天然氣輸氣場(chǎng)站技術(shù)改造中地基處理的實(shí)踐和探討

上海液化天然氣有限公司　遲黎明

天然氣輸氣場(chǎng)站技術(shù)改造中地基處理的實(shí)踐和探討

上海液化天然氣有限公司遲黎明

天然氣輸氣場(chǎng)站的設(shè)備改造項(xiàng)目需要在已投運(yùn)的工藝生產(chǎn)區(qū)中進(jìn)行，因此所制定的設(shè)計(jì)和施工方案均要確保已投運(yùn)且正在生產(chǎn)的設(shè)施安全。在兩次成功的設(shè)備改造項(xiàng)目中，新增設(shè)備基礎(chǔ)的地基處理方案在設(shè)計(jì)和施工方案上進(jìn)行了多方面的探索和創(chuàng)新。

天然氣輸氣場(chǎng)站設(shè)備基礎(chǔ)地基處理方案

0　前言

上海液化天然氣輸氣場(chǎng)站(簡稱：輸氣場(chǎng)站)承擔(dān)著保障上海天然氣主干管網(wǎng)連續(xù)可靠供氣的重要任務(wù)，輸氣場(chǎng)站的設(shè)備改造項(xiàng)目需要在已投運(yùn)的工藝生產(chǎn)區(qū)中進(jìn)行，因此所制定的設(shè)計(jì)和施工方案均要確保已投運(yùn)且正在生產(chǎn)的設(shè)施安全。

自從2009年11月17日上海液化天然氣正式開始向上海市天然氣管網(wǎng)供氣以來，4年多時(shí)間里，輸氣場(chǎng)站已經(jīng)完成了兩次設(shè)備改造項(xiàng)目。在這兩次非常成功的設(shè)備改造項(xiàng)目中，設(shè)備基礎(chǔ)的地基處理方案在設(shè)計(jì)和施工方案上進(jìn)行了多方面的探索和創(chuàng)新。

上海液化天然氣輸氣場(chǎng)站首先在2010年9月進(jìn)行了調(diào)壓撬旁通設(shè)備改造。第二次2013年3月由于輸氣場(chǎng)站的調(diào)壓撬設(shè)備在運(yùn)行過程中多次發(fā)生堵塞現(xiàn)象，需要增設(shè)臨時(shí)外輸旁路以便在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)不間斷為下游用戶供氣進(jìn)行了第二次改造。調(diào)壓撬旁通設(shè)備基礎(chǔ)改造項(xiàng)目是在已投運(yùn)的工藝生產(chǎn)區(qū)中進(jìn)行的，施工期又面臨上海世博會(huì)時(shí)段，因此所制定的地基處理設(shè)計(jì)和施工方案均要確保已投運(yùn)且正在生產(chǎn)的設(shè)施安全。

1　自然條件

輸氣場(chǎng)站的場(chǎng)地地貌單元屬潮坪地帶地貌，地質(zhì)條件差，場(chǎng)地內(nèi)除表層人工填土外均為第四系濱海～河口相沉積的砂性土、粉性土及粘性土層。根據(jù)野外鉆探，對(duì)比靜力觸探曲線及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，可將場(chǎng)地地層劃分為四層(含亞層)，自上而下分別為①1層淤泥、①2層吹填土、①3層浜土、③2b層砂質(zhì)粉土、⑤1層粘土、⑤3層粉質(zhì)粘土、⑥層粉質(zhì)粘土、⑦1層砂質(zhì)粉土、⑦2層粉砂；持力層為第四層③2b層砂質(zhì)粉土(Q42)：灰色，夾粘性土薄層，局部粉砂，含云母，搖振反應(yīng)迅速～中等，切面粗糙無光澤，干強(qiáng)度、韌性低，稍密；該層在場(chǎng)地內(nèi)均有分布。層底標(biāo)高-8.68～-11.95 m，厚度10.60～13.50 m。整個(gè)場(chǎng)地的地下水位比較高，地下水位埋深1.20～2.20 m，平均1.74 m。持力層以上的土層屬典型的高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度的軟土。

2　調(diào)壓撬設(shè)備改造的基礎(chǔ)地基處理

2.1調(diào)壓撬設(shè)備改造的地基概況

原有調(diào)壓撬設(shè)備基礎(chǔ)為鋼筋混凝土整板結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用碎石換填的方法來使基礎(chǔ)底面達(dá)到③2b層砂質(zhì)粉土層，使經(jīng)過處理后的地基承載力特征值不小于100 kPa，碎石換填深度為2.85 m，基礎(chǔ)放坡角度為130°。

新增的調(diào)壓撬旁通設(shè)備基礎(chǔ)中心距離原有設(shè)備基礎(chǔ)中心僅僅4 m，而且新增設(shè)備基礎(chǔ)下的土層正好位于原有設(shè)備基礎(chǔ)碎石換填層的基礎(chǔ)放坡角上(見圖1)。新增調(diào)壓撬旁通設(shè)備基礎(chǔ)上部的管道設(shè)備對(duì)于沉降的要求很高，雖然設(shè)備基礎(chǔ)的整體重量不大，但是基礎(chǔ)下的土層屬于高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度的軟土層。如果設(shè)備基礎(chǔ)下的換填層處理不得當(dāng)，新增和原有設(shè)備基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性都將無法保證，因此，科學(xué)選擇施工方案，精心組織施工，才能確保工程安全萬無一失。

圖1　新增設(shè)備基礎(chǔ)與原有設(shè)備基礎(chǔ)示意

2.2調(diào)壓撬設(shè)備改造的地基處理方案

適用于加固軟土地基的方法很多，傳統(tǒng)方法有清淤換填法和樹根樁法等。近年來，鉆孔灌注樁法和壓密注漿法也得到越來越多的工程運(yùn)用。

2.2.1清淤換填法

在傳統(tǒng)方法中，清淤換填法加固機(jī)理簡單，加固質(zhì)量可靠，但是加固深度有限。當(dāng)軟土深厚時(shí)，此方法造價(jià)昂貴。新增調(diào)壓撬旁通設(shè)備基礎(chǔ)的換填開挖深度比較大，而且大開挖的放坡會(huì)造成原有調(diào)壓撬設(shè)備基礎(chǔ)下的碎石換填層松動(dòng)，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)下沉，上部管道變形。故此方案是不安全也不經(jīng)濟(jì)的。

2.2.2樹根樁法

樹根樁法常用于基礎(chǔ)托換加固，也可用作承受豎向荷載支撐樁的輔助措施。不僅對(duì)已建設(shè)施的影響小，施工作業(yè)面不大，施工可控性較強(qiáng)，施工造價(jià)較低，而且加固后的單樁豎向極限承載力不小于70 kN，能夠滿足新增設(shè)備基礎(chǔ)的要求。

但是新增設(shè)備基礎(chǔ)下的土層正好位于原有設(shè)備基礎(chǔ)碎石換填的基礎(chǔ)放坡角上，根據(jù)現(xiàn)有的碎石換填深度和放坡角度，樹根樁的鉆頭無法穿過現(xiàn)有地基內(nèi)的碎石換填層。如果要實(shí)施樹根樁方案，必須將樹根樁所在地基內(nèi)的碎石開挖掉。雖然理論上可以將地基內(nèi)碎石清除，而且開挖面距離原有設(shè)備基礎(chǔ)30°的壓力擴(kuò)散角還有1 m的間距，但是由于換填碎石的間隙中填充的基本上為粉砂，基礎(chǔ)開挖面松動(dòng)坍塌的可能性很高，從而導(dǎo)致原有設(shè)備基礎(chǔ)的換填層應(yīng)力釋放，設(shè)備基礎(chǔ)下沉，對(duì)于正在運(yùn)行的高壓設(shè)備將會(huì)造成嚴(yán)重的影響。因此，鑒于該方案在施工中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，樹根樁方案不可行。

2.2.3壓密注漿法

壓密注漿法又稱化學(xué)加固法，適用于砂土、粉性土、粘性土和一般填土層，對(duì)于輸氣場(chǎng)站軟土地基的加固比較適合。壓密注漿具有施工震動(dòng)小，施工機(jī)械占地范圍小，減少大量的土方開挖和石塊回填等優(yōu)點(diǎn)，而且新增調(diào)壓撬旁通設(shè)備基礎(chǔ)的承載力要求不高，軟土地基經(jīng)過壓密注漿法加固后，豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可以達(dá)到100 kN。壓密注漿法通過合理布置注漿孔，采用壓漿泵、注漿管將水玻璃和水泥的混合液注到注漿孔里。由于壓密注漿的范圍已包括了已建的設(shè)施基礎(chǔ)，壓密注漿過程可能會(huì)造成已建基礎(chǔ)受壓抬高，從而造成法蘭連接面氣體泄漏等無法控制的局面。如需采用，注漿工藝應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算，并采用各種防控措施。鑒于該方案的潛在風(fēng)險(xiǎn)在施工中難以控制，建議不采用。

2.2.4鉆孔灌注樁法

鉆孔灌注樁處理軟土地基近幾年已被大量應(yīng)用于工程實(shí)踐中，對(duì)于輸氣場(chǎng)站中的正在運(yùn)行的高壓管道設(shè)備而言，這個(gè)方案顯得更為安全合理。鉆孔灌注樁對(duì)于周圍的土體不會(huì)產(chǎn)生擠壓推力，從而對(duì)于原有設(shè)備基礎(chǔ)基本沒有影響。而且針對(duì)新增調(diào)壓撬設(shè)備基礎(chǔ)地基下的碎石墊層，鉆孔灌注樁的鉆頭是可以滿足要求的。

不過由于地基持力層為③2b層砂質(zhì)粉土，含砂量比較高，可能會(huì)在樁基成孔的過程中產(chǎn)生流沙，從而造成無法成孔。因此設(shè)計(jì)要從施工可操作性的角度，合理選擇鉆孔灌注樁的樁徑，施工單位要采取相應(yīng)的施工措施來避免可能會(huì)產(chǎn)生的各種情況，減少對(duì)原有設(shè)備基礎(chǔ)的影響。

基于上述種種考慮，最終確定在輸氣場(chǎng)站的調(diào)壓撬旁通設(shè)備基礎(chǔ)改造施工中，采用鉆孔灌注樁+整體承臺(tái)板法。鉆孔灌注樁+整體承臺(tái)板法主要是將新增第四路設(shè)備基礎(chǔ)和將來要增加的第五路設(shè)備基礎(chǔ)統(tǒng)一考慮，在距離原有設(shè)備基礎(chǔ)相對(duì)比較遠(yuǎn)的位置施工鉆孔灌注樁，合理避開原有設(shè)備基礎(chǔ)下的碎石換填層，將鉆孔灌注樁和整體承臺(tái)板相結(jié)合，增加設(shè)備基礎(chǔ)下軟土層的地基承載力，減少設(shè)備基礎(chǔ)的不均勻沉降(見圖2)。

圖2　鉆孔灌注樁法示意

具體的施工流程主要包括：施工鉆孔灌注樁、進(jìn)行樁的承載力檢驗(yàn)、制作整體承臺(tái)板、施工新增第四路設(shè)備基礎(chǔ)管墩四個(gè)部分，通過這些步驟可以將新增設(shè)備基礎(chǔ)下軟土層的地基承載力提高，從而使上部的設(shè)備基礎(chǔ)管墩受力更加安全，布置更加靈活。

通過樁的豎向承載力檢驗(yàn)、低應(yīng)變動(dòng)測(cè)檢驗(yàn)等檢測(cè)手段對(duì)鉆孔灌注樁+整體承臺(tái)板的實(shí)施效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果說明樁基的豎向承載力已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。而且施工期間的監(jiān)測(cè)表明施工中的震動(dòng)對(duì)原有調(diào)壓撬設(shè)備基礎(chǔ)基本上沒有影響，對(duì)正在運(yùn)行的高壓管道也基本上沒有影響。

2.3調(diào)壓撬設(shè)備改造的地基處理結(jié)論

通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：鉆孔灌注樁對(duì)于加固沿海深度為10 m左右的回填土和粉質(zhì)砂土能取得較好的效果。與類似工程條件下的其它施工工藝相比，鉆孔灌注樁施工設(shè)備比較簡單，施工震動(dòng)小，對(duì)于周圍的土體不會(huì)產(chǎn)生擠壓推力，不會(huì)破壞原有調(diào)壓撬設(shè)備基礎(chǔ)下的換填層，可以將對(duì)于原有調(diào)壓撬設(shè)備基礎(chǔ)的影響降到最低。從而保證了天然氣輸氣場(chǎng)站的高壓管道設(shè)備在世博會(huì)期間正常地運(yùn)行，不間斷地為下游用戶提供清潔的氣源。

3　加熱爐旁通設(shè)備改造的基礎(chǔ)地基處理

上海液化天然氣輸氣場(chǎng)站在2013年3月進(jìn)行了加熱爐旁通設(shè)備改造項(xiàng)目。

3.1加熱爐旁通設(shè)備改造的地基概況

輸氣場(chǎng)站加熱爐在投產(chǎn)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)天然氣通過能力無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，加熱爐成為輸氣場(chǎng)站輸氣能力的瓶頸，因此，需要對(duì)加熱爐區(qū)輸氣工藝進(jìn)行增設(shè)旁通改造，以達(dá)到設(shè)計(jì)輸量要求。

新增設(shè)備基礎(chǔ)上部的管道設(shè)備對(duì)于沉降的要求很高，雖然設(shè)備基礎(chǔ)的整體重量不大，但是基礎(chǔ)下的土層屬于高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度的軟土層，因此選擇合理的地基處理方法，精心組織施工，才能確保工程安全萬無一失。

3.2加熱爐旁通設(shè)備改造的地基處理方案

輸氣場(chǎng)站加熱爐原有基礎(chǔ)為樁基，新增旁通設(shè)備基礎(chǔ)距離原有設(shè)備樁基礎(chǔ)邊緣僅僅4.5 m。若采用傳統(tǒng)的碎石換填方案，按照規(guī)范要求，換填寬度應(yīng)為：基礎(chǔ)寬度+1.15×H1(換填深度)。由于持力層為③2b層砂質(zhì)粉土層，深度大概為地面標(biāo)高以下2.64 m，因此基礎(chǔ)的換填寬度計(jì)算后將達(dá)到4.71 m。另外，考慮基坑開挖時(shí)放坡寬度的影響，基坑開挖寬度會(huì)更大，這將不僅僅會(huì)影響到原有加熱爐樁基的安全，而且還會(huì)影響到二期加熱爐的基礎(chǔ)土層安全。因此，設(shè)計(jì)人員建議不采用此方案。

新增加熱爐旁通設(shè)備基礎(chǔ)若采用和原有基礎(chǔ)相同的樁基，雖然施工速度快，但是新的樁基對(duì)于周圍土體會(huì)產(chǎn)生擠壓推力，同時(shí)施工機(jī)械的震動(dòng)還會(huì)對(duì)原有設(shè)備基礎(chǔ)產(chǎn)生擾動(dòng)，對(duì)于正在運(yùn)行的高壓設(shè)備將會(huì)造成一定的影響。因此，設(shè)計(jì)人員建議不采用此方案。

通過和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行充分的技術(shù)交流和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后，在樁基、碎石換填等多種施工方案中，最終確定采用了混凝土墊層換填+鋼板樁維護(hù)的地基處理方案。具體做法：新增設(shè)備基礎(chǔ)下采用2.3 m寬度的混凝土墊層換填，混凝土墊層換填深度從持力層到地面標(biāo)高，大概為2.64 m。實(shí)際施工時(shí)，基坑周圍采用鋼板樁維護(hù)施工方案：基礎(chǔ)四周打6 m深25#鋼板樁支護(hù)，基坑挖土后，立即澆搗墊層，及時(shí)組織排水，不得讓基底土浸泡。

3.3加熱爐旁通設(shè)備改造的地基處理結(jié)論

通過精心組織施工，新增的四個(gè)設(shè)備基礎(chǔ)地基加固時(shí)間為15天，施工進(jìn)度快，難度小。施工期間的監(jiān)測(cè)表明，此方案不僅增加了設(shè)備基礎(chǔ)下軟土層的地基承載力，同時(shí)沒有對(duì)原有加熱爐設(shè)備樁基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，保證了輸氣末站高壓管道設(shè)備的正常運(yùn)行。

4　結(jié)語

通過這兩次非常成功的輸氣場(chǎng)站設(shè)備改造項(xiàng)目，設(shè)備基礎(chǔ)的地基處理方案在設(shè)計(jì)和施工方案上得到了多方面的探索和創(chuàng)新。不僅增強(qiáng)了處理典型高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度軟土層的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)探索和創(chuàng)新了多種適合液化天然氣輸氣場(chǎng)站的地基處理方案，為今后類似的改造項(xiàng)目提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

Discussion on Foundation Treatment in the Technical Transformation of the Natural Gas Station

Shanghai LNG Co., Ltd.Chi Liming

The design and construction plan of the equipment renovation project of natural gas stations can not affect the safety operations of those have been put into operation. In the two successful equipment renovation project, many explorations in the aspects of design and construction scheme have been applied in the scheme of foundation treatment of the new equipments.

natural gas station, equipment foundation, foundation treatment scheme