9.遑遑三十載：關西國際機場持續30年的地基沉降（一）

來自專欄岩土沿途Geotech

遑遑三十載，書劍兩無成。

山水尋吳越，風塵厭洛京。

扁舟泛湖海，長揖謝公卿。

且樂杯中物，誰論世上名。

——《自洛之越》，孟浩然——《自洛之越》，孟浩然

——《自洛之越》，孟浩然

唐代詩人孟浩然本來帶著大幹一番的美好願望，奔赴長安。然而，天不遂人意，多年來「書劍兩無成」。懷才不遇，心中愁緒難以排解，只好離京奔赴吳越，重新開始新生活。（逃離北上廣，北上廣不相信眼淚）

在海對岸的日本，也有一個遑遑三十載的故事。這不僅僅一個懷才不遇的人，而是一群憂心忡忡的工程師的惶惶三十年。這就是本期關注的主題故事：

關西國際機場持續30年的地基沉降問題

關西國際機場是個世紀工程，總面積達到了1000公頃以上。

還獲得了美國ACSE學會頒布的世界10大里程碑工程獎項。

然而，它在岩土工程方面也可以被稱為「里程碑」工程。因為它的地基沉降超乎了所有人的意料：在開港之際（1994年）地基所達到的沉降（>8m）已超過了50年後的設計值（2044年）。

這導致了一個很嚴重，而且很現實的問題：還沒開張就已經沉了這麼多，整個機場會沉入海底嗎？

在關西國際機場一期島開業之時（1994年），一期島平均比海平面高6.2m。截止2017年年底，整個島嶼平均已下沉了3.4m。也就是說，如果沒有進行護岸加高措施，現在的人工島僅比海平面高2.8m。

關西國際機場每年都會對沉降進行觀測，我們可以看看近年的沉降情況。

可以看出，從2007年起，每年的沉降量基本維持了穩定，大約每年7cm左右。（可能已進入了次固結階段）若按照這個速率，那麼在40年後，將會再下沉2.8m，整個人工島將會被海水覆蓋！（震驚！！！40年後竟然發生這種事，趕緊轉發出去讓更多人知道……）

那到底為什麼會發生這種事呢，是施工單位的鍋，還是設計的責任？下面，我們一起從頭慢慢回顧關西國際機場的設計建造歷程。

一 前序

在1968年開始，為了適應新的航空運輸需要，日本運輸省開始對阪和県境、泉南沖、岸和田沖、西宮沖、六甲沖、ポートアイランド沖、明石沖、淡路島這8個地方進行調查，在這8個地方中，選出一個最適合建設新機場的地方。

到了1974年，泉南沖被選為了機場建設的理想地點。但由於社會因素等原因，最後的地址改成了距離泉南沖5km的海上新建人工島形成機場。

自1977年起，運輸省就開始在選定的地點進行詳細調查，開始勘察設計了。正式的故事也從這裡拉開帷幕。

二 地質勘察

關西國際機場的選址位於大阪灣，場地的水深約18m左右。

在1977~1982年間，共在海上實施了65個勘察鑽孔。由於人工島的面積龐大，此次實施的鑽孔深度都比較大，其中24個深度在100m，34個深度在150m，甚至有幾個深度去到了400m（黑色點）。

在一期島的位置上，根據已完成的鑽孔，形成了4條地質剖麵線。

從剖面圖中，可以清楚地看到所在地層屬於海陸交互相沉積地層。其中粘土間不同厚度的砂層，都是屬於在海平面降低時期的河川堆積。

再將單個鑽孔沿深度方向展開，就可以得到更加詳細的地質資料。自上而下，大致可劃分為三大地層：沖積層（Ma13，20m厚）、洪積上層（Ma12~Ma7，140m厚）、洪積下層（Ma7~Ma3）。在這些地層中，存在砂夾層。

對於地基沉降問題而言，最重要的莫過於土的固結壓縮特性了。為此，進行了大量的固結壓縮試驗。根據試驗結果，土的固結壓縮係數cv=60~ 300m2/day。需要注意的是，洪積下層表現出了明顯的超固結特性。

三 地基沉降預測

在掌握了一系列的地質情況後，在1983年開始對人工島填築引起的沉降進行預測。其中，人工島的護岸及陸域形成步驟如下圖。

考慮到沖積層（Ma13）屬於高含水率，高壓縮性的軟弱土層，不同區域擬採用間距1.6mX2.5m或2.5mX2.5m的砂樁進行地基處理。

由圖示的斷面推算，人工島回填產生的最終荷載大概會去到450~550kPa。在這麼大的荷載和面積下，稍有預測上的誤差，造成工程量的變更都是巨大的。為此，對於地基沉降的預測更應該小心考慮各種因素。

在最初步的計算中，以下幾項重要的因素都受到了反覆考慮。也正是這幾項因素，與後面的預測失效有著種種關聯。

1、計算深度

根據地質勘察的成果，洪積下層表現出了明顯的超固結特性。儘管勘察鑽孔最深到達了400m，但設計人員認為洪積下層（-160m以下）所產生的沉降已經可以忽略。為此，地基沉降的計算深度最終僅取到了Ma7的層底。

2、先期固結壓力pc

根據大量的室內壓縮試驗結果，得到了一系列的e~lnp曲線。通過如下圖對曲線進行簡化，可求得各個粘性土層的先期固結壓力平均值pc』。考慮到部分深度大的土層試樣，在試驗室內進行的壓縮試驗會導致先期固結壓力偏小，所以部分土層採用了與相差一個標準差的取值pc,sigma』。

3、排水條件

由地質情況可知，地層中存在著厚度不一的砂夾層。由於不清楚這些砂夾層的連續性（是否為透鏡體），若全部砂層均考慮為排水通道的話，地層的固結度發展程度會被大大高估。為此，設立了以下幾種工況進行計算結果的對比分析。

排水條件（1）：

層厚在3m以上的砂層定義為排水層，其中Ma7層的下卧砂層定義為排水層

排水條件（2）：

除Ds1，Ds10之外，還有兩層較厚的砂層也定義為排水層

排水條件（3）：

層厚在1m以上的砂層都定義為排水層

4、豎向固結係數cv

設立了兩種不同的工況進行對比分析：

（1）採用常規固結試驗得出的cv；

（2）採用三笠正人的方法修正後的cv『

5、回填砂料的重度

設立了9kN/m3,10kN/m3,11kN/m3三種浮重度進行對比分析。

6、計算方法

與一般我們做地基固結沉降計算不同的是，為了更精確地預測地基沉降問題，項目採用了改進後的terzaghi一維固結理論進行計算，稱為「非線性一維固結理論」。

與傳統一維固結理論最大的不同是，新計算理論把e~lnp曲線融入到公式中，從而可以考慮豎向固結係數和滲透係數在不同壓縮段的變化。

通過上面6種不同設定條件的排列組合，總共可以形成26種不同的工況。分別利用這26種不同工況進行沉降計算，可以畫出如下的沉降曲線包絡圖。

最終的計算結果，50年後的總沉降會去到6~10.5m。很明顯，是無法利用這麼大的一個沉降區間去進行設計和工程量計算的，因為厘米上的差異，都會導致數百萬工程量的改變。所以，必須在6~10.5m之間作出抉擇。

經過多次討論研究後，最終各個參數的選擇如下：

計算深度：Ma7層底（-160m~180m）

先期固結壓力：平均值的一個標準差值pc,sigma』

排水條件：排水條件（2）（4個排水層）

豎向固結係數：三笠正人法修正值cv『

回填砂料浮重度：10kN/m3

計算方法：非線性一維固結理論

大家一致認為，在以上條件下得出的計算結果比較可信

（從唯結果論看，可信不可信，有時候只是一句話……）

四 動工咯

設計方案定好之後，1987年1月正式開始了圍海護岸段和砂樁的施工。

由於工程是那麼的龐大，儘管大家都認定了可信的地基沉降值，心裡總會揣揣不安。所以，在正式大面積回填前，特意在人工島的東北角填起了一小塊觀察區，用於監測實際產生的地基沉降。

到1989年，人工島的護岸基本施工完成。調查工區也持續觀測了2年有餘。我們來看看預測結果與實際結果的對比。

首先是沖積層（Ma13，厚度20m）的沉降。

沖積層的由於設置有2.5mX2.5m的砂樁，排水條件得到了很大的改善。由於土層含水率高，在短短兩年半間，土層的沉降到達了5.5m，壓縮量接近30%。但不論如何，其沉降值始終是位於預測值之內。某種程度上看，預測結果還略有點偏保守。

到了這，一顆顆懸著的心都已放了下來——情況還算在可控制的範圍內。然而，就在大家準備彈冠相慶的時候（我杜撰的），情況似乎並沒有那麼樂觀。

接下來，大家陷入了各執一詞的狀態…….

到底發生了什麼狀況外的事情？

請關注下一期文章「遑遑三十載：關西國際機場持續30年的地基沉降（二）

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