南方沿海地区淤泥地质条件的天然气站场防沉降设计和实践

＊赖乐年 吴凯 张勇 欧阳才天 林涛

（中海广东天然气有限责任公司 广东 519015）

背景

自2004年我国首座LNG接收站在广东深圳布局开始，截止目前一条长五千余公里贯穿我国东南沿海地区的“能源大动脉”基本建成。我国南方沿海地区地质多为软土层，厚度深达10～60余米，主要由海岸浪流及潮汐水动力作用逐渐淤积而成，有承载力低、受荷后变形大等特殊特征。据不完全统计，在广东、福建、海南等沿海地区建成的天然气站场后期普遍发生了较严重的不均匀沉降问题，目前仍有沉降的站场超40座。天然气站场发生不均匀沉降，可能导致设备、管道、线缆等设施处于受力隐患状态，甚至可能导致产生天然气泄漏，酿成重大安全事故。为此，本文结合已建站场的沉降和治理情况，分析站场沉降的主要原因，为设在淤泥地质地区的天然气站场建设提出防沉降设计措施。

1.防沉降技术思路及调研

经对广东发生沉降的站场进行调研，并重点研究某沉降严重的站场，制定了技术路线见图1。

图1 防沉降设计技术路线图

(1)天然气站场沉降测量分析

天然气站场按功能划分为进站区、工艺设备区、出站区、放空排污区等。通过采用RTK测量技术，采集了某站场设施基础高程和坐标信息，并比较竣工数据，得出各区域发生沉降情况见表1。

表1 某站场RTK测量数据（节选）

(2)辅助验证方法

①利用电阻应变片监测管道应力值见表2，验证准确性。

表2 某站场管道应力监测数据（节选）

②利用CAESARII软件对站场进行建模见图2，验证各区域等沉降严重程度。

图2 某站场应力分析建模图

(3)天然气站场各区域的沉降严重程度分析

经上述分析，结合运营经验，得出站场各区域发生沉降严重程度为：

表3 天然气站场发生沉降的严重程度划分表

其中，站场进（出）站区和埋地连接管道，是发生不均匀沉降的“重灾区”。主要原因是：站外的线路管道为直埋的柔性基础，而站内管道为固定式刚性基础，极易发生不均匀沉降。以下是广东某站场沉降及治理的照片，见图3。

图3 广东某站场沉降及治理照片

2.地质沉降的原因分析

根据现场踏勘及调研情况分析，站场发生不均匀沉降的主要影响因素为：自然条件因素和设计因素这两个方面。

(1)自然条件因素

对于工程建设来说，南方沿海地区地质、降雨量和地下水等自然条件相对较恶劣，以广东某站场为例：

①场区主要为流塑态的淤泥及淤泥质土，压缩系数高。根据地质资料，该场区主要分布的地基土为人工填土、淤泥、中砂、粗砂及砾砂等，其中软土层厚度最大约40m。由于水平方向土层厚度变化较大，竖直方向上各层土的物理性质和力学强度相差大，加上场地内软土层固结时间长，存在固结后产生不均匀沉降不良地质作用的问题。这是站场发生不均匀沉降的首要原因。

②南方沿海地区降雨量大，地质含水量达85%以上，可压缩性高。

③场区地下水位较高（1～2m），雨季与旱季的地下水位相差大。另外，部分填海区域存在海水渗入补给地下水，易形成海水径流、地下水向低处溢出或排泄等情况。

(2)设计因素

在设计上，未充分考虑当地地质和站场的防沉降措施和经验等，是可能导致站场发生不均匀沉降的原因，表现为：

①站场与站外线路管道的过渡段采用柔性直埋敷设，与站内采用刚性基础存在沉降差；②站内各设备基础采取相对独立的结构，由于沉降速率不同产生了沉降差；③站场内的管道、线缆采取直埋敷设的传统设计方案，回填土固结沉降时造成不均匀沉降。

3.制定防沉降措施

结合在南方沿海地区工程建设和运营的经验，为有效预防和控制沉降的产生，在广东某分输站建设上采取了一系列的防沉降措施。

(1)防沉降设计措施

经勘察，某分输站（见图4）处于淤泥软土地质，全场区淤泥层约40m，考虑各岩土层性质和厚度的差异性，地基基础设计时应考虑不均匀沉降问题。

图4 某分输站生产区照片

①本质安全设计措施

根据地勘报告，为改善地基条件，一般采取真空预压+分层碾压等方式进行地基加固，使场地地基承载力达到100kPa以上。此方案对站场生产区的支撑力仍然不足，经进行结构计算和经济分析后，采取了以下改进措施：

从工艺设备区、放空区和进出站区以及办公区等功能进行区域划分，主要采取“预应力管桩+整体大承台基础”的形式，桩型选取φ500mm PHC型，桩长45m，以强风化花岗岩或以下地层作为持力层，可以有效降低基础沉降。

②生产区域防沉降设计措施

A.进站区和出站区的防沉降方案

对于站场发生不均匀沉降的“重灾区”，常规做法为在站外线路管道设置锚固墩，将沉降受力点由站内设备基础转移到站外，但此处依然存在沉降差。为解决此问题，对站内、外交界的50m过渡管道采用“松木桩+管沟敷设”方案（见图5）。用松木桩打入地基约12m作为管沟基础，管沟顶距管道预留一定沉降空间，这种半刚性基础可较好解决两者的沉降差。

图5 过渡管沟“半刚性”基础做法图

B.工艺设备区基础方案

工艺设备区将传统的“独立基础”改为“均匀分布的群桩+整体大承台”方案（见图6～7），所有设备及连接管道全部安装在大承台上，有效地解决了各连接管道的不均匀沉降问题。同时也减轻管道因土壤掩埋和水浸泡发生腐蚀的情况，便于巡检和降低维修费用。

图6 工艺区大承台结构设计

图7 工艺区大承台建成照片

C.放空排污区管道敷设方案

放空排污区的小口径管线，选取桩基础支撑或尽量利用大承台支撑的地上安装方式。对于需穿越道路的管道，采用管涵敷设+回填轻质陶粒的方式，避免土体固结使管道受力变形。

D.管道连接型式的选择

进、出站区的干线管道与站场设备的连接统一采用焊接型式连接。如必须采用法兰型式连接的，推荐采用RF法兰连接，推荐采用金属石墨缠绕垫片。该种垫片回弹性最佳，适用于负荷不均匀、有冲击或震动的场合，有利于降低沉降带来的影响。

③公用工程防沉降设计措施

A.场区线缆敷设方案

图8 全场环绕式电缆沟做法图

a.站场生产区线缆敷设，将传统的直埋敷设改为全场环绕式电缆沟敷设的方案，可以防止场区土体沉降导致电缆拉断，确保远程控制的可靠性。b.辅助生产区建筑内的电缆敷设方式，配线主要采用沿墙PVC明装线槽布线，防止沉降拉断电缆，便于维修。

B.综合值班室、门卫等建筑物方案

a.建筑桩基承台之间设置现浇钢筋混凝土拉梁，保证基础整体性；一层地面设置整体现浇楼板，四周设置圈梁与主体结构形成整体。b.室外台阶下均设钢筋混凝土现浇悬挑拉梁、悬挑板，防止台阶产生沉降。c.尽量减少荷载，如采用不锈钢护栏替换砖砌女儿墙等。

C.道路等构筑物方案

站内道路设计，在场区进行真空-堆载联合预压的软基处理的基础上，对道路及场地底基层下0.8m采用土夹石换填，压实系数≥0.9。

D.周界报警系统方案

在易沉降地区，该分输站采用了震动光缆式周界报警系统，确保不受沉降的影响。解决了常规的激光红外对射周界报警系统容易随着围墙沉降而失效的问题。

(2)其他防沉降措施

①设计阶段措施

A.建设单位应选取具有淤泥地质区域相关业绩的勘察设计单位，从人员、设备和技术力量多方面把控勘察、设计质量。

B.设计人员合理考虑投资成本、后期维护成本和防沉降技术方案的权衡，从项目全生命周期来考虑经济性问题，防止后期花费更大的代价去维修和治理沉降。

②全阶段的监测要求

在设计阶段，提前制定站场的管道应力监测、基础沉降观测方案；施工阶段委托专业监测单位进行设备和系统安装；运营阶段定期进行基础沉降观测、管道应变监测。

4.结束语

在工程建设中，设计阶段应根据地质实际情况，选取合理的地基处理方案、工艺管道安装方案等；施工阶段，应加强施工监管，保证地基处理施工质量；在投产前，应布设基础沉降观测和管道应力监测设备等，全方位地预防和控制淤泥地质区天然气站场不均匀沉降的产生和发展。