LNG鋼結(jié)構(gòu)模塊沉降分析及修正研究

劉榮坤， 李家軍， 田從永， 王 毅， 冷亞林， 楊建昌

(海洋石油工程股份有限公司， 山東 青島 266555)

LNG鋼結(jié)構(gòu)模塊沉降分析及修正研究

劉榮坤， 李家軍， 田從永， 王 毅， 冷亞林， 楊建昌

(海洋石油工程股份有限公司， 山東 青島 266555)

液化天然氣(LNG)鋼結(jié)構(gòu)模塊自重較大，建造期間會(huì)產(chǎn)生沉降，影響設(shè)備及管線安裝精度。通過對不同地基上LNG鋼結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行周期性沉降觀測，分析討論模塊累計(jì)沉降量及沉降過程特點(diǎn)。針對模塊不同沉降，提出應(yīng)對模塊沉降的修正對策，保證后續(xù)標(biāo)高測量精度。

LNG模塊;沉降觀測;數(shù)值分析;修正

0 引 言

液化天然氣(LNG)鋼結(jié)構(gòu)模塊分布有大量設(shè)備和管線，標(biāo)高公差嚴(yán)格[1—2]，在總裝建造過程中，因模塊底部支撐腿立柱承重高，地基夯實(shí)程度不同，會(huì)導(dǎo)致模塊發(fā)生不均勻沉降，嚴(yán)重影響設(shè)備、管線安裝標(biāo)高精度。石繼程等[3]指出非滑道區(qū)的不均勻沉降會(huì)引起大型LNG管廊結(jié)構(gòu)建造過程沉降；趙林峰等[4]研究表明地基的不均勻沉降會(huì)引起汽輪機(jī)組主結(jié)構(gòu)的標(biāo)高異常，可調(diào)整主結(jié)構(gòu)標(biāo)高解決；賴訓(xùn)誠[5]研究指出軟地基大型設(shè)備安裝過程中需通過沉降觀測統(tǒng)一設(shè)備標(biāo)高安裝精度。以上研究表明，LNG鋼結(jié)構(gòu)及設(shè)備建造安裝過程中，不均勻沉降會(huì)引起標(biāo)高安裝異常，影響建造精度。本文以滑道區(qū)和非滑道區(qū)LNG鋼結(jié)構(gòu)模塊為研究對象，從沉降過程和累計(jì)沉降角度，分析LNG鋼結(jié)構(gòu)模塊沉降特點(diǎn)，解釋沉降原因，并提出沉降修正方法。

1 研究對象及觀測分析

1.1 建造場地簡介及研究對象

建造場地非滑道區(qū)地層主要有素填土(碎石素填土和粉質(zhì)黏土素填土)、淤泥、殘破積土和基巖[3]，滑道區(qū)采用沉箱內(nèi)樁基的結(jié)構(gòu)形式[6]。本文以滑道區(qū)模塊A和非滑道區(qū)模塊B為研究對象，具體信息如表1所示。

表1 模塊A和B主要信息

(續(xù)表)

1.2 沉降點(diǎn)布控及觀測方法

沉降觀測點(diǎn)位布控包括控制網(wǎng)站點(diǎn)和沉降觀測點(diǎn)布設(shè)?？刂凭W(wǎng)站點(diǎn)布控在模塊周圍，滑道區(qū)、非滑道區(qū)及控制網(wǎng)站點(diǎn)的位置如圖1所示。沉降觀測點(diǎn)布設(shè)在模塊底部支撐腿立柱上，如圖2所示。

圖1 滑道區(qū)、非滑道區(qū)及控制網(wǎng)站點(diǎn)位置圖Fig.1 Slide area, non-slide area and control points’ location

圖2 模塊沉降觀測點(diǎn)Fig.2 Settlement survey points on the module

沉降觀測采用高精度徠卡TS30全站儀(見圖3)，利用多個(gè)控制網(wǎng)站點(diǎn)后方交會(huì)設(shè)站，降低設(shè)站系統(tǒng)誤差，采取“五定”原則，即高程基準(zhǔn)點(diǎn)、控制網(wǎng)站點(diǎn)、沉降觀測點(diǎn)固定，儀器固定，人員固定，觀測程序、方法固定和觀測環(huán)境固定。觀測周期兼顧模塊總體建造方案和甲板片總裝，一般于每層甲板片吊裝后進(jìn)行。

圖3 徠卡TS30全站儀Fig.3 Leica TS30 total station

1.3 數(shù)據(jù)分析

將模塊沉降觀測點(diǎn)各周期沉降點(diǎn)數(shù)和沉降點(diǎn)的平均沉降量作關(guān)于觀測周期的沉降曲線圖，從沉降過程分析控制網(wǎng)站點(diǎn)和模塊沉降特點(diǎn)，通過累計(jì)沉降量的統(tǒng)計(jì)柱狀圖，分析累計(jì)沉降特點(diǎn)。

1.3.1滑道區(qū)模塊A

模塊A位于場地滑道區(qū)域，共布置沉降觀測點(diǎn)15個(gè)，沉降曲線如圖4所示。從圖4看出，模塊A沉降主要發(fā)生在2～4周期，每周期沉降點(diǎn)數(shù)均在6個(gè)以上，平均沉降量在1～2mm之間，第4周期達(dá)到沉降峰值，共有12個(gè)觀測點(diǎn)產(chǎn)生沉降，平均沉降量1.8mm。第4周期之后，沉降點(diǎn)數(shù)和平均沉降量都大幅減小，曲線趨于穩(wěn)定。

圖4 滑道區(qū)A模塊各周期沉降點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics of settlement points on module A at slide area

圖5為模塊A各沉降觀測點(diǎn)的累計(jì)沉降量，從圖中可以看出，模塊A累計(jì)沉降量最大為5mm，產(chǎn)生沉降的沉降點(diǎn)比例為100%，平均累計(jì)沉降量3.0mm，模塊總裝期間相對較穩(wěn)定。

圖5 滑道區(qū)A模塊各沉降點(diǎn)累計(jì)沉降量Fig.5 Accumulated settlement amounts on module A at slide area

1.3.2非滑道區(qū)模塊B

模塊B位于砂石區(qū)域，屬于非滑道區(qū)，共布置24個(gè)沉降觀測點(diǎn)，沉降曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，模塊B沉降主要發(fā)生在2～6周期，沉降點(diǎn)多，沉降量大，且平均沉降量大于1mm。第6周期后，沉降現(xiàn)象變緩，沉降點(diǎn)數(shù)明顯變少，模塊趨于穩(wěn)定。

圖6 非滑道區(qū)B模塊各周期沉降點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics of settlement points on module B at non-slide area

圖7為模塊B各沉降觀測點(diǎn)的累計(jì)沉降量。從圖中可以看出，模塊B累計(jì)沉降量主要集中在2～7mm，最大為8mm；產(chǎn)生沉降的沉降點(diǎn)比例為100%，平均沉降量5.0mm。相比于滑道區(qū)域，模塊總裝期間沉降程度較為嚴(yán)重。

圖7 非滑道區(qū)B模塊各沉降點(diǎn)累計(jì)沉降量Fig.7 Accumulated settlement amounts on module B at non-slide area

1.3.3小結(jié)

通過對處于不同地基狀態(tài)上的兩個(gè)模塊進(jìn)行分析可以看出，滑道區(qū)模塊累計(jì)沉降量最大為5mm，沉降主要發(fā)生在2～4周期；非滑道區(qū)模塊累計(jì)沉降量集中在2～7mm，沉降主要發(fā)生在2～6周期，總體沉降相對滑道區(qū)周期長、沉降量大。因此，建議在模塊總裝前期及中期加大沉降監(jiān)控頻率，尤其是對處于非滑道區(qū)域的總裝模塊加大沉降監(jiān)控力度，及時(shí)對模塊沉降量進(jìn)行修正處理，以免影響設(shè)備、管線的標(biāo)高安裝精度(一般為±3mm)。

2 沉降原因及修正

2.1 沉降原因

引起模塊總裝沉降的主要因素有：

(1) 模塊總裝建造所在的地基不同，滑道區(qū)承重力強(qiáng)，沉降較輕；非滑道區(qū)域承重力較弱，沉降較重。

(2) 施工現(xiàn)場大型吊裝作業(yè)頻繁(見圖8)，外力引起模塊沉降。

圖8 模塊周圍大型吊裝作業(yè)Fig.8 Lifting work around the modules

(3) 模塊自身載荷重量大，質(zhì)量分布不均勻，導(dǎo)致模塊沉降且各監(jiān)控點(diǎn)沉降量存在差異。

(4) 模塊開始總裝時(shí)，其底部立柱底板與墊墩之間存在縫隙(見圖9)，由模塊壓實(shí)作用產(chǎn)生沉降。

圖9 模塊立柱底板與墊墩縫隙Fig. 9 Gap between the module base plate and the foundation

2.2 修正

應(yīng)對模塊沉降的修正辦法有：

(1) 及時(shí)調(diào)整控制網(wǎng)站點(diǎn)高程。以模塊A為例，模塊A在第4周期，累計(jì)共有87%的觀測點(diǎn)發(fā)生沉降，平均沉降量為1.8mm，此時(shí)將控制網(wǎng)站點(diǎn)高程統(tǒng)一上調(diào)2.0mm，以上調(diào)后的控制網(wǎng)站點(diǎn)復(fù)測設(shè)備、管線標(biāo)高。但需要注意，此方法應(yīng)當(dāng)在模塊發(fā)生大范圍沉降時(shí)采用，并且考慮測量誤差影響，一般當(dāng)平均沉降量達(dá)2.0mm時(shí)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)發(fā)生極個(gè)別監(jiān)控點(diǎn)沉降時(shí)，應(yīng)針對該處立柱進(jìn)行抬升。以模塊A某設(shè)備底座為例，調(diào)整前后的標(biāo)高值如圖10和圖11所示，由圖可知若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)沉降現(xiàn)象，設(shè)備底座標(biāo)高值是超差的(±3mm)，已用云霧線圈出，而根據(jù)模塊沉降值調(diào)整站點(diǎn)坐標(biāo)后，標(biāo)高值滿足公差要求。

圖10 標(biāo)高調(diào)整前Fig.10 Before elevation adjustment

圖11 標(biāo)高調(diào)整后Fig.11 After elevation adjustment

(2) 多點(diǎn)多次匹配擬合。對于沉降嚴(yán)重的模塊，應(yīng)將所有底部立柱與站點(diǎn)重新關(guān)聯(lián)測量，利用測量軟件，對測量數(shù)據(jù)和理論模型重新匹配擬合，防止模塊沉降引起平面位置的變動(dòng)。

(3) 局部多點(diǎn)后方交會(huì)測量。在每層甲板總裝焊接完成后，根據(jù)模塊累計(jì)沉降量，適時(shí)修正控制網(wǎng)站點(diǎn)高程。然后將控制網(wǎng)站點(diǎn)返引至模塊上，如此控制網(wǎng)站點(diǎn)與模塊同步沉降，可保證后續(xù)標(biāo)高的測量精度。

3 結(jié) 語

(1) LNG鋼結(jié)構(gòu)模塊總裝期間因地基不同而沉降程度不同，滑道區(qū)域模塊沉降相對較小，非滑道區(qū)域模塊沉降相對較大。模塊沉降主要發(fā)生在總裝前期和中期，因此在總裝前期和中期應(yīng)加大沉降觀測頻率。

(2) 分析LNG鋼結(jié)構(gòu)模塊沉降的原因，主要包括地基穩(wěn)定性、外力干擾、自身載荷及質(zhì)量分布和模塊擺放因素；當(dāng)模塊產(chǎn)生沉降超過2mm后，及時(shí)調(diào)整控制網(wǎng)站點(diǎn)高程，可保證后續(xù)標(biāo)高的測量精度。

(3) 模塊沉降修正方法有調(diào)整控制網(wǎng)站點(diǎn)高程、多點(diǎn)多次匹配擬合和局部多點(diǎn)后方交會(huì)測量，均可修正因模塊沉降引起的標(biāo)高異常變化。

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ResearchonModuleSettlementandAdjustmentofLNGSteelProject

LIU Rong-kun, LI Jia-jun, TIAN Cong-yong, WANG Yi, LENG Ya-lin, YANG Jian-chang

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Qingdao,Shandong266555,China)

Settlement will happen in the field-assembly period on liquefied natural gas (LNG) steel modules as they are very heavy. The settlement will influence the installation accuracy of equipment and pipelines. Based on the periodic monitoring on the settlement of the modules which are fabricated on different foundations, the final settlement amount and the feature are found from numerical analysis. In consideration of their different performance, proposals are provided to deal with the settlement to ensure the elevation accuracy of pipelines and instruments installed on them.

LNG module; settlement monitoring; numerical analysis; adjustment

TU391

A

2095-7297(2017)04-0240-05

2017-03-21

劉榮坤(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)建筑與安裝方面的研究。