天然气输气场站技术改造中地基处理的实践和探讨

上海液化天然气有限公司　迟黎明

天然气输气场站技术改造中地基处理的实践和探讨

上海液化天然气有限公司迟黎明

天然气输气场站的设备改造项目需要在已投运的工艺生产区中进行，因此所制定的设计和施工方案均要确保已投运且正在生产的设施安全。在两次成功的设备改造项目中，新增设备基础的地基处理方案在设计和施工方案上进行了多方面的探索和创新。

天然气输气场站设备基础地基处理方案

0　前言

上海液化天然气输气场站(简称：输气场站)承担着保障上海天然气主干管网连续可靠供气的重要任务，输气场站的设备改造项目需要在已投运的工艺生产区中进行，因此所制定的设计和施工方案均要确保已投运且正在生产的设施安全。

自从2009年11月17日上海液化天然气正式开始向上海市天然气管网供气以来，4年多时间里，输气场站已经完成了两次设备改造项目。在这两次非常成功的设备改造项目中，设备基础的地基处理方案在设计和施工方案上进行了多方面的探索和创新。

上海液化天然气输气场站首先在2010年9月进行了调压撬旁通设备改造。第二次2013年3月由于输气场站的调压撬设备在运行过程中多次发生堵塞现象，需要增设临时外输旁路以便在设备发生故障时不间断为下游用户供气进行了第二次改造。调压撬旁通设备基础改造项目是在已投运的工艺生产区中进行的，施工期又面临上海世博会时段，因此所制定的地基处理设计和施工方案均要确保已投运且正在生产的设施安全。

1　自然条件

输气场站的场地地貌单元属潮坪地带地貌，地质条件差，场地内除表层人工填土外均为第四系滨海～河口相沉积的砂性土、粉性土及粘性土层。根据野外钻探，对比静力触探曲线及室内土工试验成果，可将场地地层划分为四层(含亚层)，自上而下分别为①1层淤泥、①2层吹填土、①3层浜土、③2b层砂质粉土、⑤1层粘土、⑤3层粉质粘土、⑥层粉质粘土、⑦1层砂质粉土、⑦2层粉砂；持力层为第四层③2b层砂质粉土(Q42)：灰色，夹粘性土薄层，局部粉砂，含云母，摇振反应迅速～中等，切面粗糙无光泽，干强度、韧性低，稍密；该层在场地内均有分布。层底标高-8.68～-11.95 m，厚度10.60～13.50 m。整个场地的地下水位比较高，地下水位埋深1.20～2.20 m，平均1.74 m。持力层以上的土层属典型的高含水量、高压缩性、低强度的软土。

2　调压撬设备改造的基础地基处理

2.1调压撬设备改造的地基概况

原有调压撬设备基础为钢筋混凝土整板结构，设计采用碎石换填的方法来使基础底面达到③2b层砂质粉土层，使经过处理后的地基承载力特征值不小于100 kPa，碎石换填深度为2.85 m，基础放坡角度为130°。

新增的调压撬旁通设备基础中心距离原有设备基础中心仅仅4 m，而且新增设备基础下的土层正好位于原有设备基础碎石换填层的基础放坡角上(见图1)。新增调压撬旁通设备基础上部的管道设备对于沉降的要求很高，虽然设备基础的整体重量不大，但是基础下的土层属于高含水量、高压缩性、低强度的软土层。如果设备基础下的换填层处理不得当，新增和原有设备基础的整体稳定性都将无法保证，因此，科学选择施工方案，精心组织施工，才能确保工程安全万无一失。

图1　新增设备基础与原有设备基础示意

2.2调压撬设备改造的地基处理方案

适用于加固软土地基的方法很多，传统方法有清淤换填法和树根桩法等。近年来，钻孔灌注桩法和压密注浆法也得到越来越多的工程运用。

2.2.1清淤换填法

在传统方法中，清淤换填法加固机理简单，加固质量可靠，但是加固深度有限。当软土深厚时，此方法造价昂贵。新增调压撬旁通设备基础的换填开挖深度比较大，而且大开挖的放坡会造成原有调压撬设备基础下的碎石换填层松动，从而导致基础下沉，上部管道变形。故此方案是不安全也不经济的。

2.2.2树根桩法

树根桩法常用于基础托换加固，也可用作承受竖向荷载支撑桩的辅助措施。不仅对已建设施的影响小，施工作业面不大，施工可控性较强，施工造价较低，而且加固后的单桩竖向极限承载力不小于70 kN，能够满足新增设备基础的要求。

但是新增设备基础下的土层正好位于原有设备基础碎石换填的基础放坡角上，根据现有的碎石换填深度和放坡角度，树根桩的钻头无法穿过现有地基内的碎石换填层。如果要实施树根桩方案，必须将树根桩所在地基内的碎石开挖掉。虽然理论上可以将地基内碎石清除，而且开挖面距离原有设备基础30°的压力扩散角还有1 m的间距，但是由于换填碎石的间隙中填充的基本上为粉砂，基础开挖面松动坍塌的可能性很高，从而导致原有设备基础的换填层应力释放，设备基础下沉，对于正在运行的高压设备将会造成严重的影响。因此，鉴于该方案在施工中的潜在风险，树根桩方案不可行。

2.2.3压密注浆法

压密注浆法又称化学加固法，适用于砂土、粉性土、粘性土和一般填土层，对于输气场站软土地基的加固比较适合。压密注浆具有施工震动小，施工机械占地范围小，减少大量的土方开挖和石块回填等优点，而且新增调压撬旁通设备基础的承载力要求不高，软土地基经过压密注浆法加固后，竖向极限承载力标准值可以达到100 kN。压密注浆法通过合理布置注浆孔，采用压浆泵、注浆管将水玻璃和水泥的混合液注到注浆孔里。由于压密注浆的范围已包括了已建的设施基础，压密注浆过程可能会造成已建基础受压抬高，从而造成法兰连接面气体泄漏等无法控制的局面。如需采用，注浆工艺应经过严密计算，并采用各种防控措施。鉴于该方案的潜在风险在施工中难以控制，建议不采用。

2.2.4钻孔灌注桩法

钻孔灌注桩处理软土地基近几年已被大量应用于工程实践中，对于输气场站中的正在运行的高压管道设备而言，这个方案显得更为安全合理。钻孔灌注桩对于周围的土体不会产生挤压推力，从而对于原有设备基础基本没有影响。而且针对新增调压撬设备基础地基下的碎石垫层，钻孔灌注桩的钻头是可以满足要求的。

不过由于地基持力层为③2b层砂质粉土，含砂量比较高，可能会在桩基成孔的过程中产生流沙，从而造成无法成孔。因此设计要从施工可操作性的角度，合理选择钻孔灌注桩的桩径，施工单位要采取相应的施工措施来避免可能会产生的各种情况，减少对原有设备基础的影响。

基于上述种种考虑，最终确定在输气场站的调压撬旁通设备基础改造施工中，采用钻孔灌注桩+整体承台板法。钻孔灌注桩+整体承台板法主要是将新增第四路设备基础和将来要增加的第五路设备基础统一考虑，在距离原有设备基础相对比较远的位置施工钻孔灌注桩，合理避开原有设备基础下的碎石换填层，将钻孔灌注桩和整体承台板相结合，增加设备基础下软土层的地基承载力，减少设备基础的不均匀沉降(见图2)。

图2　钻孔灌注桩法示意

具体的施工流程主要包括：施工钻孔灌注桩、进行桩的承载力检验、制作整体承台板、施工新增第四路设备基础管墩四个部分，通过这些步骤可以将新增设备基础下软土层的地基承载力提高，从而使上部的设备基础管墩受力更加安全，布置更加灵活。

通过桩的竖向承载力检验、低应变动测检验等检测手段对钻孔灌注桩+整体承台板的实施效果进行了检验，检验结果说明桩基的竖向承载力已经达到了设计要求。而且施工期间的监测表明施工中的震动对原有调压撬设备基础基本上没有影响，对正在运行的高压管道也基本上没有影响。

2.3调压撬设备改造的地基处理结论

通过总结经验，可以得到以下结论：钻孔灌注桩对于加固沿海深度为10 m左右的回填土和粉质砂土能取得较好的效果。与类似工程条件下的其它施工工艺相比，钻孔灌注桩施工设备比较简单，施工震动小，对于周围的土体不会产生挤压推力，不会破坏原有调压撬设备基础下的换填层，可以将对于原有调压撬设备基础的影响降到最低。从而保证了天然气输气场站的高压管道设备在世博会期间正常地运行，不间断地为下游用户提供清洁的气源。

3　加热炉旁通设备改造的基础地基处理

上海液化天然气输气场站在2013年3月进行了加热炉旁通设备改造项目。

3.1加热炉旁通设备改造的地基概况

输气场站加热炉在投产调试过程中发现天然气通过能力无法达到设计要求，加热炉成为输气场站输气能力的瓶颈，因此，需要对加热炉区输气工艺进行增设旁通改造，以达到设计输量要求。

新增设备基础上部的管道设备对于沉降的要求很高，虽然设备基础的整体重量不大，但是基础下的土层属于高含水量、高压缩性、低强度的软土层，因此选择合理的地基处理方法，精心组织施工，才能确保工程安全万无一失。

3.2加热炉旁通设备改造的地基处理方案

输气场站加热炉原有基础为桩基，新增旁通设备基础距离原有设备桩基础边缘仅仅4.5 m。若采用传统的碎石换填方案，按照规范要求，换填宽度应为：基础宽度+1.15×H1(换填深度)。由于持力层为③2b层砂质粉土层，深度大概为地面标高以下2.64 m，因此基础的换填宽度计算后将达到4.71 m。另外，考虑基坑开挖时放坡宽度的影响，基坑开挖宽度会更大，这将不仅仅会影响到原有加热炉桩基的安全，而且还会影响到二期加热炉的基础土层安全。因此，设计人员建议不采用此方案。

新增加热炉旁通设备基础若采用和原有基础相同的桩基，虽然施工速度快，但是新的桩基对于周围土体会产生挤压推力，同时施工机械的震动还会对原有设备基础产生扰动，对于正在运行的高压设备将会造成一定的影响。因此，设计人员建议不采用此方案。

通过和设计人员进行充分的技术交流和技术经济分析后，在桩基、碎石换填等多种施工方案中，最终确定采用了混凝土垫层换填+钢板桩维护的地基处理方案。具体做法：新增设备基础下采用2.3 m宽度的混凝土垫层换填，混凝土垫层换填深度从持力层到地面标高，大概为2.64 m。实际施工时，基坑周围采用钢板桩维护施工方案：基础四周打6 m深25#钢板桩支护，基坑挖土后，立即浇捣垫层，及时组织排水，不得让基底土浸泡。

3.3加热炉旁通设备改造的地基处理结论

通过精心组织施工，新增的四个设备基础地基加固时间为15天，施工进度快，难度小。施工期间的监测表明，此方案不仅增加了设备基础下软土层的地基承载力，同时没有对原有加热炉设备桩基础产生影响，保证了输气末站高压管道设备的正常运行。

4　结语

通过这两次非常成功的输气场站设备改造项目，设备基础的地基处理方案在设计和施工方案上得到了多方面的探索和创新。不仅增强了处理典型高含水量、高压缩性、低强度软土层的经验，同时探索和创新了多种适合液化天然气输气场站的地基处理方案，为今后类似的改造项目提供了宝贵的经验。

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