南方沿海地區(qū)淤泥地質(zhì)條件的天然氣站場防沉降設(shè)計和實踐

＊賴樂年 吳凱 張勇 歐陽才天 林濤

（中海廣東天然氣有限責(zé)任公司 廣東 519015）

背景

自2004年我國首座LNG接收站在廣東深圳布局開始，截止目前一條長五千余公里貫穿我國東南沿海地區(qū)的“能源大動脈”基本建成。我國南方沿海地區(qū)地質(zhì)多為軟土層，厚度深達(dá)10～60余米，主要由海岸浪流及潮汐水動力作用逐漸淤積而成，有承載力低、受荷后變形大等特殊特征。據(jù)不完全統(tǒng)計，在廣東、福建、海南等沿海地區(qū)建成的天然氣站場后期普遍發(fā)生了較嚴(yán)重的不均勻沉降問題，目前仍有沉降的站場超40座。天然氣站場發(fā)生不均勻沉降，可能導(dǎo)致設(shè)備、管道、線纜等設(shè)施處于受力隱患狀態(tài)，甚至可能導(dǎo)致產(chǎn)生天然氣泄漏，釀成重大安全事故。為此，本文結(jié)合已建站場的沉降和治理情況，分析站場沉降的主要原因，為設(shè)在淤泥地質(zhì)地區(qū)的天然氣站場建設(shè)提出防沉降設(shè)計措施。

1.防沉降技術(shù)思路及調(diào)研

經(jīng)對廣東發(fā)生沉降的站場進(jìn)行調(diào)研，并重點研究某沉降嚴(yán)重的站場，制定了技術(shù)路線見圖1。

圖1 防沉降設(shè)計技術(shù)路線圖

(1)天然氣站場沉降測量分析

天然氣站場按功能劃分為進(jìn)站區(qū)、工藝設(shè)備區(qū)、出站區(qū)、放空排污區(qū)等。通過采用RTK測量技術(shù)，采集了某站場設(shè)施基礎(chǔ)高程和坐標(biāo)信息，并比較竣工數(shù)據(jù)，得出各區(qū)域發(fā)生沉降情況見表1。

表1 某站場RTK測量數(shù)據(jù)（節(jié)選）

(2)輔助驗證方法

①利用電阻應(yīng)變片監(jiān)測管道應(yīng)力值見表2，驗證準(zhǔn)確性。

表2 某站場管道應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)（節(jié)選）

②利用CAESARII軟件對站場進(jìn)行建模見圖2，驗證各區(qū)域等沉降嚴(yán)重程度。

圖2 某站場應(yīng)力分析建模圖

(3)天然氣站場各區(qū)域的沉降嚴(yán)重程度分析

經(jīng)上述分析，結(jié)合運營經(jīng)驗，得出站場各區(qū)域發(fā)生沉降嚴(yán)重程度為：

表3 天然氣站場發(fā)生沉降的嚴(yán)重程度劃分表

其中，站場進(jìn)（出）站區(qū)和埋地連接管道，是發(fā)生不均勻沉降的“重災(zāi)區(qū)”。主要原因是：站外的線路管道為直埋的柔性基礎(chǔ)，而站內(nèi)管道為固定式剛性基礎(chǔ)，極易發(fā)生不均勻沉降。以下是廣東某站場沉降及治理的照片，見圖3。

圖3 廣東某站場沉降及治理照片

2.地質(zhì)沉降的原因分析

根據(jù)現(xiàn)場踏勘及調(diào)研情況分析，站場發(fā)生不均勻沉降的主要影響因素為：自然條件因素和設(shè)計因素這兩個方面。

(1)自然條件因素

對于工程建設(shè)來說，南方沿海地區(qū)地質(zhì)、降雨量和地下水等自然條件相對較惡劣，以廣東某站場為例：

①場區(qū)主要為流塑態(tài)的淤泥及淤泥質(zhì)土，壓縮系數(shù)高。根據(jù)地質(zhì)資料，該場區(qū)主要分布的地基土為人工填土、淤泥、中砂、粗砂及礫砂等，其中軟土層厚度最大約40m。由于水平方向土層厚度變化較大，豎直方向上各層土的物理性質(zhì)和力學(xué)強度相差大，加上場地內(nèi)軟土層固結(jié)時間長，存在固結(jié)后產(chǎn)生不均勻沉降不良地質(zhì)作用的問題。這是站場發(fā)生不均勻沉降的首要原因。

②南方沿海地區(qū)降雨量大，地質(zhì)含水量達(dá)85%以上，可壓縮性高。

③場區(qū)地下水位較高（1～2m），雨季與旱季的地下水位相差大。另外，部分填海區(qū)域存在海水滲入補給地下水，易形成海水徑流、地下水向低處溢出或排泄等情況。

(2)設(shè)計因素

在設(shè)計上，未充分考慮當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)和站場的防沉降措施和經(jīng)驗等，是可能導(dǎo)致站場發(fā)生不均勻沉降的原因，表現(xiàn)為：

①站場與站外線路管道的過渡段采用柔性直埋敷設(shè)，與站內(nèi)采用剛性基礎(chǔ)存在沉降差；②站內(nèi)各設(shè)備基礎(chǔ)采取相對獨立的結(jié)構(gòu)，由于沉降速率不同產(chǎn)生了沉降差；③站場內(nèi)的管道、線纜采取直埋敷設(shè)的傳統(tǒng)設(shè)計方案，回填土固結(jié)沉降時造成不均勻沉降。

3.制定防沉降措施

結(jié)合在南方沿海地區(qū)工程建設(shè)和運營的經(jīng)驗，為有效預(yù)防和控制沉降的產(chǎn)生，在廣東某分輸站建設(shè)上采取了一系列的防沉降措施。

(1)防沉降設(shè)計措施

經(jīng)勘察，某分輸站（見圖4）處于淤泥軟土地質(zhì)，全場區(qū)淤泥層約40m，考慮各巖土層性質(zhì)和厚度的差異性，地基基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)考慮不均勻沉降問題。

圖4 某分輸站生產(chǎn)區(qū)照片

①本質(zhì)安全設(shè)計措施

根據(jù)地勘報告，為改善地基條件，一般采取真空預(yù)壓+分層碾壓等方式進(jìn)行地基加固，使場地地基承載力達(dá)到100kPa以上。此方案對站場生產(chǎn)區(qū)的支撐力仍然不足，經(jīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算和經(jīng)濟(jì)分析后，采取了以下改進(jìn)措施：

從工藝設(shè)備區(qū)、放空區(qū)和進(jìn)出站區(qū)以及辦公區(qū)等功能進(jìn)行區(qū)域劃分，主要采取“預(yù)應(yīng)力管樁+整體大承臺基礎(chǔ)”的形式，樁型選取φ500mm PHC型，樁長45m，以強風(fēng)化花崗巖或以下地層作為持力層，可以有效降低基礎(chǔ)沉降。

②生產(chǎn)區(qū)域防沉降設(shè)計措施

A.進(jìn)站區(qū)和出站區(qū)的防沉降方案

對于站場發(fā)生不均勻沉降的“重災(zāi)區(qū)”，常規(guī)做法為在站外線路管道設(shè)置錨固墩，將沉降受力點由站內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移到站外，但此處依然存在沉降差。為解決此問題，對站內(nèi)、外交界的50m過渡管道采用“松木樁+管溝敷設(shè)”方案（見圖5）。用松木樁打入地基約12m作為管溝基礎(chǔ)，管溝頂距管道預(yù)留一定沉降空間，這種半剛性基礎(chǔ)可較好解決兩者的沉降差。

圖5 過渡管溝“半剛性”基礎(chǔ)做法圖

B.工藝設(shè)備區(qū)基礎(chǔ)方案

工藝設(shè)備區(qū)將傳統(tǒng)的“獨立基礎(chǔ)”改為“均勻分布的群樁+整體大承臺”方案（見圖6～7），所有設(shè)備及連接管道全部安裝在大承臺上，有效地解決了各連接管道的不均勻沉降問題。同時也減輕管道因土壤掩埋和水浸泡發(fā)生腐蝕的情況，便于巡檢和降低維修費用。

圖6 工藝區(qū)大承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖7 工藝區(qū)大承臺建成照片

C.放空排污區(qū)管道敷設(shè)方案

放空排污區(qū)的小口徑管線，選取樁基礎(chǔ)支撐或盡量利用大承臺支撐的地上安裝方式。對于需穿越道路的管道，采用管涵敷設(shè)+回填輕質(zhì)陶粒的方式，避免土體固結(jié)使管道受力變形。

D.管道連接型式的選擇

進(jìn)、出站區(qū)的干線管道與站場設(shè)備的連接統(tǒng)一采用焊接型式連接。如必須采用法蘭型式連接的，推薦采用RF法蘭連接，推薦采用金屬石墨纏繞墊片。該種墊片回彈性最佳，適用于負(fù)荷不均勻、有沖擊或震動的場合，有利于降低沉降帶來的影響。

③公用工程防沉降設(shè)計措施

A.場區(qū)線纜敷設(shè)方案

圖8 全場環(huán)繞式電纜溝做法圖

a.站場生產(chǎn)區(qū)線纜敷設(shè)，將傳統(tǒng)的直埋敷設(shè)改為全場環(huán)繞式電纜溝敷設(shè)的方案，可以防止場區(qū)土體沉降導(dǎo)致電纜拉斷，確保遠(yuǎn)程控制的可靠性。b.輔助生產(chǎn)區(qū)建筑內(nèi)的電纜敷設(shè)方式，配線主要采用沿墻PVC明裝線槽布線，防止沉降拉斷電纜，便于維修。

B.綜合值班室、門衛(wèi)等建筑物方案

a.建筑樁基承臺之間設(shè)置現(xiàn)澆鋼筋混凝土拉梁，保證基礎(chǔ)整體性；一層地面設(shè)置整體現(xiàn)澆樓板，四周設(shè)置圈梁與主體結(jié)構(gòu)形成整體。b.室外臺階下均設(shè)鋼筋混凝土現(xiàn)澆懸挑拉梁、懸挑板，防止臺階產(chǎn)生沉降。c.盡量減少荷載，如采用不銹鋼護(hù)欄替換磚砌女兒墻等。

C.道路等構(gòu)筑物方案

站內(nèi)道路設(shè)計，在場區(qū)進(jìn)行真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓的軟基處理的基礎(chǔ)上，對道路及場地底基層下0.8m采用土夾石換填，壓實系數(shù)≥0.9。

D.周界報警系統(tǒng)方案

在易沉降地區(qū)，該分輸站采用了震動光纜式周界報警系統(tǒng)，確保不受沉降的影響。解決了常規(guī)的激光紅外對射周界報警系統(tǒng)容易隨著圍墻沉降而失效的問題。

(2)其他防沉降措施

①設(shè)計階段措施

A.建設(shè)單位應(yīng)選取具有淤泥地質(zhì)區(qū)域相關(guān)業(yè)績的勘察設(shè)計單位，從人員、設(shè)備和技術(shù)力量多方面把控勘察、設(shè)計質(zhì)量。

B.設(shè)計人員合理考慮投資成本、后期維護(hù)成本和防沉降技術(shù)方案的權(quán)衡，從項目全生命周期來考慮經(jīng)濟(jì)性問題，防止后期花費更大的代價去維修和治理沉降。

②全階段的監(jiān)測要求

在設(shè)計階段，提前制定站場的管道應(yīng)力監(jiān)測、基礎(chǔ)沉降觀測方案；施工階段委托專業(yè)監(jiān)測單位進(jìn)行設(shè)備和系統(tǒng)安裝；運營階段定期進(jìn)行基礎(chǔ)沉降觀測、管道應(yīng)變監(jiān)測。

4.結(jié)束語

在工程建設(shè)中，設(shè)計階段應(yīng)根據(jù)地質(zhì)實際情況，選取合理的地基處理方案、工藝管道安裝方案等；施工階段，應(yīng)加強施工監(jiān)管，保證地基處理施工質(zhì)量；在投產(chǎn)前，應(yīng)布設(shè)基礎(chǔ)沉降觀測和管道應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備等，全方位地預(yù)防和控制淤泥地質(zhì)區(qū)天然氣站場不均勻沉降的產(chǎn)生和發(fā)展。