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佛罗里达州喀斯特地形区的基坑和开挖施工的地面稳定
摘要：为了大约有半英里高的冷却塔，隶属于佛罗里达电力公司克里斯多河能源综合设施的额外建筑设施需要一个全面的稳定计划来建立基础。本文概述了这一被用在隶属于克里斯多河发电厂的额外建筑设施的技术和方法。进水和排水结构的开挖深度要在地下水位20英尺以下，冷却塔基础建立在位于佛罗里达中央海湾海岸上广泛溶解的佛罗里达石灰石上。混合地基改性技术被用来加固柔软或者疏松的土壤以及具有溶解特性的地下石灰石，因此被允许用作大部分设施基脚的衬垫和铺层。地面改造技术被用于探测、崩溃、加密和填充结构基础下面的溶解特性。地面改造后的承载能力是由现场荷载测试验证的。地质勘探表明板桩围堰灌浆开挖是石灰石构造围堰开挖的最佳技术。在修建进水结构和相邻出水结构的围堰时遇到了现有的塌陷洞穴，就需要立即改变设计，大量的现场协调以及每日的修改以适应遇到的各种各样的情况。板桩围堰与注浆、水下开挖，以及巨大的、没有加固的混凝土栈板群锚相结合，并安装了驳船以提供脱水挖掘。这个项目涉及到使用土石锚来锚固一个佛罗里达最大的持续水下浇筑密封安装投资。其他的开挖工作采用在石灰石构造下部薄膜注浆的方法来提供一个脱水挖掘。地面改造技术用于处理在排水结构角落发现的被填满的洞穴。整个设施的建造都局限于由现有湿地和发电厂泄水渠所限制的狭窄的工作的区域。为了防止对周围的环境造成冲击，监管部门要求的严格环境限制也被强加在了这个项目上。
关键词：佛罗里达 喀斯特；发电厂建筑；地面改造技术
项目说明
佛罗里达电力公司克里斯多河能源综合设施，建设于1960到1980这段时间内，由四个燃煤发电单位和一个核能发电单位组成。克里斯多河Helper冷却塔工程建设的目的是为了限制冷却水排水渠中的水的温度。对温度的限制是通过将泄水渠中总流量的52%转移到机械通风冷却塔中实现的。在通过冷却塔之后，冷却了的水就会回到泄水渠中，并和那些绕过了进水系统的水混在一起。在建设冷却塔基础期间，地面混合改性技术加固了柔软疏松的土壤以及具有溶解特性的地下石灰石。地面改造技术被用于探测、崩溃、加密和填充结构基础下面的溶解特性。
工程包含了一个水道岸边的进水结构和大概半英里高的机械通风冷却塔，整个设施的建造都局限于由现有湿地和发电厂泄水渠所限制的狭窄的工作的区域。为了防止周边环境遭到破坏，监管部门也对工程施加了严格的限制。
场地地质条件
这个项目场地毗邻墨西哥湾，在一块再生盐沼地内。这个区域由很薄的一层表面土和覆盖在佛罗里达含水层系统的第三纪碳酸盐岩表面的冲填土组成。场地位于佛罗里达西部沿海平原的沿海低地。地质研究很快鉴定了场地下面的石灰石为属于穆迪分支构造的英格里斯石灰岩，它覆盖在属于碧湖花园构造的白云质灰岩的上面。覆盖在石灰岩构造上面的土除了在溶解性填充物上面，通常在厚度上都只有几英尺。土壤通常都是沙质的，还有一些厚度变化很大的有机土。英格里斯石灰岩是一种白色的、有裂缝的、含有化石的、粒状的石灰岩，通常被称为石灰石。在构造的表面，出现了一层被称为是盖岩的不连续坚硬区域。在接头形成烟囱状的竖向溶解区也位于这块区域。底层的石灰石是一种易碎的、不稳固的石灰岩，局部区域还有范围较大的溶解区、裂缝和空洞。一般来说，石灰石本身就介于稠密和非常稠密之间的状态。项目附近的英格里斯石灰岩的厚度范围是40英尺到80英尺。
比起覆盖在上层的英格里斯石灰石，碧湖花园构造的白云石灰岩要更硬一些，通常来说它的承载能力要更好一些，但是这种构造中同样也存在溶洞。
没有上覆围岩的构造形式使得这片区域成为了佛罗里达蓄水层的重要补给来源。
场地情况
项目场地位于克里斯多河发电站排水渠的北岸。该场地呈狭窄的长条形，早先是用来存放在原来的排水渠建设过程中产生的弃土的。在水渠开挖产生的弃土还没被运来之前，原来的地表土没有被移开。场地被湿地和场地北面的燃烧灰存储池所限制。
场地内五个发电单位的广泛地质勘探工作完成了，很好地确定了场地的地质情况。由于英格里斯石灰岩普遍的存在溶解区，使得场地的地质情况极为复杂。事实上，场地地质情况唯一一致的地方就是地表下的情况都是不一致的。地质勘探工作是为了确定地下各种地质情况的分布范围，这一点是在建设基础和围堰的时候所必须考虑进去的。这个调查评估了下面几个常见的情况：
——原来水渠建设时弃土的存放条件
——这片区域存在的坚硬岩石
——这片区域内主要开挖区和基础下方存在的溶洞
地下勘探设施由20个静态锥透度计探头，7分取样钻孔（主要是在围堰地区进行）；以及20个旋转清洗探头孔组成。探测孔不包含任何的采样，但是钻孔可以弄清楚项目场地下溶解区的存在情况和范围。
调查的结果表明表层土壤既有稠密程度相近的石灰石和砂土，也有松软的有机土，其中包括了厚度各异的被压碎的石灰石、弃土以及表层的自然土。表面有几个区域看起来很小，是由以前的灰岩坑组成的，随着时间的推移，填满了沙子和有机土。在那些运过来的弃土没有堆放的区域，英格里斯石灰岩通常直接暴露在表面。在水渠附近，裸露的石灰岩在垂直面上侵蚀程度严重。
探测孔和取样孔显示了英格里斯石灰岩中坚硬石存在的区域，以及可能存在溶蚀的区域。英格里斯石灰岩在溶解程度的能力上在很小的一段距离内变化都很大，这是场地的通常情况。
正如之前现场调查所预测的那样，当遇到那几个有溶解特性的区域时，进水结构的主围堰地区似乎是在相对而言有承载力的石灰岩上。
基础设计
原先的基础系统
克里斯多河能源综合系统设施是由几个不同的基础系统支持的，原先的基础系统是根据结构荷载、安全考虑和建设时的技术可实施性来确定的。
——1、2单位，建设于20世纪60年代，采用的是板式基础，基础建立在英格里斯石灰岩上。20世纪70年代末，在钻墩地基的支持下对这些单位进行了修改。
——3单位，核电站建于20世纪70年代，采用的是板式基础支持，事先做了英格里斯石灰岩预灌浆处理。4号和5号机组的重型装载结构，二十世纪70年代末和20年代初简称的燃煤机组，是由从英格里斯石灰石到碧湖花园白云石石灰岩的钻墩基础支持的。轻型加载结构直接由英格里斯石灰岩上的压实填料支撑。
在4、5单位的双曲线冷却塔建造期间，震动筛选技术的改进使得英格里斯石灰岩的上部部分得以稳定，从而能支持水盆和塔的内部。震动位移地面改造技术通过用非常密集的石英柱代替这些材料的一部分来加强松散的颗粒沉积物和软黏结土壤。这些材料通过用水喷射或通过喷灌而被挖掘，并且使用震动探针来致密化放置在挖掘塔中的石头填充物。为了支持这些冷却塔的内部散热器填充结构和水池，采用相同的技术来塌缩英格里斯石灰岩中的近地面溶液特征，并通过添加干净的砂来固结材料。探针通过覆盖的土壤被喷射并振动，进入上角35英尺的英格利斯石灰石。位于表面溶解性附近的探针向表面开放，并允许填充干净、致密的砂。致密化的成功通过振动探针使用的安培数进行监测，并通过后压实标准穿透试验进行验证。然而，施工困难发生在穿透上部的英格里斯石灰岩和过度挤压，这偶尔会阻止探头的移除，造成一些探头的损坏。
项目基础设计系统
冷却塔的基础轻轻适度装载，最大载荷约为2500磅/平方英尺，位于塔内部支架上。最初根据现场施工实践考虑了几个基础系统：
——底板支撑采用钻墩基础
——垫块基础由英格里斯石灰岩以上超挖的松散土壤和压实颗粒填充的替代物支撑。巩固灌浆将稳定英格里斯石灰石的溶蚀性。
——使用改进的振动位移地面改良技术，在稳定的现场材料上支持板式基础。
使用振动技术进行地面改造，以填补和密集英格里斯石灰石中的溶液腔，同时加强覆盖有机砂。选择冷却塔的基础处理与第4和第5单元相似。该处理方法被评估为现场条件最便宜和最低风险系统的方法。该过程可以通过探头电流持续监测，不需要挖掘现有的土壤和填充物。由紧密间隔的探针图案提供的灵活性也可以解释场地变异性。冷却塔盆地和循环水管通过振动钻石柱进行地面改造，而由于平原条件而必须在地面以上的结构在钻墩上建造。
地面改造应延伸至35英尺的深度或不用振动探头，以较小者为准。根据基础荷载和基础跨越石柱的结构能力，石柱的设计间距从5.5至10英尺不等。石柱设计直径为30英寸，振动替代探针位置被预先钻孔，以确保盖岩的笔触，并尽可能减少探伤损伤。由于靠近排水渠和快速变化的水位，石柱被设计成放置在高度-11.0（平均海平面）以下的细粒砂，并将ASTM C33等级57石头放置在表面上，以最大限度地减少潮汐波动期间探头孔的材料的迁移。
根据所需的允许设计能力开发了两个钻孔墩设计。两个码头的设计都是30英寸直径的钢筋混凝土，一个100吨码头需要埋置在桩高度以下50英尺，一个30吨码头需要30英尺的埋置。设计墩座的假设是要求外壳消除墩孔的塌陷，并且在混凝土浇筑期间或之后，外壳将无法回收。套管区域不会向码头提供轴向容量。
实地施工程序
在地面改造和基础施工开始之前，现场被清理，被粉碎的石灰石覆盖，以提供工作面。在振动更换探测期间，回填探针所需的材料数量从探针孔的实际体积到遇到深溶腔时超过200立方。跟踪每个石柱，以确定需要大量回填量的区域和未实现设计的地面修改深度的区域。如果需要过多的材料来填充探针孔，则从探测操作中回收的颗粒材料，额外的填充砂和碎石放在孔中以填充太大而不能仅通过使用沙子阻挡的空隙。在抽出柱和压实之前，首先填充和压实空腔。
振动规格要求的拉伸速率不大于1 ft / min，最小振动探头电流为60安培。在没有空腔的地方，必要的压实和所需的探针安培数可以保持2升/分钟的提升速度。预钻井是非常困难的，尽管正在使用具有摇摆齿的土壤螺旋钻。此外，由于无法穿过岩石，有些预钻孔停止了设计深度。由于拒绝渗透，检测也减少了。如预期的那样，位于圆顶边缘的溶蚀性区域稳定。
在完成地面修改计划后，进行钻墩安装。所有钻墩包括在码头挖掘之前钻出的导孔，以此确定是否存在大的空隙。在钻孔试点过程中，确定了几个码头由于土壤薄弱，气孔多，不能提供设计能力。必须搬迁几座码头，并增加码头。多个码头中的大量解溶蚀性域需要延长的永久性套管，深度达到80英尺，从而在碧湖花园结构提供嵌入。由于材料的过度损失，必须在分段过程中执行一些码头的安置。允许混凝土初始凝固，然后继续放置，从而允许混凝土阻止流过较大的空隙。
围堰设计
初始系统设计
需要建造以下建筑物的围堰：
——项目西端冷却塔3和4排放结构。
——在项目中心的冷却塔1和2的排放结构。
——项目中心的入口结构。
该项目的原始围堰设计是根据项目地下调查的结果，表明围堰位于相对优势的地区。排放结构挖掘是由24英寸直径的钢管桩支撑的钢板桩。通过挖掘基础的固结灌浆可以减少脱水。主要的进水围堰距离坡度约30英尺，水位下方使用了相同的基本设计。然而，由于在入口处进行了更深入的挖掘，4尺直径的钢管桩在靠近地面的绑扎杆上并固定在混凝土上。在排水结构的围堰中，通过固结灌浆减少脱水要求。
施工问题
进气结构围堰由运河围裙和进气结构的主单元组成。承运人在运河上施工时，遇到比预期差的地面条件。为了证明这一点，采用一个70英尺长的H型桩，将其部分用脚印标记并用振动锤驱动。在围裙结构的西侧，H型车开得相当坚硬，但在东侧却开得很差。承包商然后在进气室内移动，并在多个位置驱动H型桩。在一个位置，整个70英尺长的部分以最小的阻力被驱动。
最终围堰系统设计
发现水坑有严重的施工和进度影响。三座建筑围堰需要快速施工和重新设计方案，并对施工过程中遇到的地质条件进行不断的设计审查。
排水3和4围堰
第3号和第4号排水结构围堰是确定原始围堰设计需要修改后，首次恢复施工的围堰。排水围堰分为两段。在运河岸的围堰上安装了一个板桩隔墙，形成了陆地和水面。为水侧设计了一个全深度的漏斗管密封。在水面开挖过程中遇到的岩石比预期的要困难得多，无法用设备挖掘出来。这种情况导致了改进颤抖系统，以减少所需的挖掘深度。
在补救调查程序期间的钻孔表明，石灰石承载力足够，灌浆密封对于陆地是实用的。陆面灌浆是两次通过。将第一次通过的灌浆与第二次通过进行比较，以确定是否需要更多的孔来实现闭合。添加了一系列更深的周边孔，以确保周边的灌浆尽可能。
一旦灌浆完成，进行了下降试验。在围堰基地挖出一个水槽，并钻了一系列观测井，监测孔洞内不同位置的水位。该测试表明，虽然水位随着潮汐波动，但可能会使孔洞脱水。根据抽水和补给率，必须控制500-600 加仑/分钟的流入量。
排水3和4号围堰在潮湿地被挖掘而不脱水。一旦将孔洞内部进行分级，就安装泵，并将孔洞缓慢脱水。当孔洞脱水时，监测顶部的基线。在孔洞脱水后，停止运动。 当孔洞水时，通过在挖掘的底部放置排水层，发现并控制了几个小沸点。
排水1和2围堰
在围堰内钻孔的钻孔1和2表示悬臂支护桩的高土压力和无底阻力的潜力。板材和桩比出口3和4更容易开启。根据这些信息，位于墙体压力中心的重型内部结构支撑系统被设计成抵抗侧向土壤载荷的系统。
灌浆程序与排水3和4相似。注浆需要主孔和附加的中间二次孔。 在灌浆期间，在围堰的东北角发现了一个小溶洞。这个地区的灌浆孔被淘汰，剩下的面积按计划灌浆。灌浆量显着低于排水3和4号围堰。
在灌浆计划期间收集的信息表明，地下条件优于设计假设，除了溶液腔内。对溶液腔的几种处理方法进行了研究：
——该地区可以在潮湿的地方进行挖掘，并安装完整深度或锚定的水下封底。
——该地区可以喷射灌浆。
——不合适的材料可以用更好的材料替代并灌浆。
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