淺析蘭州石化余熱鍋爐平移軌道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與問(wèn)題處理

中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司 河南洛陽(yáng) 471023

蘭州石化余熱鍋爐（鍋爐型式見(jiàn)圖1）平移是蘭州石化公司300萬(wàn)t/a重油催化裂化裝置改造項(xiàng)目中的一項(xiàng)重要工程。按照常規(guī)施工方法，鍋爐更換需要在原位置上將舊鍋爐拆除，再安裝新鍋爐，施工期間裝置必須長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)。經(jīng)過(guò)蘭州石化與中油一建公司反復(fù)研究策劃，決定采用新鍋爐異地預(yù)制，整體牽引平移安裝就位的辦法。該辦法不影響正常生產(chǎn)，可在檢修期間完成鍋爐的改造與更換，從而保證蘭州石化完成年度生產(chǎn)任務(wù)和效益指標(biāo)。兩臺(tái)鍋爐高45.3m、長(zhǎng)16.4m、寬25.9m，總重量3696t，需要移動(dòng)28.4m。平移軌道基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)鍋爐平移的前提，也是鍋爐平移的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

1 軌道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及處理方法

1.1 基礎(chǔ)選型

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，工程所在區(qū)域淺層為人工回填土，地基承載能力低，不能滿足軌道的承載力要求。按地質(zhì)報(bào)告建議，荷載較大的建構(gòu)筑物基礎(chǔ)應(yīng)采用樁基礎(chǔ)。

圖1 建造完成的蘭州石化余熱鍋爐

基礎(chǔ)選型過(guò)程中有兩個(gè)難點(diǎn)：一個(gè)是軌道基礎(chǔ)的沉降控制。鍋爐高45.3m，重量高達(dá)3696t，在施工或平移過(guò)程中，如產(chǎn)生不均勻沉降，將會(huì)導(dǎo)致卡軌，甚至影響鍋爐主體的安全；另一個(gè)是現(xiàn)場(chǎng)管線的保護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)有多條管線橫穿施工區(qū)域（圖2），均為廠區(qū)正在使用的管線，若施工中如對(duì)管線造成破壞，將影響到石化廠的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。另外，軌道區(qū)域內(nèi)有較多老舊基礎(chǔ)，建設(shè)單位不能提供此部分的基礎(chǔ)圖，且部分基礎(chǔ)還要重復(fù)利用，不能拆除。

圖2 穿過(guò)施工區(qū)域的部分管線

現(xiàn)場(chǎng)條件造成樁基成孔困難，加之樁基工程施工環(huán)節(jié)多，施工工期長(zhǎng)，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求，所以不能采用地質(zhì)報(bào)告推薦的樁基方案。經(jīng)過(guò)反復(fù)的研究與比選，最后采用彈性地基梁加淺層換填的形式進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，地基處理為1m厚的砂石墊層，基礎(chǔ)型式見(jiàn)圖3。

圖3 彈性地基梁基礎(chǔ)形式圖

彈性地基梁是一種擱置在有一定彈性的地基上，梁底各點(diǎn)與地基緊密相貼的梁。彈性地基梁為倒T型結(jié)構(gòu)，由中間的主梁和兩邊伸出的翼緣組成。設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)改變主梁的高度和翼緣寬度，可將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到較大的范圍，從而調(diào)節(jié)基底應(yīng)力，控制基礎(chǔ)的沉降。另外，根據(jù)平移軌道基礎(chǔ)的特點(diǎn)，軌道基礎(chǔ)承受的主要是豎向的壓力和平移方向上的剪力，軌道垂直方向的受力較小。在滿足承載能力要求的情況下，適當(dāng)減小基礎(chǔ)的埋深，不但可以滿足平移過(guò)程中基礎(chǔ)的受力需求，并且有效地減少了基礎(chǔ)施工對(duì)地下管線和老舊基礎(chǔ)的影響。對(duì)于無(wú)法避讓的管線，設(shè)計(jì)時(shí)在管線部位的彈性地基梁去除翼緣，減小中間主梁的高度，并對(duì)減小的主梁進(jìn)行配筋加固處理，從而保證結(jié)構(gòu)的安全，同時(shí)因采用梁式跨越，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管線的防護(hù)。

1.2 基礎(chǔ)的建模與計(jì)算

蘭州石化余熱鍋爐異地建造整體平移的施工方法在石油化工行業(yè)屬首次運(yùn)用，軌道基礎(chǔ)是一個(gè)非常規(guī)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有可參考的成熟經(jīng)驗(yàn)，尤其軌道基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)模型簡(jiǎn)化和計(jì)算是軌道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

軌道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)將兩臺(tái)鍋爐簡(jiǎn)化為兩個(gè)獨(dú)立的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，用節(jié)點(diǎn)荷載的型式施加鍋爐荷載和平移時(shí)的水平荷載?；A(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)兩臺(tái)鍋爐基礎(chǔ)同時(shí)設(shè)計(jì)，這種建模計(jì)算方法不但可以了解單臺(tái)鍋爐的受力狀態(tài)，還可以考慮兩臺(tái)鍋爐基礎(chǔ)的相互影響。

平移軌道基礎(chǔ)計(jì)算采用PKPM結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行?？蚣苤奈恢么驽仩t柱，在鍋爐平移的工況下，基礎(chǔ)上部的荷載不但是動(dòng)荷載而且是位置可以變化的移動(dòng)荷載。對(duì)于移動(dòng)荷載，理論上應(yīng)按影響線的理論進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，計(jì)算方法復(fù)雜。建模時(shí)按起鍋爐平移軌跡，選取有代表性的位置分別建立靜態(tài)模型進(jìn)行多次計(jì)算，把動(dòng)態(tài)模型轉(zhuǎn)化為靜態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算，這種設(shè)計(jì)方法，不但體現(xiàn)了移動(dòng)荷載的受力特點(diǎn)，并且簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)效率。

2 施工中的問(wèn)題及處理

為加快施工進(jìn)度，舊鍋爐拆除和新鍋爐預(yù)制要同時(shí)進(jìn)行。按照施工組織，軌道基礎(chǔ)分新鍋爐預(yù)制區(qū)、舊鍋爐拆除區(qū)和鍋爐平移區(qū)，3個(gè)區(qū)域先后進(jìn)行施工。施工分區(qū)見(jiàn)圖4。

2.1 鍋爐預(yù)制區(qū)基礎(chǔ)沉降

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反映的情況，新鍋爐預(yù)制成型后，基礎(chǔ)的最大沉降達(dá)到60mm，而此部位的計(jì)算沉降量只有12mm，沉降實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果有較大差異。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與設(shè)計(jì)的對(duì)比分析，設(shè)計(jì)時(shí)是假定整根的彈性地基梁一起施工、一起受力。而施工時(shí)按現(xiàn)場(chǎng)組織的需要，采用了分區(qū)域施工的方法，這種施工方法導(dǎo)致彈性地基梁只有部分長(zhǎng)度局部受力，彈性地基梁的受力方式和設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算假定不同，這是造成沉降較大的主要原因。

圖4 施工分區(qū)示意圖

針對(duì)這種情況，為防止鍋爐平移過(guò)程中出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，相鄰施工段連接時(shí)采用緩坡連接的方法進(jìn)行施工，并且連接坡度要盡可能得小。另外，為防止連接部位在平移過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)或裂縫，連接時(shí)采用了植筋的方法對(duì)連接部位進(jìn)行加強(qiáng)處理，在彈性地基梁未配鋼筋的中心區(qū)域增加水平鋼筋，從而增加了基礎(chǔ)連接部位的可靠性。

2.2 鍋爐平移行走區(qū)異常地基處理

鍋爐平移行走區(qū)域施工時(shí)，基坑范圍內(nèi)不僅有大量不能破除的老舊基礎(chǔ)，還有局部的軟弱地基。軟弱地基為淤泥及淤泥質(zhì)土，淤泥質(zhì)土深度不詳，基坑內(nèi)涌水量較大。

現(xiàn)場(chǎng)確定了兩個(gè)地基處理方案：方案一，拋石擠淤加砂石墊層；方案二，拋石擠淤加低標(biāo)號(hào)混凝土墊層。其中方案一施工費(fèi)用較為經(jīng)濟(jì)；方案二施工速度較快，并且可比方案一節(jié)約2d左右的工期，且施工質(zhì)量控制較為容易?？紤]到采用整體平移方法的核心就是節(jié)約工期，項(xiàng)目整體的施工進(jìn)度比局部的造價(jià)提升更為重要。經(jīng)過(guò)方案比選，選用方案二為最終方案。最終地基處理效果較好，平移過(guò)程中此部分基礎(chǔ)無(wú)沉降現(xiàn)象。

2.3 鍋爐平移過(guò)程中出現(xiàn)卡軌

鍋爐在平移過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)幾次卡軌現(xiàn)象，主要原因是基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致軌道不是絕對(duì)的水平，有上坡的現(xiàn)象。

如有類似工程，可加大彈性地基梁的翼緣寬度，減小基礎(chǔ)底部應(yīng)力，進(jìn)一步減小沉降量。另外，滑移軌道前端可以適當(dāng)優(yōu)化，做成弧形并向上翹曲，這種方式可有效防止卡軌現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過(guò)以上措施，鍋爐平移軌道基礎(chǔ)按預(yù)定工期完成施工，2016年8月16日基礎(chǔ)達(dá)到了使用條件，同日順利實(shí)現(xiàn)了鍋爐的平移就位。圖5為鍋爐平移現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖5 鍋爐平移現(xiàn)場(chǎng)圖

通過(guò)平移軌道的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的跟蹤處理可以得到如下結(jié)論：

（1）平移工程的軌道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在滿足承載力的情況下應(yīng)盡量淺埋。平移工程多在舊廠區(qū)，基礎(chǔ)淺埋可以有效減少基礎(chǔ)對(duì)地下管線和地下建（構(gòu)）筑物的影響。

（2）平移基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)包括施工中特殊狀態(tài)的計(jì)算。由于舊設(shè)備拆除時(shí)新設(shè)備要同時(shí)建造，加上現(xiàn)場(chǎng)施工通道的需要，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)軌道基礎(chǔ)不可避免地要進(jìn)行分區(qū)施工。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行施工狀態(tài)的合理驗(yàn)算，才能保證基礎(chǔ)安全和沉降的要求。

（3）平移基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮在新設(shè)備預(yù)制區(qū)預(yù)留一定的預(yù)沉量。施工時(shí)新設(shè)備的預(yù)制區(qū)承受設(shè)備荷載的時(shí)間較長(zhǎng)，其他區(qū)域承受的均為設(shè)備通過(guò)時(shí)的臨時(shí)荷載，受力時(shí)間的不同，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致沉降量的不同。因此，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)地基地質(zhì)情況，預(yù)留30～50mm的預(yù)沉量，可有效地減少各個(gè)區(qū)域的沉降差。

（4）平移基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)各個(gè)分區(qū)之間的連接構(gòu)造?，F(xiàn)場(chǎng)施工中，不可避免地進(jìn)行分區(qū)施工，要加強(qiáng)分區(qū)之間的連接，從而有效地保證分區(qū)連接的可靠性。

（5）平移托架的前端做成雪橇式可有效地減少卡軌現(xiàn)象。由于平移軌道基礎(chǔ)各個(gè)分區(qū)受力狀態(tài)不同，基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降難以避免。平移托架形式的改變，可改變托架前部的受力方向，從而有效防止卡軌現(xiàn)象的發(fā)生。

異地建造整體平移的施工方法在石油化工業(yè)尚屬首次運(yùn)用。這種施工方法，可較常規(guī)施工方法節(jié)省工期3個(gè)月左右，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。此工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)處理經(jīng)驗(yàn)將為今后類似的工程設(shè)計(jì)提供有益的借鑒。