效地继续进行堆填活动，并能够在短期内快速转化为可长期持续利用的建设用地，是目前建筑弃料堆填场综合整治需要解决的重要问题。

1 澳门建筑弃料堆填场工程概况

澳门建筑弃料堆填场填埋区位于澳门国际机场南联络桥南部（相距100 m），澳门路环发电厂北部（相距约150 m），占地面积约70万m2，2006年3月投入使用至2017年12月底已累计接收超过3 300万m3的建筑弃料，平均进料强度约为27万m3/月。

2 工程的复杂性

2.1 边界条件的复杂性

1）堆填场周边建筑物

澳门建筑弃料堆填场北侧有固定边界（北堤），距离其100 m外与之平行的是澳门国际机场南联络桥。堆填场南侧无固定边界，呈开敞海域，与澳门电厂相距约150 m。由于场地堆存过高，北堤中部曾出现较大侧向变形，间接影响机场联络桥桩基的安全。南端淤泥持续隆起，侵占部分航道及电厂取排水口。

2）堆填场上部建筑设施

澳门建筑弃料堆填场并非开展单一的填埋活动，场地内还规划有大量的建筑设施，包括近期需开展的南堤、飞灰基坑、液化天然气（LNG）储配站等建造工程，远期需开展的永久出运码头等，其平面示意图见图1。诸如LNG储配站、飞灰基坑等建筑设施对基础的差异沉降及侧向变形要求极高，要在如此厚的建筑弃料上建造以上设施，要在有限的平面范围内，在维持正常填埋活动的状态下，合理安排各个项目的建造时程计划是此工程的难点之一。

图1 澳门建筑弃料堆填场平面示意图Fig.1 Sketch map of Macao construction waste landfill

2.2 地质条件的复杂性

澳门建筑弃料堆填场在使用前没有采取任何地基处理措施，建筑弃料直接倾倒在15～25 m厚的软土层上，经过10 a的堆载，软土层上已经覆盖有一层6～28 m厚的建筑弃料，天然软土在不断被压缩、变形的情况下与建筑弃料产生了更为复杂的地质组成。在不均匀高压载作用下局部深层软土已出现剪切破坏，目前堆填场多处出现了宽2～5 cm、长20～80 m的裂缝，这给地质情况的判断和制定处理方案带来很大难度。

2.3 建筑弃料材料成分的复杂性

建筑弃料材料本身成分复杂，材料物理、化学性质不均一，且不确定。澳门建筑弃料堆填场从使用至今，并未研究其材料成分及特性，也并未对材料分类堆存，导致目前整个堆填场处于一种随机的、混乱的、边界及地质条件复杂的状态，潜伏着一定的风险和安全隐患。

3 堆填场整治关键技术

3.1 对边界条件复杂性的研究和对策

1）对周边机场、电厂的考虑

首先确定控制标准。堆填对周边机场及电厂的影响主要为侧向变形及差异沉降，经研究确定差异沉降控制标准为：澳门机场跑道＜1∶1 000，滑行道、停机坪及机场联络桥桩基＜2∶1 000。各类土体的侧向变形位移控制标准见表1。

表1 土体变形位移控制标准Table 1 Control standard of soil deformation

其次采用理论与监测结合的方式判断其变形及沉降现状。鉴于地基处理前地质条件及堆存材料特性的不确定性，理论计算存在较大偏差，因此目前采取现场实时监测的方式掌握机场及电厂的安全状态。监测数据反映电厂护岸每月侧向变形4～7 mm，变形速率0.05～0.27 mm/d，均在控制范围内。

在南联络桥上布置了T1～T5观测点，其中T1～T2对应堆填场上最大堆存标高23.56 m的区域，在机场跑道的堤堰处布置了WP1～WP15观测点，各观测点的位置见图2。

图2 机场监检测点平面位置图Fig.2 The plane position of airport monitoring point

南联络桥桩基的监检测结果见图3、图4。监测数据表明：南联络桥桩基的侧向变形基本控制在15 mm以内，但在2016年5月，T2监测点出现最大值，达30.1 mm，但随后又骤降至8.1 mm。研究发现，30.1 mm的变形是由当月在联络桥附近的清淤活动引起。截止2018年1月监测段桩基的最大差异沉降约为0.06%。

机场跑道堤堰的监检测结果见图5、图6。监测数据表明：越靠近堆填场其侧向变形越小，变形值在0～25 mm之间，离堆填场越远其侧向变形越大，变形值在20～50 mm之间。截止2018年1月监测段堤堰的最大差异沉降约为0.02%。

图3 南联络桥桩基侧向变形Fig.3 The lateral deformation of south bridge pile foundation

图5 机场跑道海堤处的侧向变形Fig.5 The lateral deformation of sea dike at the airport runway

图6 机场跑道海堤处的差异沉降Fig.6 The differential settlement of sea dike at the airport runway

虽然现阶段监测数据表明机场及电厂的变形及差异沉降均在控制标准内，但随着堆填活动的继续，堆填场对周边建筑的负面影响会趋向明显，故须建立固定边界将其影响范围控制在场地内。

2）对南北边界的考虑

将南端开敞海域封闭，新建南堤，为堆填活动及上部设施建造创造一个稳固的边界条件。

3）对上部计划建造设施的考虑

一方面，为保证上部建造设施的安全，提出地基的变形控制标准为：刚性桩基础5～7 cm，半刚性碎石桩基础5～10 cm，塑料排水板8～12 cm。另一方面，为确保各建造设施的相融性和兼容性，按照“同步交叉、流水作业”的总体顺序确定场内主要设施的施工顺序。

3.2 制定地基处理方案

与一般地基处理[5-6]不同，本项目存在3个难点：第一，软土层上已堆载6～28 m厚的建筑弃料，且部分场地后期将建造各类建筑设施。需确定合适的地基处理标高，采取合理的地基处理方案以增加堆填场堆存容量，为建筑设施提供良好的基础。第二，地基处理期间场区存在多种土方量：沉降量、进料量、卸载量、回填量等，需找到各个量之间的关系并通过土方平衡计算，确保堆填场在地基处理后还有容纳空间。第三，地基处理期间场区每天不仅仍要接收建筑弃料，与此同时还有土方卸载及搬运、施工人员及机械等均在场区内活动，为保证堆存有序，需确定土方在任意阶段的具体流向和数量，即土方倒运。

3.2.1 地基处理方案

1）地基处理标高

堆填场规划的交地标高为6.0 m，目前场地的平均标高约为8.0 m，考虑穿透上覆建筑弃料的施工能力及施工效率，综合确定地基处理标高为6.0 m。

2）地基处理方案

此阶段地基处理的主要目的是增加场地堆存容量，消除场地安全隐患，各类建筑设施的基础可在其开工时再进行二次加固。因此采用高性能塑料排水板预压固结法为地基处理方案，同时利用预钻孔技术穿透3～20 m厚的建筑弃料以保证排水板顺利施打。

3.2.2 土方平衡

地基处理期间，包括5大土方量。标高6 m以上土方量V1；标高6 m以下欠方量V2；地基处理期间进料量V3；地基处理期间一级沉降量V4；标高6 m以上剩余富足土方量V5。其中，V5满足关系式：V5=V1+V3-（V2+V4）。经计算，V1=197.6万 m3，V2=102.9 万 m3，V3=228 万 m3，V4=145.9万 m3，V5=176.4 万 m3。

地基处理后，整个堆填区的场地平均标高为10 m。此时场地内包括3大土方量。标高10 m以上可继续堆存容积量V6（根据极限堆高确定，详见3.4节）；二级沉降量V7；总容积量V8。其中，V8满足关系式：V8=V6+V7。经计算，V6=101.7万m3，V7=25.1万 m3，V8=126.8万m3。这表示在地基处理后，堆填区可继续容纳126.8万m3的建筑弃料。

3.2.3 土方倒运

针对工程难点，土方倒运采取的主要措施：

1）首先将堆填场分为16个小区，6.0 m标高以上的区域进行卸载，6.0 m标高以下的区域进行地基处理和回填。

2）根据历月建筑弃料各材料的来量，结合材料成分分析，预估建筑弃料来料量为9 000 m3/d。

3）土方倒运与地基处理遵循分区实施、流水作业原则，最大程度的优化施工工期，降低施工风险。

4）为了防止废料来量超出预估情况而出现堆填场周转困难、工序中断等情况，在场外设定一个临时周转场地。

5）建筑垃圾集中堆放，便于后期堆填场的管理。

3.3 堆填物料成分和特性的研究

基于土工试验[9]，对澳门建筑弃料的组成成分进行分类及含量百分比分析，试验结果表明澳门建筑弃料主要包括惰性物料，建筑废料，海泥等材料。各材料物理力学参数见表2。

表2 各材料物理力学参数Table2 Physicalandmechanicalparameterofeachmaterial

3.3.1 惰性物料特性研究

惰性物料包括石料、砖块、素混凝土和砂土等物料。6 mm以上的惰性硬料的质量占总量的59.03%，180 mm以上的惰性硬料的质量占总量的12.99%，颗粒粒径分布见表3。

表3 惰性物料粒径分布Table 3 Particle size distribution of inert materials

惰性物料材料特性较好，经分选处理后可作填海或筑堤使用。根据国内相关海堤设计规范，筑堤时一般要求抛石粒径应根据水流冲刷能力进行验算，一般要求单块质量不小于10 kg，按照球体换算，粒径约为200 mm。结合本堆填场上物料粒径分布情况，对于粒径180 mm以上的石头，如果单块质量超过10 kg，可考虑用于堤身填筑或海堤碎石垫层或者经过粉碎处理满足填海粒径指标后用于填海，粒径180 mm以下可以用于填海。

根据香港土木工程拓展署与香港大学完成的惰性物料回填于防波堤及海底基坑的研究成果报告[7]，惰性物料的稳定性和沉降表现均十分理想。工程中南堤的材料来自于分选后的惰性物料，要求惰性物料不带其它有机物质，粒径最大不得超过70 mm，土料塑性指数不超过17。

3.3.2 海泥特性研究

海泥组成成分以淤泥、海泥、黏土块等颗粒粒径小于0.075 mm的细颗粒为主，目前堆填场上堆放着主要来自于澳门各建筑项目基坑开挖所挖出的淤泥或黏土，这些海泥在满足化学指标限值的情况下，可以考虑作为填海工程中陆域结构的回填材料。工程中拟将其用作澳门国际机场陆域回填材料，经地基处理后，由海泥回填形成的陆域承载力能达到140～180 kPa。海泥可用于填海的工程指标要求如下：

1）物理指标

考虑到澳门城市地下基础开挖的软性物料数量大，其成分变化性也较大，结合吹填土加固的案例，确定海泥含水率应不大于50%～70%。

2）化学指标

参照国内外研究案例，暂定海泥的有机质含量应低于5%。

3）重度

进行了现场十字板剪切试验，试验表明海泥重度为 16.1 kN/m3。

4）环保指标

参照国内外研究案例，海泥环保指标主要为放射性和重金属。本次研究按照建筑材料放射性核素限量指标[8]及土壤环境质量标准值[9]的要求确定。

3.3.3 建筑废料特性研究

建筑废料包括瓦片瓷片、钢筋混凝土、金属、塑料、木材、玻璃、包装废料以及其他被污染的物料。建筑废料有一定的污染性，在堆存时需做特殊处理，不考虑用于填海。

3.3.4 建筑弃料的利用

澳门建筑弃料堆填场的材料经过分选可进行以下不同类型的利用：

1）拆建废料不宜用于填海。

2）分选后的惰性物料粒径180 mm以上可用于筑堤，180 mm以下可用于填海。

3）经过处理后的海泥可用于陆域回填。

3.4 填埋极限高程

通过分析地基稳定性及填高对场内设施的变形影响，确定堆填区极限填高[10-11]和可继续堆存空间，用以指导堆存计划，保证堆存安全。

不同于地基处理后有比较明确的地质条件和准确的理论分析为依据，地基处理前天然土质的特性起伏大，弃料回填层亦是厚薄不均，高回填荷载下软土蠕变、塑性开展、剪切变形等各种情况都会发生，单凭理论分析并不能得到准确可控的结果，仅依靠观测数据亦不能完全反应软土动态变化的细节特征。如果极限值取高，会增加填埋场使用的安全风险，极限值取低，又会降低填埋场的接纳能力，影响城市建筑弃料的安置。

有鉴于此，地基处理前填埋场极限高程的研究工作是基于以下组合原则进行的：

1）理论稳定分析：通过边坡稳定计算，确定极限堆高及其断面。

2）时限：制定的极限堆高应能保证堆填场能够使用至地基处理完工后。

3）监测数据分析：通过对监测数据的分析回馈，实时掌握堆填场情况，判断安全状态。

4）实测地形：考虑到澳门堆填场前期弃料堆填带有一定的随机性，现时形成的场地高程亦是客观造就的状况，因此若理论计算的极限堆高与超过该堆高的实测地形有冲突，那么应依靠监测数据判断实测地形的安全状态，若安全则保留该堆高，若不安全则卸载至理论计算的极限堆高。

综合以上4项原则，确定地基处理前的极限堆高见表4、表5。

表5 南端边界极限堆高分布表Table 5 Limited height along south boundary