浅析兰州石化余热锅炉平移轨道基础设计与问题处理

中国石油天然气第一建设有限公司 河南洛阳 471023

兰州石化余热锅炉（锅炉型式见图1）平移是兰州石化公司300万t/a重油催化裂化装置改造项目中的一项重要工程。按照常规施工方法，锅炉更换需要在原位置上将旧锅炉拆除，再安装新锅炉，施工期间装置必须长时间停运。经过兰州石化与中油一建公司反复研究策划，决定采用新锅炉异地预制，整体牵引平移安装就位的办法。该办法不影响正常生产，可在检修期间完成锅炉的改造与更换，从而保证兰州石化完成年度生产任务和效益指标。两台锅炉高45.3m、长16.4m、宽25.9m，总重量3696t，需要移动28.4m。平移轨道基础的设计是实现锅炉平移的前提，也是锅炉平移的一个关键点。

1 轨道基础设计难点及处理方法

1.1 基础选型

根据地质报告，工程所在区域浅层为人工回填土，地基承载能力低，不能满足轨道的承载力要求。按地质报告建议，荷载较大的建构筑物基础应采用桩基础。

图1 建造完成的兰州石化余热锅炉

基础选型过程中有两个难点：一个是轨道基础的沉降控制。锅炉高45.3m，重量高达3696t，在施工或平移过程中，如产生不均匀沉降，将会导致卡轨，甚至影响锅炉主体的安全；另一个是现场管线的保护。现场有多条管线横穿施工区域（图2），均为厂区正在使用的管线，若施工中如对管线造成破坏，将影响到石化厂的生产运营。另外，轨道区域内有较多老旧基础，建设单位不能提供此部分的基础图，且部分基础还要重复利用，不能拆除。

图2 穿过施工区域的部分管线

现场条件造成桩基成孔困难，加之桩基工程施工环节多，施工工期长，不能满足现场的需求，所以不能采用地质报告推荐的桩基方案。经过反复的研究与比选，最后采用弹性地基梁加浅层换填的形式进行基础设计，地基处理为1m厚的砂石垫层，基础型式见图3。

图3 弹性地基梁基础形式图

弹性地基梁是一种搁置在有一定弹性的地基上，梁底各点与地基紧密相贴的梁。弹性地基梁为倒T型结构，由中间的主梁和两边伸出的翼缘组成。设计时通过改变主梁的高度和翼缘宽度，可将上部结构的荷载传递到较大的范围，从而调节基底应力，控制基础的沉降。另外，根据平移轨道基础的特点，轨道基础承受的主要是竖向的压力和平移方向上的剪力，轨道垂直方向的受力较小。在满足承载能力要求的情况下，适当减小基础的埋深，不但可以满足平移过程中基础的受力需求，并且有效地减少了基础施工对地下管线和老旧基础的影响。对于无法避让的管线，设计时在管线部位的弹性地基梁去除翼缘，减小中间主梁的高度，并对减小的主梁进行配筋加固处理，从而保证结构的安全，同时因采用梁式跨越，实现了对现场管线的防护。

1.2 基础的建模与计算

兰州石化余热锅炉异地建造整体平移的施工方法在石油化工行业属首次运用，轨道基础是一个非常规结构，没有可参考的成熟经验，尤其轨道基础的设计模型简化和计算是轨道基础设计的一个难点。

轨道基础设计时将两台锅炉简化为两个独立的框架结构进行建模，用节点荷载的型式施加锅炉荷载和平移时的水平荷载。基础设计时两台锅炉基础同时设计，这种建模计算方法不但可以了解单台锅炉的受力状态，还可以考虑两台锅炉基础的相互影响。

平移轨道基础计算采用PKPM结构计算软件进行。框架柱的位置代替锅炉柱，在锅炉平移的工况下，基础上部的荷载不但是动荷载而且是位置可以变化的移动荷载。对于移动荷载，理论上应按影响线的理论进行动态计算，计算方法复杂。建模时按起锅炉平移轨迹，选取有代表性的位置分别建立静态模型进行多次计算，把动态模型转化为静态模型进行计算，这种设计方法，不但体现了移动荷载的受力特点，并且简化了计算过程，提高了设计效率。

2 施工中的问题及处理

为加快施工进度，旧锅炉拆除和新锅炉预制要同时进行。按照施工组织，轨道基础分新锅炉预制区、旧锅炉拆除区和锅炉平移区，3个区域先后进行施工。施工分区见图4。

2.1 锅炉预制区基础沉降

根据现场反映的情况，新锅炉预制成型后，基础的最大沉降达到60mm，而此部位的计算沉降量只有12mm，沉降实测值与计算结果有较大差异。

通过现场实际情况与设计的对比分析，设计时是假定整根的弹性地基梁一起施工、一起受力。而施工时按现场组织的需要，采用了分区域施工的方法，这种施工方法导致弹性地基梁只有部分长度局部受力，弹性地基梁的受力方式和设计时的计算假定不同，这是造成沉降较大的主要原因。

图4 施工分区示意图

针对这种情况，为防止锅炉平移过程中出现卡顿现象，相邻施工段连接时采用缓坡连接的方法进行施工，并且连接坡度要尽可能得小。另外，为防止连接部位在平移过程中出现错台或裂缝，连接时采用了植筋的方法对连接部位进行加强处理，在弹性地基梁未配钢筋的中心区域增加水平钢筋，从而增加了基础连接部位的可靠性。

2.2 锅炉平移行走区异常地基处理

锅炉平移行走区域施工时，基坑范围内不仅有大量不能破除的老旧基础，还有局部的软弱地基。软弱地基为淤泥及淤泥质土，淤泥质土深度不详，基坑内涌水量较大。

现场确定了两个地基处理方案：方案一，抛石挤淤加砂石垫层；方案二，抛石挤淤加低标号混凝土垫层。其中方案一施工费用较为经济；方案二施工速度较快，并且可比方案一节约2d左右的工期，且施工质量控制较为容易。考虑到采用整体平移方法的核心就是节约工期，项目整体的施工进度比局部的造价提升更为重要。经过方案比选，选用方案二为最终方案。最终地基处理效果较好，平移过程中此部分基础无沉降现象。

2.3 锅炉平移过程中出现卡轨

锅炉在平移过程中出现过几次卡轨现象，主要原因是基础沉降导致轨道不是绝对的水平，有上坡的现象。

如有类似工程，可加大弹性地基梁的翼缘宽度，减小基础底部应力，进一步减小沉降量。另外，滑移轨道前端可以适当优化，做成弧形并向上翘曲，这种方式可有效防止卡轨现象。

3 结论

通过以上措施，锅炉平移轨道基础按预定工期完成施工，2016年8月16日基础达到了使用条件，同日顺利实现了锅炉的平移就位。图5为锅炉平移现场图。

图5 锅炉平移现场图

通过平移轨道的基础设计和现场问题的跟踪处理可以得到如下结论：

（1）平移工程的轨道基础设计在满足承载力的情况下应尽量浅埋。平移工程多在旧厂区，基础浅埋可以有效减少基础对地下管线和地下建（构）筑物的影响。

（2）平移基础设计计算应包括施工中特殊状态的计算。由于旧设备拆除时新设备要同时建造，加上现场施工通道的需要，现场施工时轨道基础不可避免地要进行分区施工。因此设计时应进行施工状态的合理验算，才能保证基础安全和沉降的要求。

（3）平移基础设计时，可考虑在新设备预制区预留一定的预沉量。施工时新设备的预制区承受设备荷载的时间较长，其他区域承受的均为设备通过时的临时荷载，受力时间的不同，势必会导致沉降量的不同。因此，设计时可根据地基地质情况，预留30～50mm的预沉量，可有效地减少各个区域的沉降差。

（4）平移基础设计时要加强各个分区之间的连接构造。现场施工中，不可避免地进行分区施工，要加强分区之间的连接，从而有效地保证分区连接的可靠性。

（5）平移托架的前端做成雪橇式可有效地减少卡轨现象。由于平移轨道基础各个分区受力状态不同，基础出现不均匀沉降难以避免。平移托架形式的改变，可改变托架前部的受力方向，从而有效防止卡轨现象的发生。

异地建造整体平移的施工方法在石油化工业尚属首次运用。这种施工方法，可较常规施工方法节省工期3个月左右，可产生巨大的经济效益和社会效益。此工程的设计经验和现场处理经验将为今后类似的工程设计提供有益的借鉴。