刚果（金）某钢结构厂房独立柱基础沉降治理工程实践

刘 瀛

（中铁资源集团有限公司，北京 100039）

某中资企业在刚果（金）上加丹加省投资建设一座大型铜钴矿，其尾矿压滤车间的钢结构厂房在使用五年之后，厂房第三层的天车在运行过程中脱轨掉道，进一步检查发现钢结构的部分独立柱基础发生较大不均匀沉降，局部沉降达19.6cm，该厂房已不能继续安全使用，必须对沉降进行治理。笔者作为该项目的主要负责人，对基础沉降的成因进行了分析，组织钻探取样对沉降区域的工程地质条件进行了分析，继而根据工勘的结果提出了治理措施方案，并组织进行了实施，最终取得了较好的治理成果。

1 项目基本概况

项目位于刚果（金）上加丹加省（Katanga）南部绿纱镇（Luishia），与赞比亚铜带省接壤，地理坐标：东经 27°，南纬 11°，为一座年产阴极铜3.5万吨，钴金属1500吨的大型铜钴矿。该项目2013年分步建成投产，其中，压滤车间主厂房为一长72米，宽21米三层钢结构厂房，2013年中期投入使用。2019年8月2日，厂房第三层的天车在行进过程中脱轨掉道，险些酿成安全事故。8月5日，维修人员对天车进行了修复之后，试运行过程中发现天车南侧的两个滚轮与轨道之间出现局部悬空，也即“三条腿”现象，怀疑天车梁不平。继而检查发现天车梁下的立柱牛腿支撑不水平，从而发现钢结构厂房的立柱局部下沉。该厂房南北两侧各由13根立柱支撑，形成12垮，每垮长6米，厂房长度72米（如图1所示）。经测量人员检查，发现厂房南侧13根立柱中的第8、第9、第10、第11根立柱发生较大不均匀沉降，分别下沉9.7cm 、19.8cm、16.3cm、14.2cm，而其他立柱高程误差均在1cm范围内。

2 沉降原因分析

图1 压滤车间基础平面图

厂房南侧，发生沉降范围内分布有两个搅拌罐、一个泵池和8台水泵。厂房内八台压滤机压滤作业后的酸性溶液，经回水管和水沟汇入泵池，经八台水泵排回主厂区。也就是说，沉降范围常年湿式作业。进一步查阅该部分工程的设计资料，该厂房地面、水沟、泵池间地面、泵池和水泵基础均应进行耐酸防腐防渗处理。而经过现场检查，发现该部分工程的防腐结构已经破坏，且部分工程（比如厂房地面）未按设计防腐施工，从而判断该区域的防腐和防渗未能达到设计要求。酸性液体下渗进入地基土层，地基土承载力下降，从而造成厂房独立柱基础沉降。

3 工勘验证情况

图2 治理方案示意图

为了确定合理的沉降治理方案，2019年11月初，项目业主委托工勘单位在沉降区域施工了四个工程勘察孔，孔深10米。在勘察孔内进行了标准贯入实验和重型动力触探实验，采集原状土样20件，并进行土工试验。11月下旬，工勘单位提交了《某项目压滤车间地基沉降检测岩土工程勘察报告》。结论认为，原柱基础的持力层为粉质粘土，孔隙率大，渗透系数大，具有湿陷性。受酸泵池漏液影响，沉降区域内本土层的含水率极大，土层处于软塑状态。勘察报告显示，浅层湿陷性土厚度3.4m-5.8m，其下伏为粉砂质泥岩工程地质条件非常好。

4 沉降治理方案

根据工勘结果，采用桩基础，穿过软弱粘土层，以粉砂质泥岩作为桩端持力层，可以取得较高承载力。为此，确定治理方案：沿厂房立柱布置的轴线方向，在每根柱基础的两侧分别施工人工挖孔桩，挖孔桩直径0.8米，孔深（桩长）约6～8米，以进入粉砂质泥岩1米为准，孔内灌注C20砼，桩顶面预埋一块钢板，以便焊接立柱支撑。在灌注桩上部，用工字钢作为立柱与第一层平台钢梁连接，如图2所示。方案设计意图是，用独立柱基础两侧的人工挖孔桩基础替代原基础，从而保证建（构）筑物不再发生下沉。

5 治理工程实践

2020年3月～4月，业主按照前述方案对钢结构厂房的沉降进行了治理。因为柱基础与柱基础之间存在连续梁，为了不破坏该连续梁的整体结构，施工时将布置在柱基础两次的一个挖孔桩，调整为两个挖孔桩，布置在连续梁的两侧，再将两个挖孔桩用一个梁连成一个整体。如图3所示：

在四根发生沉降的独立柱基础两侧，分别施工两个人工挖孔桩，为了保证挖孔过程中的安全，采用钢护筒进行护壁，挖孔桩进入粉砂质泥岩1米后终孔。孔内设钢筋笼，灌注C30砼，形成钢筋砼桩，如图4；16根挖孔桩两两相连，形成分布在四根柱基础两侧的八根钢筋砼梁，如图5；梁的顶部与上部钢结构相对应位置预埋一块30×30cm厚度20mm钢板。待钢筋混凝土梁养护10日以上，达到一定强度之后，将已发生沉降的钢立柱切断，用千斤顶将钢立柱抬升复位， 如图6；在挖孔桩暗梁与钢结构厂房第一层平台梁之间，用工字钢立柱做支撑，形成新的支撑结构，如图7；然后用钢板补偿焊接恢复被切断的钢立柱，如图8，钢结构厂房独立柱基础沉降得到完好的治理修复。

图3 挖孔桩与柱基础平面关系图

6 工程建议与思考

（1）本项目初步设计阶段，没有依据详细的工勘资料，从而造成独立柱基础的地基没有得到很好的处理。如果当初该项目进行了详细的工勘，独立柱有可能采用桩基础，或者独立柱下的地基土进行全面换填，可以避免因地基土的湿陷性沉降，从而造成独立柱基础下沉。

（2）建设期的施工管理问题。造成本项目地基土湿陷的原因之一，是厂房地面、水沟、泵池间地面、泵池、水泵基础未严格按照设计进行防腐和防渗处理，从而造成酸性液体下渗，改变了地基土的工程特性。究其原因在于，项目建设期业主没有委托施工监理，且项目业主将土建工程和防腐工程分别向两个单位发包，从而造成两个施工工序没有很好的衔接，造成工程质量缺陷。如果项目业主将土建工程和防腐工程发包给一家施工单位总包，即使总包单位将防腐工程分包，也可以避免工序衔接问题。

（3）由于本项目持力层埋深仅5～6米，因此，本项目的桩基础受力形式为端承桩。假如，持力层埋深较大或者在一定深度范围内没有理想的持力层，通过设计合理的桩长，采用摩擦桩提供受力支撑，采用本工程方案，也可以实现沉降治理的目的和效果。

图4 已浇筑完成的人工挖孔桩

图5 挖孔桩连接成暗梁

图6 切割钢梁顶升复位

图7 梁与第一层平台间支撑立柱

图8 钢立柱复位后补焊修复