建筑軟土地基沉降對燃氣管道和其配套設施的損害影響治理及實例分析

摘 要

摘要：通過建筑軟土地基沉降對燃氣管道和其配套設施的損害影響實例分析，提出治理方法及建筑樁基、燃氣工程系統(tǒng)設計建議，明確軟土地基沉降影響觀測方法，確保建筑和燃氣設施安全。
摘要：通過建筑軟土地基沉降對燃氣管道和其配套設施的損害影響實例分析，提出治理方法及建筑樁基、燃氣工程系統(tǒng)設計建議，明確軟土地基沉降影響觀測方法，確保建筑和燃氣設施安全。
關鍵詞：建筑；軟土地基沉降；燃氣管道和其配套設施；工程實例分析
Settlement of Soft Ground on the Gas Pipeline Construction and its Damaging Effects of Treatment Facilities and Case Analysis
Gas Station in Longhai City Xu Wuwang
Abstract：Settlement of soft ground by the construction of gas pipeline and its supporting facilities，the damaging effects of a case study，proposed treatment methods and the construction of pile foundation，gas engineering system design proposals，clear soft ground affected by the settlement methods of observation to ensure the safety of buildings and gas facilities.
Keywords：Construction；Soft soil settlement；Gas pipeline and its supporting facilities；Engineering case study
1 引言
   近年來，在管道燃氣供氣規(guī)劃區(qū)內(nèi)，新建、改建、擴建的住宅小區(qū)一般應同時配套建設管道燃氣設施，并與建筑主體工程同時設計、同時施工、同時竣工驗收。根據(jù)漳州市九龍江平原地質(zhì)構造為高壓縮性軟土地基的基本特征，容易產(chǎn)生高層民用建筑地基沉降，造成住宅小區(qū)內(nèi)及周邊燃氣管線和設施受損。因此，有必要根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)情況，就軟土地基沉降對燃氣管道影響進行實例分析，總結軟土地基樁基處理及燃氣管道埋設處理的方法，做好同步設計的銜接，確保施工與使用安全。
2 工程實例
2.1 工程概況
   龍海市某學術交流中心，現(xiàn)被租賃經(jīng)營大酒店。工程為框架結構，建筑總面積13238.25前，地上12層，地下1層，共13層。地下室層高為4.7m，底屋至三層高為4.5m，四至十一層高為3.6m，十二層高為4.5m，主體總高度為48.2m，建筑全長為52.5m，建筑寬度19.5m，基礎采用靜壓預應力混凝土管樁基礎。2006年竣工投入使用，2009年元月工程主體安裝市政燃管設施，同時由管道燃氣經(jīng)營企業(yè)安裝燃氣立管及相應設備后實現(xiàn)供氣。氣源為液化石油氣，兩級調(diào)壓入戶，中壓管壓力為0.4MPa，低壓管壓力0.1MPa，燃氣表和用戶調(diào)壓器分別集中安裝于其中一個外墻的表箱。
2.2 地基沉降及燃氣管道損害情況
   2009年5月，燃氣經(jīng)營企業(yè)接該大樓經(jīng)營業(yè)主的報告，出現(xiàn)燃氣泄漏，相關部門立即組織人員進行現(xiàn)場勘察及觀測，制定方案并予搶修處理。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查測量，雖然地基上主體建筑未發(fā)現(xiàn)破壞變形，也未發(fā)現(xiàn)主體傾斜，但散水坡與房屋主體水平拉裂3mm～4mm，其連接處沉降量為4mm～5mm，填筑水泥地面發(fā)現(xiàn)裂痕，這可以說明是填土產(chǎn)生地基均勻沉降。在安全措施保護下。經(jīng)對燃氣管道及設施損害情況現(xiàn)場勘察，部分燃氣立管接頭有松動，經(jīng)開挖后的地下水平與立面的彎管變形，調(diào)壓箱里鋼管線也有彎曲變形，導致管線螺紋接頭處燃氣泄漏。同時，通過連接燃氣管的市政道路黃海高程測量與原有設計黃海高程的對比，比原設計時下沉6cm～8cm。
2.3 影響分析
2.3.1地質(zhì)分析
福建省沿海地區(qū)多是海相沉積地質(zhì)，其中漳州九龍江平原地質(zhì)多屬于淤泥質(zhì)軟土地區(qū)，從該建筑場地地質(zhì)勘探報告表明，場地為Ⅲ類軟土地基，主要含飽和淤泥和可液化砂層，土層分布如圖1所示[1]。從地質(zhì)勘探報告上看，軟土地質(zhì)是造成建筑物沉降最基礎性的原因。
 

2.3.2產(chǎn)生原因分析
    經(jīng)勘查分析，本工程案例所產(chǎn)生沉降主要原因：一是高層建筑主體靜壓均勻沉降2mm，屬該區(qū)域地質(zhì)因素允許范圍；二是地基填土自然沉降壓密形成平面沉降4mm～5mm；三是市政道路整體沉降對該建筑物填筑場所產(chǎn)生間接影響，由于該中心大樓位于城區(qū)主干道邊，前院場緊接道路，經(jīng)測定道路明顯整體沉降6cm～8cm，橫向拉力直接改變填土地面的受力，形成散水坡與房屋主體水平拉裂。
    在燃氣管道及設施損害方面，主要是該高層建筑物和市政道路的地基沉降，使埋地燃氣管道受壓力增大，加上重型、重載車輛重壓和行駛振波的間接影響，地下管道和立管無法吸收地基的沉降位移作用，作用力導致管線接頭松動，彎管扭曲變形，而產(chǎn)生燃氣泄漏。
    軟土地基一般是淤泥和淤泥質(zhì)土、泥炭土和沼澤土形成，以及其他高壓縮性飽和黏性土、粉土等組成，其中淤泥和淤泥質(zhì)土是軟土的主要類型。軟土的特性主要表現(xiàn)為天然含水率高，一般水量在30%～70%之間。其孔隙比大，孔隙比在1.0～1.9之間，飽和度一般大于95%，液限一般為35%～60%，塑性指數(shù)為15～30。
    從現(xiàn)有該區(qū)域出現(xiàn)建筑軟土地基下沉的其他案例看出[1]，其形成多有以下幾種情況：(1)樁基失效，建筑主體傾斜。其原因是在樁基施工中質(zhì)量控制低下，加上地質(zhì)構造環(huán)境條件惡化、積水滲透導致的，也有的是就近新建建筑地下抽水施工使得地表水下滲，或建筑場填土量不均，而形成樁基平衡力失效。(2)樁基與建筑主體均勻下沉。其原因是沒有采取有效措施使樁基未進硬持力層，建筑主體重量自然靜壓形成下沉。(3)地震也可影響地基沉降。地震引起地基沉降為短時間的壓密作用過程，振動可能導致地基塌陷，特別在軟土地質(zhì)方面的橫向地震波影響更為明顯，常常使得地下及地面設施損壞，若已出現(xiàn)地基下沉的建筑作用更加劇。漳州市地處福建省地震帶上，常年的微級地震較多，而臺灣省地震活躍常常影響該區(qū)域。(4)市政道路整體沉降。因周邊建筑施工地下抽水、橫向拉力改變，或是軟土地基前期固結差，承載力低，加上車輛長期重壓形成整體沉降。從目前現(xiàn)有的市政道路觀測，路面相對沉降大于20cm普遍，新建或改造后3年內(nèi)都會沉降在5cm～10cm，不管是水泥混凝土路面還是瀝青路面，其軟土地段上的路基都會有不同程度沉降變形，導致路面出現(xiàn)接縫拉裂、板塊錯臺、斷板、板底脫空、板面凹陷等情況，嚴重影響路面的使用，特別是地下管網(wǎng)路面受力。
    因此，若在軟土地基建筑、市政道路及燃氣管網(wǎng)安裝設計上沒有充分考慮地基方案，施工上沒有采取加固防范措施，產(chǎn)生建筑主體或周邊填土的地基下沉是不可避免的。也就無法防范地基下沉對燃氣管溝開挖及管線定位施工的影響，必然使地基下沉現(xiàn)象造成燃氣設施的損壞。而對于軟土地段路基有效加固和沉降防治處理，對穩(wěn)定路基，減少路面和地下網(wǎng)管的損害，保證安全具有重要的現(xiàn)實意義。
2.4 工程治理
2.4.1軟土地基治理
    本案發(fā)生后，在確定因軟土土基沉降產(chǎn)生燃氣設施損害原因后，主要根據(jù)市政道路地基整體均勻沉降、道路的地下燃氣管未被損害和目前不適宜進行改造的客觀原因，只對該建筑物場地范圍內(nèi)的軟土地基和燃氣工程提出治理方案。因該建筑物地基也是均勻沉降，又設有地下室層，為了建筑安全，因此，重點對填筑場所的填土方面進行地基治理。本案治理主要措施是：(1)再次換填。為保證換填時建筑物的橫向平衡，采取對稱測點進行排水、填砂石進行換填；(2)個別沉降測點進行深層密實，使用材料為生石灰，顆粒直徑控制在15mm～30mm；(3)所有填筑地進行化學加固及均勻密壓，用水泥漿液壓力注漿。
    對區(qū)域內(nèi)其它案例出現(xiàn)的低層、小高層建筑樁基失效而引起工程傾斜，低層采取卸荷、頂升糾偏、現(xiàn)場錨桿托換技術進行樁基加固，對允許適量均勻靜力沉降的高層建筑采用換填和填筑地化學加固，都獲得有效的治理，對現(xiàn)有道路采用換填墊層法和深層密實法進行治理也取得明顯的效果。
    軟土地基的治理，不論是民用、公用建筑，還是公路，其處理方法都是要根據(jù)我國現(xiàn)行的有關沉降標準規(guī)定，結合當?shù)氐匦?、地質(zhì)、水文、氣候、徑流條件等自然環(huán)境條件，進行細致的工程地質(zhì)勘探，明確松軟土層的成因、類型、分布范圍及其在路線通過地帶分布的具體情況，以確定軟土層在縱向、橫向的分布厚度、層次、各層土的土質(zhì)及物理力學性質(zhì)，選用適當?shù)奶幚泶胧?sup>[3]。在實踐中，有多種形式的軟土地基處理方法，但應根據(jù)建設項目不同的性質(zhì)選擇。具體治理方法有材料置換法、排水固結法、換填墊層法、化學加固法、深層密實法、樁基沉井、側向約束法、反壓護道法等對軟土地基不同性質(zhì)采取不同方法要求，很有實用意義。但是，軟土地基上已建成使用建筑或道路出現(xiàn)沉降時，治理方法要結合現(xiàn)場實際，采取確實可行方法，防止建成建筑軟土地基治理失效。
2.4.2燃氣管道及配套設施治理
    本案例中，在發(fā)生地基沉降而損壞燃管造成燃氣泄漏后，針對現(xiàn)場堪檢情況主要采取的工程治理措施是：(1)結合軟土地基的治理，同時制定治理方案、同時設計，同時進行施工；(2)開挖場地，加固填筑場中壓管線與立管地下支架；(3)更換地下管與立管結頭，采用彈性較好的PE管件和螺紋管件，避免拉力影響地下水平與立面的彎管變形；(4)出地立管改變?yōu)橥ü芗?，立管接頭更換，固定管架拆除，采用套管式固定支架；(5)調(diào)壓箱出口水平管加一金屬軟管，以便最大程度接受地基沉降拉力，但同時用管架進行保護，保證調(diào)壓箱的穩(wěn)定；(6)加強地基沉降影響觀測。
    值得注意的是。軟土地基沉降后，不管是損壞庭院管和市政道路管網(wǎng)，還是建筑獨立設有的燃氣鍋爐或瓶組氣化站，為避免重大燃氣安全事故的發(fā)生，保證施工安全，應采取以下主要搶修程序：(1)確定可能損害的點位，同時確定警戒范圍，如小區(qū)或管網(wǎng)漏點位置；(2)關閉中壓管閥門，測定泄漏燃氣濃度，若是燃氣鍋爐及瓶組設施更要著重先行處理；(3)消防處理。針對不同燃氣氣類進行，可先場所噴水稀釋，降低濃度。然后在保證不擴散燃爆的前提下點火放散低壓管的燃氣；(4)損害位置及原因測定；(5)針對地基沉降產(chǎn)生原因及損害情況而制定不同搶修施工方案；(6)進場搶修施工。搶修后，仍舊要進行試壓、檢漏、點火、恢復供應等工作程序。
    總之，在燃管和配套設施搶修治理方面，要做到綜合評定、技術分析、分塊治理，保證治理的效果。
3 工程應用分析
3.1 軟土樁基設計及管樁施工工藝
    對于福建沿海地區(qū)的基巖風化嚴重和風化層較厚的實際情況，在樁基設計上采用管樁基礎較為合理經(jīng)濟，對于類似漳州平原的淤泥軟土地區(qū)，應采用靜壓預應力混凝土管樁等基礎技術，盡可能避免樁偏位及傾斜。因為預應力混凝土管樁一般適用于多層、小高層和25層以下的高層建筑樁基礎，持力層選擇堅硬粘性土層和密實的砂性土層和較強的風化巖層，就漳州平原地質(zhì)情況和已出現(xiàn)多起建筑軟土地基沉降案，民用高層建筑設計層數(shù)上應控制。
    采用靜壓預應力混凝土管樁的施工工藝，可采用合理的排水、開挖防擠溝、用中粗砂置換上層部分土體等方法，特別要對飽和軟土層進行有效固結，減少擠土效應，防止工程樁偏位及傾斜，甚至斷樁。施工工藝流程要遵循施工前充分準備、準確的測量定位、壓樁機就位調(diào)平、管樁吊入壓樁機夾持腔、夾持管樁對準樁位調(diào)直、進行靜力壓樁、電焊接樁、適當復壓、截樁及送樁等相關程序。在管樁與承臺的連接中，應采用剛接，不能用樁身內(nèi)的鋼筋伸入承臺作為連接鋼筋，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況，在樁關的樁管填充一定高度的C30細石混凝土，并在混凝土等分插入至少6根φ14以上鋼筋與承臺連接。同時。在實施過程中，還要把握好質(zhì)量控制措施和安全措施。
3.2 燃氣工程設計及施工方法
    建筑軟土地基的燃氣工程設計是一項比較復雜的工作，不僅要考慮燃氣輸配系統(tǒng)上問題，更重要是要事先對建筑軟土地基沉降對工程影響的預估，同時對將可能性出現(xiàn)影響要有預防和治理的方案。從建筑軟土地基沉降方面考慮，其設計及施工主要是：
    (1) 管線支架的選擇。對建筑主體下填筑場進管道支架加固，改變出地立管為通管架，固定管架應拆除，也可采用套管式固定支架，避免管道在此處應力集中，阻礙管線的下沉，又可保持立管在施工時的垂直度。
    (2) 管線與表箱的連接。對于立于室外地坪，其進出口管線和掛于建筑物外墻上的表箱應采用柔性連接。柔性連接的可拉伸量應滿足沉降的最大位移。
    (3) 地下管線與立面管線。垂直于建筑物的地下管線支管應因地制宜分級抬高埋設深度靠近建筑物，這有利于提高支管的撓性，吸收地基的沉降位移，減少管溝開挖對建筑物基礎的影響。出地立管穿過混凝土地面時須設置出地套管，防止混凝土與管道固結，阻礙管線位移。
   (4) 管線材料的選用。管線材料要采用塑性較好的材料。這是根據(jù)材料的屈服極限來考慮，對于鋼管和PE管來說主要的破壞最集中在接點和端部固定端，但是鋼管和PE管其接頭都有較好的延伸性和較好的接頭偏轉角，基本可以根據(jù)其材料的屈服極限來確定。
    (5) 管線地埋方法。管線采用淺埋，可減輕地基對管的壓力。庭院管采用樹技狀連接，盡量縮減庭院管的長度，減少接點。利用管線自身彎曲，增大彎曲半徑，減少彎頭的使用量。
    (6) 軟管替代選擇。目前伸縮器的使用主要考慮溫差對管線的影響，不能解決兩端管線上下方向上的位移變化。地基的不均勻沉降將導致管線在伸縮器部位產(chǎn)生破壞，當拆除伸縮器后，兩端管線無法對中，更換困難，而采用不銹鋼金屬軟管替代伸縮器能減少破壞，有抗拉伸縮。
    (7) 管線數(shù)量及走向。地下管線數(shù)量盡量合理安排，減少接頭，避免彎曲走向，同時要減少與建筑物垂直靠近的上升立管數(shù)量，充分利用建筑物外墻繞行。
    (8) 其他的設計要求和方法。在埋地燃氣管、瓶組氣化站還要根據(jù)GB50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》的要求和實際地質(zhì)條件對地下管線進行抗震和抗沉降設計。
3.3 軟土地基沉降對燃氣工程方面影響的觀測
    個別地方行業(yè)部門對建筑物沉降觀測方法出臺了標準，如江蘇省強制要求執(zhí)行《建筑物沉降觀測方法》(DGJ32/J18—2006)標準，但從區(qū)域建筑物的實際和燃氣工程方面情況的結合，對軟土地基沉降觀測，不能只限于建筑物本身。因為，由于燃氣工程與建筑主體的聯(lián)體工程，不得不說已成一體化的建筑工程，所以，在沉降觀測上要綜合考量，特別是燃氣工程在建筑主體或建筑填筑場所安裝完后尤其重要，應該同時加強地基沉降對燃氣工程方面影響的觀測。
    一般來說，軟土地基沉降對燃氣工程方面影響的觀測主要以建筑物和道路沉降觀測結果有關。若建筑物和道路測定地基的沉降量、沉降速度、沉降差、整體傾斜、局部傾斜等指標超過范圍，燃氣管道和配套設施一定受不同程度損害影響了，當建筑物與填筑場裂縫，建筑物、道路突然發(fā)生大量沉降或上浮，不均勻沉降或嚴重裂縫時，燃氣管道和配套設施可能已損害。事實充分表明，定期定時、周密細致對建筑物和道路現(xiàn)場及燃氣設施的安全巡查工作非常重要。
4 結束語
    目前，建筑軟土地基沉降對燃氣管道和配套設施的損害影響時有出現(xiàn)，在屬軟土地質(zhì)的漳州平原案例也有逐增現(xiàn)象。因此，在建筑軟土地基樁基設計及治理時應有預先評估，從設計和施工上下手，減少影響，對建成后所產(chǎn)生影響也要探索可行的治理方案，加強觀測，防范安全事故，保證人民群體的生命財產(chǎn)安全。而這將是從事建筑工程和燃氣工程的技術工作者必須結合不同技術領域的科研課題。
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(本文作者：許物王 福建省龍海市燃氣管理站 363100)