大型球罐不均匀沉降分析及处理

大型球罐不均匀沉降分析及处理

祁海挺

金陵石化  江苏 南京  南京市栖霞区甘家巷388号

摘要：某石化在新建10台4000立液态烃球罐时出现多台球罐不均匀沉降现象，通过使用千斤顶顶升法对球罐进行纠偏，并对投用后球罐的沉降进行了长期监测，较好地解决了该问题，保证了在役球罐的安全生产。本文以详实的监测数据，重点对沉降偏差最大的TK5210纠偏前后的数据分析，纠偏过程中的重点以及采取的控制措施进行了详细介绍，该方法设备简单、施工周期短、调正幅度大、经济可行性高，可为今后同类设备提供参考。

关键词：石油化工、不均匀沉降

随着国内经济持续增长，生产、生活现代化水平不断提高，石油消费量稳步提升，需配套的炼油产能也在不断增长，其中作为重要的系统配套工程液态烃球罐储运设施规模也在持续变大，因其容量大，承压，介质为甲类，具有易燃易爆的特性，安全风险极大，一旦发生火灾、爆炸，将会给人民的生命财产带来极大的危害。笔者所在某石化在新建10台球罐过程中，陆续发现8台球罐存在不均匀沉降现象，违反了SH3512-2011-石油化工球形储罐施工技术规范10.2.9条：支柱沉降应均匀，排水后，不均匀沉降量应不大于基础中心圆直径的1/1000，相邻支柱沉降差不应大于2mm的规定。本文以不均匀沉降值最大的TK5210为例，对不均匀沉降的产生原因、纠偏措施进行阐述，并根据纠偏后的沉降监测数据对纠偏措施进行技术总结，以为类似的工程提供参考。

一、球罐概况及不均匀沉降问题

TK5210直径19.7米，设备净重480吨，水压试验状态总重4480吨，操作状态（液态烃）总重2500吨，球罐基础的抗震设防类别为乙类，采用静压桩+独立承台+圈梁钢筋混凝土基础。

本次沉降监测主要采用拓普康-DL502水准仪（精度0.4mm/Km），配合专用标尺观测，不均匀沉降情况：通过分析TK5210的沉降数据发现，第一次满水时3号柱的沉降达到了惊人的41.2mm，24h和84h后满水沉降数值呈扩大化趋势，水放空后，沉降数值反弹至47.4mm，水放空后直径方向（3-9#）最大不均匀沉降为31.1mm，相邻支柱最大沉降差为（1-12#）12.8mm，该数据反应出桩基础的沉降数据大大超出了规范的不均匀沉降量19.7mm和相邻支柱最大沉降差不超过2mm 的要求。

二、球罐TK5210地基不均匀沉降原因分析：

地基不均匀沉降通常由一下几个方面的原因：（1）地质条件，主要包括土层极其软弱和不均匀（2）上部结构荷载不均匀（3）临近建筑物的影响（4）其他原因 如建筑物一侧大面积堆载、开挖深基坑等也会引起建筑物地基的不均匀沉降。

结合地勘资料、设计文件、桩基施工过程技术资料、静载试验资料、上水试验方案以及不均匀沉降监测数据曲线，从设计和施工角度分析可能产生球罐不均匀沉降产生的原因，发现桩身的承载力下降是导致不均匀沉降的主要原因。

查询施工过程资料，施工时静压桩机终压值基本控制在1800KN—2000KN之间，该数据真实可信，监理全程监督旁站，满足原设计要求。由于TK5210罐的桩未被抽检做静载试验，只有相邻罐的三根桩做了静载试验，试验结果显示Q-S曲线呈缓变型，单桩竖向抗压极限承载力均为1800KN，单桩竖向承载力为900KN，累计沉降值为14mm左右，满足设计要求。

1、球罐基础的上部结构荷载分部均匀，首先对设计承载力进行复核，本项目桩基础设计参数如下：本项目桩基采用桩径500的PHC静压桩ZH-1型，桩端面进入⑤-1强化风砾岩不小于1m，采用ZH-1型单桩竖向承载力特征值≥900KN，基础采用12个均布独立基础，基础为五桩承台基础，基础间采用圈梁连接。

通过计算设计竖向承载力F=900*5*12=54000KN>水压试验罐总重+承台基础（50000KN），故设计承载力可以满足最大载荷要求。

2、桩身竖向承载力下降原因分析

a、岩面倾斜对桩身承载力造成一定影响，TK5210罐工程勘察报告提示该区域6-8剖面显示岩层超伏变化很大，如果管桩达到持力层岩面又不能嵌入合适的长度，上覆桩周软弱土体对桩身的稳固力不足，可能导致整根桩移位或者沿着倾斜岩面滑移，从而影响桩的承载力。

b、桩端持力层受水浸泡软化也是桩身承载力的下降的可能原因，查询施工过程记录，发现桩基施工时，恰逢连绵阴雨天气，桩基施工时地面雨水经桩身外侧四周渗入持力层，且桩基施工结束后，施工方未采取有效桩顶封堵措施，地下水易从桩顶开口处沿着桩身缝隙渗入持力层，5-1持力层属于强风化砾岩，遇水易软化，导致持力层承载能力下降。

三、采取纠偏措施

常用的补救措施主要包括对基础结构进行加固补强以及调整上部结构荷载分布，减少不均匀沉降的发生。

1、对基础结构进行加固补强，由于发现不均匀沉降时，基础、设备均已全部就位，现场已不具备对基础结构进行加固补强的条件，现场采取的办法是通过二次上水，对桩基础进行复压，在满水状态下进行14天的超工作荷载复压，同时严密监测沉降有无继续扩大趋势，复压水放空后直径方向（3-9#）最大不均匀沉降为34.9mm，相邻支柱最大沉降差为（1-12#）13.7mm，数据显示沉降未明显扩大，基础沉降已基本到位，同时对基础圈梁开挖进行检查，未发现结构开裂等严重缺陷。

2、通过对上部设备纠偏，调整均布上部结构荷载，以缓解桩基础因上部结构荷载承重不均匀，进而导致基础不均匀沉降的继续恶化。针对不均匀沉降，具体纠偏施工方案如下：a、将球罐本体与附属管线及楼梯间钢结构脱开，将球罐地脚螺栓及拉杆螺栓松开，保证球罐处于自由状态，支柱顶升前，先用水准仪测量支柱底板的标高，然后记录数据。b、同根支柱的四个千斤顶由四个人同时启动，千斤顶的顶升不宜一次到位，应采用多次缓慢调整，直到符合需要处理的高度。每次提升的高度为2—5mm，由专业测量单位进行全程跟踪、监测。c、千斤顶的顶升必须确保同时、同高度。在顶升过程中，需要随时监控整台球罐的状况，如有失稳的倾向，要立即停止顶升。d、在顶升的同时，还需随时监控支柱的顶升高度，到符合要求时，需停止顶升。e、顶升的同时用斜垫铁作为支撑点，向柱底板逐渐塞入。确保柱底板与斜垫铁接触良好。待支柱顶升至所需要高度后，取出斜垫铁，将准备好的平垫铁片塞入至支柱底部。其中，斜垫铁的规格及数量需计算后，进行加工，以满足现场要求。f、平垫铁片塞入后，缓慢关闭千斤顶，将支柱缓慢落至平垫铁片上。待支柱稳定后，将平垫铁片点焊至基础滑板上。g、用水准仪再次测量支柱底板的标高，然后记录数据，核算是否调整合格。如不合格按照上述方法继续处理直到合格。合格后将平垫铁片与基础滑板之间满焊，如有多层平垫铁片，其外部也需焊接。h、 按照上述方法将单台球罐需要调整的支柱处理合格。

3、处理结果及评价  根据上述纠偏方案，纠偏施工单位仅用时一天时间就完成了10#罐的纠偏工作，通过加塞垫铁的措施，12根柱腿标高基本调整到位，球罐本体的姿态得到了调整。为了验证本次球罐纠偏的实际使用效果，再次组织了专业测量单位进行了沉降监测，监测分三次实施，分别在纠偏后、在球罐投用时和投用半年后，监测结果显示整体沉降较均匀，且相邻支柱沉降差满足规范不大于2mm的要求。

四、总结

通过对罕见的球罐大规模不均匀沉降原因进行系统分析，认定沉降已趋稳定，决定采用千斤顶顶升法进行纠偏，并邀请多名专家论证该施工方案可行性，在准备充足后实施，用时短，费用低。通过对在运球罐的长期监测数据对比发现，纠偏后的球罐沉降数据均匀且总体稳定，球罐设备及附属设施管道运行正常，从而验证该方法成功地解决了该难题，顺利通过了项目验收，保证了项目的安全生产，也可为后续大型球罐的沉降及纠偏实践提供参考。

参考文献：

[1]黄熙龄、钱力航.建筑地基与基础工程