鋼結(jié)構(gòu)廠房獨(dú)立柱基礎(chǔ)沉降治理措施

李淵

0 引言

隨著建筑行業(yè)實(shí)施工業(yè)化改革與產(chǎn)業(yè)化升級(jí)，創(chuàng)新了裝配式工藝，推動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)建筑的快速發(fā)展與推廣應(yīng)用。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，鋼結(jié)構(gòu)建筑生產(chǎn)建造中引入了工業(yè)設(shè)計(jì)思想，能夠通過預(yù)制件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)與施工方面的裝配式技術(shù)，提升建筑全要素生產(chǎn)率。同時(shí)，按照項(xiàng)目立項(xiàng)、策劃、招投標(biāo)、設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、試運(yùn)行、收尾、維保等環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)全過程施工管理，有利于保障施工質(zhì)量。尤其是鋼結(jié)構(gòu)建筑具有施工周期短、施工效率高、成本投入相對(duì)可控等優(yōu)勢(shì)，近年來在工業(yè)廠建設(shè)方面受到了企業(yè)主的青睞。但是，當(dāng)獨(dú)立柱基礎(chǔ)發(fā)生沉降后，不僅降低了其功用，而且會(huì)引起安全事故。因此，需要增強(qiáng)相關(guān)治理工作。

1 工程概況

1.1 安全事故

以某金屬冶煉企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房工程為例，2015 年4 月生產(chǎn)建造竣工后于5 月份正式投入生產(chǎn)，其中的壓濾車間主廠房為鋼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)、寬分別為72.3m、21.5m，地面建筑高度為三層，無地下建筑。該廠房使用至2019 年6 月13 日時(shí)，第三層天車行進(jìn)中發(fā)生了脫軌軌掉道事故，雖無人員傷亡，卻給該企業(yè)造成了較大損失。

1.2 沉降概況

經(jīng)過對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查看與分析，維修人員于6 月15日完成了天車修復(fù)。但是，在試運(yùn)行時(shí)，天車南側(cè)的軌道與滾輪（2 個(gè)）之間產(chǎn)生了部分懸空問題，通常將其稱為“三條腿”現(xiàn)象。維修人員認(rèn)為原因來自天車梁不平，經(jīng)檢查后證實(shí)了立柱牛腿支撐存在水平位移且已不能保持平衡，進(jìn)一步查看確認(rèn)由獨(dú)立柱局部沉降所致?？紤]到該廠房南北側(cè)設(shè)置的獨(dú)立柱支撐共有13 根，而且在12 跨中每跨的長(zhǎng)度達(dá)到了6m，不排除多個(gè)獨(dú)立柱基礎(chǔ)沉降的情況。運(yùn)維管理人員結(jié)合全站儀進(jìn)行了放線測(cè)量與質(zhì)量檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)從北側(cè)到南側(cè)的1～13 號(hào)獨(dú)立柱中，第8～11 號(hào)均存在不同程度的沉降，具體沉降值如下：（1）8 號(hào)獨(dú)立柱：9.7cm。（2）9 號(hào)獨(dú)立柱：19.8cm。（3）10 號(hào)獨(dú)立柱：16.3cm。（4）11 號(hào)獨(dú)立柱：14.2cm。另外，1～7 號(hào)獨(dú)立柱高程誤差范圍在1cm 以內(nèi)。

2 獨(dú)立柱基礎(chǔ)沉降原因分析

通過對(duì)該企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房獨(dú)立柱基礎(chǔ)沉降原因的初步分析，發(fā)現(xiàn)與其沉降相關(guān)的因素主要集中在酸性溶液與防腐防滲方面，進(jìn)一步確定后認(rèn)為次要原因來自工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，主要原因是防腐結(jié)構(gòu)損壞。分述如下：

2.1 工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境

該鋼結(jié)構(gòu)廠房過濾車間獨(dú)立柱（8～12 號(hào)）基礎(chǔ)沉降問題主要集中在廠房南側(cè)。對(duì)其范圍進(jìn)行測(cè)量并放線圈定后可以看到沉降現(xiàn)象發(fā)生的范圍內(nèi)，外部空間設(shè)置包括1 個(gè)泵池、2 個(gè)攪拌罐、8 臺(tái)水泵。內(nèi)部空間設(shè)置有8 臺(tái)型號(hào)相同的壓濾機(jī)。廠房?jī)?nèi)外空間之間，各類設(shè)置形成以“壓濾機(jī)壓濾作業(yè)→生成酸性溶液→流經(jīng)水管與水溝→進(jìn)入泵池→水泵抽提→排回主廠區(qū)”為內(nèi)容的運(yùn)行系統(tǒng)（如圖1 所示）。此時(shí)，獨(dú)立柱所在的沉降范圍內(nèi)，從廠房建成投產(chǎn)至發(fā)生沉降問題期間，一直受到濕式作業(yè)影響。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)廠房所在區(qū)域的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)示意

2.2 防腐結(jié)構(gòu)損壞

通過查閱該企業(yè)當(dāng)年存檔的鋼結(jié)構(gòu)廠房建筑生產(chǎn)建造相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)過濾車間部分工程設(shè)計(jì)資料中，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目的實(shí)際需求，設(shè)置了耐酸防腐防治結(jié)構(gòu)，旨在解決酸性溶液造成的腐蝕問題與滲透造成的污染問題等。通過現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)，證實(shí)了防腐防滲結(jié)構(gòu)的存在，然而，因常年沒有實(shí)施維保遭到了破壞，追溯運(yùn)維管理未按要求進(jìn)行的原因發(fā)現(xiàn)，在項(xiàng)目竣工后，承包單位運(yùn)維管理一年后簽訂的維保合同到期，該單位撤走了駐廠維修人員。而該工業(yè)企業(yè)后續(xù)認(rèn)為維保期過后，無須再投入運(yùn)維管理費(fèi)用，因而造成了過濾車間使用過程中未對(duì)防腐防滲結(jié)構(gòu)開展維保的情況。而且廠房地面并沒有根據(jù)設(shè)計(jì)方案要求進(jìn)行防腐防滲處理。由此可見，造成鋼結(jié)構(gòu)廠房獨(dú)立柱基礎(chǔ)沉降的次要原因是工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，而主要原因則來自沉降區(qū)域的防腐防滲沒有滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。從而導(dǎo)致了酸性溶液下滲到獨(dú)立樁基礎(chǔ)土層，逐漸引發(fā)了地基承載力下降的情況，間接導(dǎo)致了獨(dú)立樁基礎(chǔ)沉降問題。

3 獨(dú)立柱基礎(chǔ)工勘驗(yàn)證情況

在初步查明獨(dú)立樁基礎(chǔ)沉降原因后，需要按照具體問題具體分析、針對(duì)性解決的基本思路，制定專業(yè)的沉降治理方案。因此，在這種需求下，該企業(yè)選擇了與第三方工勘單位合作的方式，擬通過工勘驗(yàn)證為治理方案的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。工勘驗(yàn)證情況如下：

首先，該工業(yè)企業(yè)與工勘單位簽訂合同后，按照合同約定的時(shí)間工勘單位派遣勘測(cè)人員協(xié)設(shè)備進(jìn)入廠區(qū)，深入了解情況后，重新復(fù)驗(yàn)了沉降區(qū)所在范圍。然后由該單位的施工人員在沉降區(qū)域內(nèi)設(shè)置了4 個(gè)工程勘察孔，每孔深度均為10.0m。

其次，按照標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探實(shí)驗(yàn)辦法，通過勘察孔采集原狀土樣，樣品共計(jì)20 個(gè)，然后開展土工試驗(yàn)，具體試驗(yàn)由工勘單位將采集到的樣品送回本單位實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作。

第三，同年8 月10 日，該單位向委托企業(yè)發(fā)布了《某項(xiàng)目壓濾車間地基沉降檢測(cè)巖土工程勘察報(bào)告》。通過工勘單位的勘測(cè)人員匯報(bào)及后續(xù)交流，確認(rèn)報(bào)告中的結(jié)論。具體內(nèi)容如下：（1）獨(dú)立柱所在區(qū)域的基礎(chǔ)持力層中，以粉質(zhì)粘土為主，滲透系數(shù)與孔隙率均較大，具有明顯的濕陷性特征。（2）在酸泵池漏液因素的積累性影響作用下，該區(qū)域本土層的含水率相對(duì)增加且處于較高水平，形成了軟塑狀態(tài)的土層。（3）雖然粉砂質(zhì)泥巖工程地質(zhì)條件沒有受到破壞，但是，淺層濕陷性土厚度達(dá)到了5.8～3.4m，會(huì)直接影響到獨(dú)立柱基礎(chǔ)。

4 沉降治理方案及其實(shí)踐

由于該工程中的沉降原因與勘察結(jié)果趨于一致，而且，勘察后在驗(yàn)證沉降原因的基礎(chǔ)上，為其治理提供了科學(xué)依據(jù)，有利于治理方案的設(shè)計(jì)并確保施工效果。下面分別對(duì)該項(xiàng)目治理實(shí)踐相關(guān)的沉降治理方案、治理施工措施，以及注意事項(xiàng)三個(gè)方面展開具體說明。

4.1 治理方案

以工勘驗(yàn)證結(jié)果為準(zhǔn)，選取樁基礎(chǔ)工藝，旨在利用該技術(shù)穿過軟弱粘土層，從而將樁端持力層改變?yōu)榉凵百|(zhì)泥巖，以此達(dá)到提高基礎(chǔ)承載力的目標(biāo)。具體操作時(shí)，主要選擇人工挖孔樁基礎(chǔ)的辦法，于獨(dú)立柱基礎(chǔ)兩側(cè)進(jìn)行基礎(chǔ)開挖，然后通過增加新的鋼立柱與工字型鋼梁連接方式，完成對(duì)治理。治理方案內(nèi)容如下：（1）以廠房立柱布置軸線方向?yàn)橹?，在?dú)立柱基礎(chǔ)兩側(cè)設(shè)置人工挖孔樁，樁長(zhǎng)在8.0～6.0m，具體按照進(jìn)入粉砂質(zhì)泥巖1.0m 進(jìn)行設(shè)置，直徑為0.8m。（2）在挖孔樁孔內(nèi)灌注C20 砼并于澆筑過程中，在樁頂面位置預(yù)埋一塊便于后續(xù)立柱支撐焊接的鋼板。（3）在樁上部灌注時(shí)，則將第一層平臺(tái)的鋼梁與作為立柱的工字型鋼進(jìn)行連接。

4.2 施工措施

該企業(yè)與施工單位簽訂合同后，施工單位結(jié)合上述治理方案，于次年3～4 月份之間進(jìn)行了施工?？紤]到連續(xù)梁布置在柱基礎(chǔ)之間，施工單位為了不破壞其整體結(jié)構(gòu)，在連續(xù)梁兩側(cè)布置了2 個(gè)挖孔樁，并通過梁連接合其構(gòu)成整體（樁基礎(chǔ)與挖孔樁的平面關(guān)系如圖2 所示）。在治理方案實(shí)施過程中，主要按照“人工挖孔樁開挖→澆筑→連接成暗梁→切割鋼梁頂升復(fù)位→梁與第一層平臺(tái)間支撐立柱→鋼立柱復(fù)位后補(bǔ)焊修復(fù)”等流程進(jìn)行操作。分述如下：

圖2 獨(dú)立柱基礎(chǔ)與挖孔樁之間的平面關(guān)系

（1）在8～12 號(hào)獨(dú)立樁基礎(chǔ)兩側(cè)，以每個(gè)獨(dú)立樁基礎(chǔ)為準(zhǔn)設(shè)置2 個(gè)人工挖孔樁，配套施用鋼護(hù)筒保護(hù)壁，當(dāng)粉砂質(zhì)泥巖中進(jìn)入的挖孔樁達(dá)到1m 深度時(shí)為止。（2）在孔內(nèi)放入預(yù)制的鋼筋籠后進(jìn)行C30 混凝土澆筑構(gòu)成鋼筋砼樁。（3）將16個(gè)挖孔樁進(jìn)行兩兩相連后，實(shí)際上可以在8～12 號(hào)獨(dú)立柱基礎(chǔ)兩側(cè)構(gòu)成由8 根挖孔樁組成的鋼筋砼梁。由于鋼結(jié)構(gòu)上部與梁頂部對(duì)應(yīng)位置預(yù)埋了鋼板，其長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為30cm、30cm、20cm。因而，在完工后需要進(jìn)行鋼梁切割頂升復(fù)，鋼立柱切斷頂升復(fù)位后補(bǔ)修焊接等。以鋼立柱為例，具體操作時(shí)將鋼筋混凝土養(yǎng)護(hù)14d 作為參考時(shí)間，結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果，確認(rèn)無誤后切斷鋼立柱。然后，借助千斤頂抬升鋼立柱進(jìn)行復(fù)位。（4）在鋼結(jié)構(gòu)廠房第一層平臺(tái)梁與挖孔樁暗梁支撐方面，選擇了工字鋼立柱建立新的支撐結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上通過鋼板補(bǔ)償焊接工藝使切斷的鋼立柱得到恢復(fù)，從而完成對(duì)該廠房獨(dú)立柱基礎(chǔ)沉降問題的有效治理。

4.3 注意事項(xiàng)

（1）通過對(duì)該工業(yè)企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房獨(dú)立柱基礎(chǔ)沉降問題的處理發(fā)現(xiàn)，在該項(xiàng)目原初的設(shè)計(jì)過程中，由于設(shè)計(jì)人員對(duì)于工勘驗(yàn)證產(chǎn)生的資料未進(jìn)行細(xì)致分析，在獨(dú)立柱地基施工時(shí)，沒有應(yīng)用樁基礎(chǔ)工藝，也未能應(yīng)用基礎(chǔ)換填土方案，從而引起了獨(dú)立柱基礎(chǔ)因濕陷性問題間接造成了沉降問題。根據(jù)現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)建筑生產(chǎn)建造中設(shè)計(jì)一體化的實(shí)踐模式看，影響此類問題的因素相對(duì)較多。例如，在該項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)時(shí)信息技術(shù)水平相對(duì)較低，CAD 設(shè)計(jì)圖紙只是將紙質(zhì)圖紙變成了電子版本，雖然對(duì)設(shè)計(jì)效率有所提升，但是在本質(zhì)上并不能提升設(shè)計(jì)質(zhì)量并擴(kuò)大設(shè)計(jì)圖紙的使用效用。而且，在業(yè)主向施工單位進(jìn)行技術(shù)交底時(shí)以紙質(zhì)設(shè)計(jì)圖紙為主，在圖紙打印過程中也不排除發(fā)生錯(cuò)誤與漏打的現(xiàn)象。所以，在本次對(duì)獨(dú)立柱基礎(chǔ)沉降問題進(jìn)行治理時(shí)，借助近年來應(yīng)用逐漸增多的廣聯(lián)達(dá)BIM 技術(shù)，將歷史資料中的CAD 設(shè)計(jì)圖導(dǎo)入到了Revit 軟件進(jìn)行了三維模擬。驗(yàn)證了原來設(shè)計(jì)方案中沒有標(biāo)注土層情況，也沒有對(duì)施工工藝做詳細(xì)說明的事實(shí)。所以，導(dǎo)致此類問題的根本原因，應(yīng)追溯到編制設(shè)計(jì)方案內(nèi)容不全。

（2）在該項(xiàng)目施工過程中，施工單位并沒有嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)方案要求，全面進(jìn)行防腐防滲處理，導(dǎo)致了后續(xù)酸性液體下滲產(chǎn)生的地基工程特性變化問題。查閱資料后發(fā)現(xiàn)，在該項(xiàng)目生產(chǎn)建造時(shí)期，我國(guó)建筑工程中的總承包模式已經(jīng)得到了應(yīng)用，主要集中在大型建筑項(xiàng)目中。從該項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)廠房工程的規(guī)?？?，屬于大型建筑項(xiàng)目，本應(yīng)通過招投標(biāo)的方式將其承包給中標(biāo)施工單位。但是該企業(yè)在建設(shè)廠房時(shí)，通過市場(chǎng)化的交易方式先將工程項(xiàng)目承包給了某建設(shè)單位，該建設(shè)單位經(jīng)過一系列組織，在沒有進(jìn)行公開招標(biāo)的情況下，將項(xiàng)目直接分包給了與其長(zhǎng)期合作的施工單位。考慮到三方合作的時(shí)間較長(zhǎng)，為了節(jié)省資金便沒有與第三方監(jiān)理單位進(jìn)行合作。土建工程與防腐工程兩個(gè)分部項(xiàng)目生產(chǎn)建造中，施工單位又通過分包方式承包給了兩個(gè)不同的施工單位。由于施工單位之間的協(xié)同合作較差，造成了部分廠區(qū)防腐防滲工程沒有得到落實(shí)。因此，在本次治理工程實(shí)踐中，吸取了前期教訓(xùn)，在委托有資質(zhì)的施工單位后，主動(dòng)聘請(qǐng)了第三方監(jiān)理工程師，由其在治理過程中進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督，開展施工協(xié)調(diào)等。

（3）在6.0～5.0m 的持力層埋深方面，樁基礎(chǔ)以端承樁作為受力形式。設(shè)計(jì)方案中并沒有根據(jù)實(shí)際需求對(duì)樁長(zhǎng)進(jìn)行合理控制，從而造成了受力支撐不足的問題，為后續(xù)沉降現(xiàn)象的出現(xiàn)埋下了隱患。進(jìn)一步看，該項(xiàng)目的鋼立柱并沒有理想的持力層，原本可以通過樁長(zhǎng)方面的合理控制，增加其深度，為其找到地質(zhì)條件相對(duì)較好的持力層以便規(guī)避沉降問題。然而，由于沒有對(duì)摩擦樁、挖孔樁、鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)立樁進(jìn)行對(duì)比分析，也忽略了鋼結(jié)構(gòu)建筑生產(chǎn)建造時(shí)必要的受力問題，從而在沒有考慮到持力層混凝土材料時(shí)變、臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)脫離后獨(dú)立柱荷載累積增加等因素的情況下，對(duì)工程運(yùn)行后發(fā)生質(zhì)量問題產(chǎn)生了消極影響。

由此可見，在鋼結(jié)構(gòu)廠房獨(dú)立樁基礎(chǔ)工程中，一方面應(yīng)該增強(qiáng)巖土工程勘察工作，并結(jié)合勘察報(bào)告設(shè)計(jì)與其實(shí)際相符合的方案。另一方面則需要按照設(shè)計(jì)施工一體化的實(shí)踐模式，將設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與施工環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)起來，并在施工時(shí)做好設(shè)計(jì)圖復(fù)審，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)狀況反饋相關(guān)設(shè)計(jì)問題。另外，業(yè)主需要通過市場(chǎng)化合作方式委托專業(yè)監(jiān)理單位實(shí)行質(zhì)量監(jiān)督，并派遣專職人員于施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)督管理，預(yù)防承包方分包后導(dǎo)致的一系列的問題。尤其需要在工程投入運(yùn)行后開展配套的運(yùn)維管理工作，提前發(fā)現(xiàn)問題并加以解決。

5 結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)廠房中獨(dú)立柱基礎(chǔ)發(fā)揮著承擔(dān)荷載的重大作用，當(dāng)其發(fā)生沉降后容易造成事故，嚴(yán)重影響工廠的安全生產(chǎn)。通過以上分析可以看出，該工業(yè)企業(yè)因鋼結(jié)構(gòu)廠房獨(dú)立柱基礎(chǔ)沉降問題引起了重大安全事故，而且在天車修復(fù)后仍然存在隱患。因此，在新時(shí)期我國(guó)工業(yè)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展階段，需要同步推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)廠房高質(zhì)量建設(shè)工作。建議在處理獨(dú)立柱基礎(chǔ)沉降問題時(shí)，盡可能結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查看、成因分析、工勘驗(yàn)證等基本程序，在科學(xué)依據(jù)基礎(chǔ)研發(fā)設(shè)計(jì)配套的治理方案。另外，需要在設(shè)計(jì)施工一體化發(fā)展思路下，做好設(shè)計(jì)方案牽引，施工實(shí)踐校驗(yàn)工作，預(yù)防因設(shè)計(jì)不當(dāng)、施工不規(guī)范等埋下質(zhì)量隱患。