钢结构厂房独立柱基础沉降治理措施

李渊

0 引言

随着建筑行业实施工业化改革与产业化升级，创新了装配式工艺，推动了钢结构建筑的快速发展与推广应用。从实践经验看，钢结构建筑生产建造中引入了工业设计思想，能够通过预制件的标准化生产与施工方面的装配式技术，提升建筑全要素生产率。同时，按照项目立项、策划、招投标、设计、采购、施工、试运行、收尾、维保等环节，可以实现全过程施工管理，有利于保障施工质量。尤其是钢结构建筑具有施工周期短、施工效率高、成本投入相对可控等优势，近年来在工业厂建设方面受到了企业主的青睐。但是，当独立柱基础发生沉降后，不仅降低了其功用，而且会引起安全事故。因此，需要增强相关治理工作。

1 工程概况

1.1 安全事故

以某金属冶炼企业钢结构厂房工程为例，2015 年4 月生产建造竣工后于5 月份正式投入生产，其中的压滤车间主厂房为钢结构，长、宽分别为72.3m、21.5m，地面建筑高度为三层，无地下建筑。该厂房使用至2019 年6 月13 日时，第三层天车行进中发生了脱轨轨掉道事故，虽无人员伤亡，却给该企业造成了较大损失。

1.2 沉降概况

经过对事故现场进行查看与分析，维修人员于6 月15日完成了天车修复。但是，在试运行时，天车南侧的轨道与滚轮（2 个）之间产生了部分悬空问题，通常将其称为“三条腿”现象。维修人员认为原因来自天车梁不平，经检查后证实了立柱牛腿支撑存在水平位移且已不能保持平衡，进一步查看确认由独立柱局部沉降所致。考虑到该厂房南北侧设置的独立柱支撑共有13 根，而且在12 跨中每跨的长度达到了6m，不排除多个独立柱基础沉降的情况。运维管理人员结合全站仪进行了放线测量与质量检验，发现从北侧到南侧的1～13 号独立柱中，第8～11 号均存在不同程度的沉降，具体沉降值如下：（1）8 号独立柱：9.7cm。（2）9 号独立柱：19.8cm。（3）10 号独立柱：16.3cm。（4）11 号独立柱：14.2cm。另外，1～7 号独立柱高程误差范围在1cm 以内。

2 独立柱基础沉降原因分析

通过对该企业钢结构厂房独立柱基础沉降原因的初步分析，发现与其沉降相关的因素主要集中在酸性溶液与防腐防渗方面，进一步确定后认为次要原因来自工业生产环境，主要原因是防腐结构损坏。分述如下：

2.1 工业生产环境

该钢结构厂房过滤车间独立柱（8～12 号）基础沉降问题主要集中在厂房南侧。对其范围进行测量并放线圈定后可以看到沉降现象发生的范围内，外部空间设置包括1 个泵池、2 个搅拌罐、8 台水泵。内部空间设置有8 台型号相同的压滤机。厂房内外空间之间，各类设置形成以“压滤机压滤作业→生成酸性溶液→流经水管与水沟→进入泵池→水泵抽提→排回主厂区”为内容的运行系统（如图1 所示）。此时，独立柱所在的沉降范围内，从厂房建成投产至发生沉降问题期间，一直受到湿式作业影响。

图1 钢结构厂房所在区域的工业生产系统示意

2.2 防腐结构损坏

通过查阅该企业当年存档的钢结构厂房建筑生产建造相关历史数据，发现过滤车间部分工程设计资料中，根据工业生产项目的实际需求，设置了耐酸防腐防治结构，旨在解决酸性溶液造成的腐蚀问题与渗透造成的污染问题等。通过现场查验，证实了防腐防渗结构的存在，然而，因常年没有实施维保遭到了破坏，追溯运维管理未按要求进行的原因发现，在项目竣工后，承包单位运维管理一年后签订的维保合同到期，该单位撤走了驻厂维修人员。而该工业企业后续认为维保期过后，无须再投入运维管理费用，因而造成了过滤车间使用过程中未对防腐防渗结构开展维保的情况。而且厂房地面并没有根据设计方案要求进行防腐防渗处理。由此可见，造成钢结构厂房独立柱基础沉降的次要原因是工业生产环境，而主要原因则来自沉降区域的防腐防渗没有满足设计标准要求。从而导致了酸性溶液下渗到独立桩基础土层，逐渐引发了地基承载力下降的情况，间接导致了独立桩基础沉降问题。

3 独立柱基础工勘验证情况

在初步查明独立桩基础沉降原因后，需要按照具体问题具体分析、针对性解决的基本思路，制定专业的沉降治理方案。因此，在这种需求下，该企业选择了与第三方工勘单位合作的方式，拟通过工勘验证为治理方案的设计提供科学依据。工勘验证情况如下：

首先，该工业企业与工勘单位签订合同后，按照合同约定的时间工勘单位派遣勘测人员协设备进入厂区，深入了解情况后，重新复验了沉降区所在范围。然后由该单位的施工人员在沉降区域内设置了4 个工程勘察孔，每孔深度均为10.0m。

其次，按照标准贯入实验、重型动力触探实验办法，通过勘察孔采集原状土样，样品共计20 个，然后开展土工试验，具体试验由工勘单位将采集到的样品送回本单位实验室进行操作。

第三，同年8 月10 日，该单位向委托企业发布了《某项目压滤车间地基沉降检测岩土工程勘察报告》。通过工勘单位的勘测人员汇报及后续交流，确认报告中的结论。具体内容如下：（1）独立柱所在区域的基础持力层中，以粉质粘土为主，渗透系数与孔隙率均较大，具有明显的湿陷性特征。（2）在酸泵池漏液因素的积累性影响作用下，该区域本土层的含水率相对增加且处于较高水平，形成了软塑状态的土层。（3）虽然粉砂质泥岩工程地质条件没有受到破坏，但是，浅层湿陷性土厚度达到了5.8～3.4m，会直接影响到独立柱基础。

4 沉降治理方案及其实践

由于该工程中的沉降原因与勘察结果趋于一致，而且，勘察后在验证沉降原因的基础上，为其治理提供了科学依据，有利于治理方案的设计并确保施工效果。下面分别对该项目治理实践相关的沉降治理方案、治理施工措施，以及注意事项三个方面展开具体说明。

4.1 治理方案

以工勘验证结果为准，选取桩基础工艺，旨在利用该技术穿过软弱粘土层，从而将桩端持力层改变为粉砂质泥岩，以此达到提高基础承载力的目标。具体操作时，主要选择人工挖孔桩基础的办法，于独立柱基础两侧进行基础开挖，然后通过增加新的钢立柱与工字型钢梁连接方式，完成对治理。治理方案内容如下：（1）以厂房立柱布置轴线方向为主，在独立柱基础两侧设置人工挖孔桩，桩长在8.0～6.0m，具体按照进入粉砂质泥岩1.0m 进行设置，直径为0.8m。（2）在挖孔桩孔内灌注C20 砼并于浇筑过程中，在桩顶面位置预埋一块便于后续立柱支撑焊接的钢板。（3）在桩上部灌注时，则将第一层平台的钢梁与作为立柱的工字型钢进行连接。

4.2 施工措施

该企业与施工单位签订合同后，施工单位结合上述治理方案，于次年3～4 月份之间进行了施工。考虑到连续梁布置在柱基础之间，施工单位为了不破坏其整体结构，在连续梁两侧布置了2 个挖孔桩，并通过梁连接合其构成整体（桩基础与挖孔桩的平面关系如图2 所示）。在治理方案实施过程中，主要按照“人工挖孔桩开挖→浇筑→连接成暗梁→切割钢梁顶升复位→梁与第一层平台间支撑立柱→钢立柱复位后补焊修复”等流程进行操作。分述如下：

图2 独立柱基础与挖孔桩之间的平面关系

（1）在8～12 号独立桩基础两侧，以每个独立桩基础为准设置2 个人工挖孔桩，配套施用钢护筒保护壁，当粉砂质泥岩中进入的挖孔桩达到1m 深度时为止。（2）在孔内放入预制的钢筋笼后进行C30 混凝土浇筑构成钢筋砼桩。（3）将16个挖孔桩进行两两相连后，实际上可以在8～12 号独立柱基础两侧构成由8 根挖孔桩组成的钢筋砼梁。由于钢结构上部与梁顶部对应位置预埋了钢板，其长度、宽度、厚度分别为30cm、30cm、20cm。因而，在完工后需要进行钢梁切割顶升复，钢立柱切断顶升复位后补修焊接等。以钢立柱为例，具体操作时将钢筋混凝土养护14d 作为参考时间，结合强度测定结果，确认无误后切断钢立柱。然后，借助千斤顶抬升钢立柱进行复位。（4）在钢结构厂房第一层平台梁与挖孔桩暗梁支撑方面，选择了工字钢立柱建立新的支撑结构，并在此基础上通过钢板补偿焊接工艺使切断的钢立柱得到恢复，从而完成对该厂房独立柱基础沉降问题的有效治理。

4.3 注意事项

（1）通过对该工业企业钢结构厂房独立柱基础沉降问题的处理发现，在该项目原初的设计过程中，由于设计人员对于工勘验证产生的资料未进行细致分析，在独立柱地基施工时，没有应用桩基础工艺，也未能应用基础换填土方案，从而引起了独立柱基础因湿陷性问题间接造成了沉降问题。根据现阶段钢结构建筑生产建造中设计一体化的实践模式看，影响此类问题的因素相对较多。例如，在该项目初步设计时信息技术水平相对较低，CAD 设计图纸只是将纸质图纸变成了电子版本，虽然对设计效率有所提升，但是在本质上并不能提升设计质量并扩大设计图纸的使用效用。而且，在业主向施工单位进行技术交底时以纸质设计图纸为主，在图纸打印过程中也不排除发生错误与漏打的现象。所以，在本次对独立柱基础沉降问题进行治理时，借助近年来应用逐渐增多的广联达BIM 技术，将历史资料中的CAD 设计图导入到了Revit 软件进行了三维模拟。验证了原来设计方案中没有标注土层情况，也没有对施工工艺做详细说明的事实。所以，导致此类问题的根本原因，应追溯到编制设计方案内容不全。

（2）在该项目施工过程中，施工单位并没有严格执行设计方案要求，全面进行防腐防渗处理，导致了后续酸性液体下渗产生的地基工程特性变化问题。查阅资料后发现，在该项目生产建造时期，我国建筑工程中的总承包模式已经得到了应用，主要集中在大型建筑项目中。从该项目钢结构厂房工程的规模看，属于大型建筑项目，本应通过招投标的方式将其承包给中标施工单位。但是该企业在建设厂房时，通过市场化的交易方式先将工程项目承包给了某建设单位，该建设单位经过一系列组织，在没有进行公开招标的情况下，将项目直接分包给了与其长期合作的施工单位。考虑到三方合作的时间较长，为了节省资金便没有与第三方监理单位进行合作。土建工程与防腐工程两个分部项目生产建造中，施工单位又通过分包方式承包给了两个不同的施工单位。由于施工单位之间的协同合作较差，造成了部分厂区防腐防渗工程没有得到落实。因此，在本次治理工程实践中，吸取了前期教训，在委托有资质的施工单位后，主动聘请了第三方监理工程师，由其在治理过程中进行质量监督，开展施工协调等。

（3）在6.0～5.0m 的持力层埋深方面，桩基础以端承桩作为受力形式。设计方案中并没有根据实际需求对桩长进行合理控制，从而造成了受力支撑不足的问题，为后续沉降现象的出现埋下了隐患。进一步看，该项目的钢立柱并没有理想的持力层，原本可以通过桩长方面的合理控制，增加其深度，为其找到地质条件相对较好的持力层以便规避沉降问题。然而，由于没有对摩擦桩、挖孔桩、钢结构独立桩进行对比分析，也忽略了钢结构建筑生产建造时必要的受力问题，从而在没有考虑到持力层混凝土材料时变、临时支撑结构脱离后独立柱荷载累积增加等因素的情况下，对工程运行后发生质量问题产生了消极影响。

由此可见，在钢结构厂房独立桩基础工程中，一方面应该增强岩土工程勘察工作，并结合勘察报告设计与其实际相符合的方案。另一方面则需要按照设计施工一体化的实践模式，将设计环节与施工环节关联起来，并在施工时做好设计图复审，结合施工现场状况反馈相关设计问题。另外，业主需要通过市场化合作方式委托专业监理单位实行质量监督，并派遣专职人员于施工现场进行监督管理，预防承包方分包后导致的一系列的问题。尤其需要在工程投入运行后开展配套的运维管理工作，提前发现问题并加以解决。

5 结语

钢结构厂房中独立柱基础发挥着承担荷载的重大作用，当其发生沉降后容易造成事故，严重影响工厂的安全生产。通过以上分析可以看出，该工业企业因钢结构厂房独立柱基础沉降问题引起了重大安全事故，而且在天车修复后仍然存在隐患。因此，在新时期我国工业行业高质量发展阶段，需要同步推动钢结构厂房高质量建设工作。建议在处理独立柱基础沉降问题时，尽可能结合现场查看、成因分析、工勘验证等基本程序，在科学依据基础研发设计配套的治理方案。另外，需要在设计施工一体化发展思路下，做好设计方案牵引，施工实践校验工作，预防因设计不当、施工不规范等埋下质量隐患。