淺析蘭州石化余熱鍋爐平移軌道基礎設計與問題處理

中國石油天然氣第一建設有限公司 河南洛陽 471023

蘭州石化余熱鍋爐（鍋爐型式見圖1）平移是蘭州石化公司300萬t/a重油催化裂化裝置改造項目中的一項重要工程。按照常規施工方法，鍋爐更換需要在原位置上將舊鍋爐拆除，再安裝新鍋爐，施工期間裝置必須長時間停運。經過蘭州石化與中油一建公司反復研究策劃，決定采用新鍋爐異地預制，整體牽引平移安裝就位的辦法。該辦法不影響正常生產，可在檢修期間完成鍋爐的改造與更換，從而保證蘭州石化完成年度生產任務和效益指標。兩臺鍋爐高45.3m、長16.4m、寬25.9m，總重量3696t，需要移動28.4m。平移軌道基礎的設計是實現鍋爐平移的前提，也是鍋爐平移的一個關鍵點。

1 軌道基礎設計難點及處理方法

1.1 基礎選型

根據地質報告，工程所在區域淺層為人工回填土，地基承載能力低，不能滿足軌道的承載力要求。按地質報告建議，荷載較大的建構筑物基礎應采用樁基礎。

圖1 建造完成的蘭州石化余熱鍋爐

基礎選型過程中有兩個難點：一個是軌道基礎的沉降控制。鍋爐高45.3m，重量高達3696t，在施工或平移過程中，如產生不均勻沉降，將會導致卡軌，甚至影響鍋爐主體的安全；另一個是現場管線的保護。現場有多條管線橫穿施工區域（圖2），均為廠區正在使用的管線，若施工中如對管線造成破壞，將影響到石化廠的生產運營。另外，軌道區域內有較多老舊基礎，建設單位不能提供此部分的基礎圖，且部分基礎還要重復利用，不能拆除。

圖2 穿過施工區域的部分管線

現場條件造成樁基成孔困難，加之樁基工程施工環節多，施工工期長，不能滿足現場的需求，所以不能采用地質報告推薦的樁基方案。經過反復的研究與比選，最后采用彈性地基梁加淺層換填的形式進行基礎設計，地基處理為1m厚的砂石墊層，基礎型式見圖3。

圖3 彈性地基梁基礎形式圖

彈性地基梁是一種擱置在有一定彈性的地基上，梁底各點與地基緊密相貼的梁。彈性地基梁為倒T型結構，由中間的主梁和兩邊伸出的翼緣組成。設計時通過改變主梁的高度和翼緣寬度，可將上部結構的荷載傳遞到較大的范圍，從而調節基底應力，控制基礎的沉降。另外，根據平移軌道基礎的特點，軌道基礎承受的主要是豎向的壓力和平移方向上的剪力，軌道垂直方向的受力較小。在滿足承載能力要求的情況下，適當減小基礎的埋深，不但可以滿足平移過程中基礎的受力需求，并且有效地減少了基礎施工對地下管線和老舊基礎的影響。對于無法避讓的管線，設計時在管線部位的彈性地基梁去除翼緣，減小中間主梁的高度，并對減小的主梁進行配筋加固處理，從而保證結構的安全，同時因采用梁式跨越，實現了對現場管線的防護。

1.2 基礎的建模與計算

蘭州石化余熱鍋爐異地建造整體平移的施工方法在石油化工行業屬首次運用，軌道基礎是一個非常規結構，沒有可參考的成熟經驗，尤其軌道基礎的設計模型簡化和計算是軌道基礎設計的一個難點。

軌道基礎設計時將兩臺鍋爐簡化為兩個獨立的框架結構進行建模，用節點荷載的型式施加鍋爐荷載和平移時的水平荷載。基礎設計時兩臺鍋爐基礎同時設計，這種建模計算方法不但可以了解單臺鍋爐的受力狀態，還可以考慮兩臺鍋爐基礎的相互影響。

平移軌道基礎計算采用PKPM結構計算軟件進行。框架柱的位置代替鍋爐柱，在鍋爐平移的工況下，基礎上部的荷載不但是動荷載而且是位置可以變化的移動荷載。對于移動荷載，理論上應按影響線的理論進行動態計算，計算方法復雜。建模時按起鍋爐平移軌跡，選取有代表性的位置分別建立靜態模型進行多次計算，把動態模型轉化為靜態模型進行計算，這種設計方法，不但體現了移動荷載的受力特點，并且簡化了計算過程，提高了設計效率。

2 施工中的問題及處理

為加快施工進度，舊鍋爐拆除和新鍋爐預制要同時進行。按照施工組織，軌道基礎分新鍋爐預制區、舊鍋爐拆除區和鍋爐平移區，3個區域先后進行施工。施工分區見圖4。

2.1 鍋爐預制區基礎沉降

根據現場反映的情況，新鍋爐預制成型后，基礎的最大沉降達到60mm，而此部位的計算沉降量只有12mm，沉降實測值與計算結果有較大差異。

通過現場實際情況與設計的對比分析，設計時是假定整根的彈性地基梁一起施工、一起受力。而施工時按現場組織的需要，采用了分區域施工的方法，這種施工方法導致彈性地基梁只有部分長度局部受力，彈性地基梁的受力方式和設計時的計算假定不同，這是造成沉降較大的主要原因。

圖4 施工分區示意圖

針對這種情況，為防止鍋爐平移過程中出現卡頓現象，相鄰施工段連接時采用緩坡連接的方法進行施工，并且連接坡度要盡可能得小。另外，為防止連接部位在平移過程中出現錯臺或裂縫，連接時采用了植筋的方法對連接部位進行加強處理，在彈性地基梁未配鋼筋的中心區域增加水平鋼筋，從而增加了基礎連接部位的可靠性。

2.2 鍋爐平移行走區異常地基處理

鍋爐平移行走區域施工時，基坑范圍內不僅有大量不能破除的老舊基礎，還有局部的軟弱地基。軟弱地基為淤泥及淤泥質土，淤泥質土深度不詳，基坑內涌水量較大。

現場確定了兩個地基處理方案：方案一，拋石擠淤加砂石墊層；方案二，拋石擠淤加低標號混凝土墊層。其中方案一施工費用較為經濟；方案二施工速度較快，并且可比方案一節約2d左右的工期，且施工質量控制較為容易。考慮到采用整體平移方法的核心就是節約工期，項目整體的施工進度比局部的造價提升更為重要。經過方案比選，選用方案二為最終方案。最終地基處理效果較好，平移過程中此部分基礎無沉降現象。

2.3 鍋爐平移過程中出現卡軌

鍋爐在平移過程中出現過幾次卡軌現象，主要原因是基礎沉降導致軌道不是絕對的水平，有上坡的現象。

如有類似工程，可加大彈性地基梁的翼緣寬度，減小基礎底部應力，進一步減小沉降量。另外，滑移軌道前端可以適當優化，做成弧形并向上翹曲，這種方式可有效防止卡軌現象。

3 結論

通過以上措施，鍋爐平移軌道基礎按預定工期完成施工，2016年8月16日基礎達到了使用條件，同日順利實現了鍋爐的平移就位。圖5為鍋爐平移現場圖。

圖5 鍋爐平移現場圖

通過平移軌道的基礎設計和現場問題的跟蹤處理可以得到如下結論：

（1）平移工程的軌道基礎設計在滿足承載力的情況下應盡量淺埋。平移工程多在舊廠區，基礎淺埋可以有效減少基礎對地下管線和地下建（構）筑物的影響。

（2）平移基礎設計計算應包括施工中特殊狀態的計算。由于舊設備拆除時新設備要同時建造，加上現場施工通道的需要，現場施工時軌道基礎不可避免地要進行分區施工。因此設計時應進行施工狀態的合理驗算，才能保證基礎安全和沉降的要求。

（3）平移基礎設計時，可考慮在新設備預制區預留一定的預沉量。施工時新設備的預制區承受設備荷載的時間較長，其他區域承受的均為設備通過時的臨時荷載，受力時間的不同，勢必會導致沉降量的不同。因此，設計時可根據地基地質情況，預留30～50mm的預沉量，可有效地減少各個區域的沉降差。

（4）平移基礎設計時要加強各個分區之間的連接構造。現場施工中，不可避免地進行分區施工，要加強分區之間的連接，從而有效地保證分區連接的可靠性。

（5）平移托架的前端做成雪橇式可有效地減少卡軌現象。由于平移軌道基礎各個分區受力狀態不同，基礎出現不均勻沉降難以避免。平移托架形式的改變，可改變托架前部的受力方向，從而有效防止卡軌現象的發生。

異地建造整體平移的施工方法在石油化工業尚屬首次運用。這種施工方法，可較常規施工方法節省工期3個月左右，可產生巨大的經濟效益和社會效益。此工程的設計經驗和現場處理經驗將為今后類似的工程設計提供有益的借鑒。