论油气田站场预制钢筋混凝土防火堤设计及施工

李勉 孙海涛 赖晓倩 张芸聪 李涛 李晋生

1新疆油田公司基本建设工程处

2中油（新疆）石油工程有限公司

3新疆油田公司开发公司

4新疆油田公司监理公司

油气田站场储罐区防火堤主要用于防止储罐液体外流和火灾蔓延，分为土筑、砖砌体、钢筋混凝土等结构形式，在用地紧张和抗震设防烈度8度及以上地区宜选用钢筋混凝土防火堤。目前钢筋混凝土防火堤多为现浇结构，施工周期长，施工过程中安全管理风险大，混凝土浇筑质量较难控制，因此，针对预制防火堤进行了计算分析、预制试验、现场应用等工作，为预制钢筋混凝土防火堤的推广应用收集到了全面详实的现场资料。

1 结构计算

根据GB 50351—2014《储罐区防火堤设计规范》第5.1.1条要求[1]，防火堤设计应按承载能力极限状态进行堤内满液工况荷载效应的基本组合计算。

以一段高出地面部分长1 m、高1.5 m、壁厚0.25 m的防火堤为研究对象，进行内力计算，抗震设防烈度为6 度，基底土为角砾，取土容重为γt=17 kN/m3，土内摩擦角φ为30°，内侧无培土，涂刷防火涂料，钢筋混凝土容重为25 kN/m3，防火堤尺寸如图1所示。

图1 防火堤断面Fig.1 Fire dike section

1.1 荷载统计

（1）防火堤自重荷载及防火堤覆土荷载。防火堤自重荷载标准值Ga=G1+G2=20.31 kN；防火堤覆土荷载标准值Gb=8.5 kN；防火堤自重及防火堤覆土重G=Ga+Gb=28.81 kN。

（2）防火堤内侧所受的静液压力如图2 所示。液面最大高度Hy=1.3 m，合力位置至计算截面距离H0=0.43 m，液体容重γy=10 kN/m3，静液压力标准值Pγk=0.5×γy××1.0=8.45 kN。

图2 静液压力计算示意图Fig.2 Schematic diagram of hydrostatic pressure calculation

静液压力对基础底部的倾覆力矩标准值MQ=Pγk×（0.43+0.75）=9.97 kN·m。

1.2 防火堤抗倾覆验算

根据GB 50351—2014 第5.1.2 条，倾覆弯矩设计值MQ=1.0×9.97=9.97 kN·m。

抗倾覆弯矩设计值MK=28.81×0.625=18.01 kN·m。=1.81＞1.6（抗倾覆满足）。

1.3 防火堤抗滑移验算

根据GB 50351—2014 第5.4.2 条，防火堤抗滑移验算如下：

取基础与基底之间的摩擦系数μ为0.5，基础底面摩擦阻力设计值RH=μG=0.5×28.81=14.41kN。

防火堤埋地部分的被动土压力PP=4.3 kN。

防火堤埋地部分的主动土压力P1=1.59 kN。

根据GB 50351—2014 第5.1.2 条，防火堤所承受的总水平荷载设计值P=1.0×Pγk+1.3×P1=12.04 kN。

（14.41+4.3）/12.04=1.55＞1.3（抗滑移满足）。

2 拼缝设计

预制防火堤由于运输和安装条件限制，分段较短，竖向拼缝多为满足防火堤密实、闭合、不泄漏的要求，必须合理设计拼缝。

2.1 现浇拼缝

在预制防火堤墙端两侧预留凹槽插筋，现场预制防火堤安装就位后将两侧钢筋搭接，再浇筑混凝土将两端墙体连为整体。这种方式可以确保拼缝闭合、不泄漏，密实效果好，但需二次浇筑混凝土，养护周期长，不能充分体现预制钢筋混凝土防火堤现场安装时间短的优势，适合于工期不紧张的项目。

2.2 墙端预埋钢板连接

在预制防火堤墙两端分别预埋L型或U型钢构件，现场防火堤安装就位后将左右两侧防火堤预埋钢构件焊接连接。这种方式密封效果较好，现场也无湿作业，施工速度较快，但焊缝多，焊接质量要求高，同时预制构件的侧面平整度要求高，必须保证两侧钢板平整对齐才能保证焊缝连续密闭，适合于工期较紧张的项目，对于不能动火的改造类项目不适用。

2.3 墙端预留凹凸型企口连接

在预制防火堤墙端两侧分别设置凹凸型企口，与相邻两侧墙板互相插入咬合连接，再采用密封胶泥将空隙填实。这种方式密封效果好，现场无湿作业，施工速度快，但预制加工难度大，模板制作要求高，可适合于各类项目。

3 构造要求

3.1 耐火极限

目前现行规范对防火堤的耐火极限要求如下：

（1）根据GB 50737—2011《石油储备库设计规范》第5.3.7 条要求[2]，防火堤耐火极限不应低于3 h，在耐火极限内，防火堤应能承受在计算高度范围内所容纳液体的静压力且不泄漏。

（2）根据GB 50074—2014 《石油库设计规范》第6.5.5条要求[3]，防火堤应能承受在计算高度范围内所容纳液体的静压力且不应泄漏，防火堤的耐火极限不应低于5.5 h。

（3）根据GB 50160—2008（2018 年版）《石油化工企业设计防火标准》第6.1.1条要求[4]，防火堤的耐火极限不得小于3 h。

（4）根据GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》第6.5.9.2 条要求[5]，防火堤可用砖石、钢筋混凝土等不燃烧材料砌筑，但内侧应培土或涂抹有效的防火涂料。

（5）GB 50351—2014《储罐区防火堤设计规范》第3.1.3 条要求，防火堤的耐火极限应满足以上规范的要求。

综上所述，预制钢筋混凝土防火堤最小厚度为250 mm，耐火极限应≥5.5 h，内侧应采用培土或涂刷防火涂料的方式。

3.2 构造条件

（1）如果预制防火堤内侧培土应分层均匀回填压实，严禁野蛮施工。

（2）预制防火堤位于室外露天环境，环境类别为二类或三类，钢筋混凝土保护层厚度应满足相应环境类别的要求。

（3）预制防火堤堤身及基础底板的厚度不应小于250 mm。

（4）防火堤内场坪地面及堤身内侧应考虑防渗措施。

4 预制防火堤制作及吊装

4.1 制作标准

（1）预制防火堤的质量检验应包括材料质量检验、制作过程质量检验和构件成品质量检验。目前主要遵循的规范标准包括JG/T 565—2018[6]《工厂预制混凝土构件质量管理标准》、T/CECS 631—2019[7]《预制混凝土构件质量检验标准》、JGJ 1—2014[8]《装配式混凝土结构技术规程》、GB 50204—2015[9]《混凝土结构工程施工质量验收规范》。

（2）预制防火堤应无露筋、蜂窝、空洞、夹渣等外观质量缺陷。

（3）预制防火堤长度允许偏差为±4 mm，高度及厚度允许偏差为±3 mm，表面平整度允许偏差为3 mm，翘曲偏差为L/1 000（L为长边长度）。

4.2 吊装要求

（1）为满足吊装要求，预制防火堤高出地面的高度为2.0 m 时，预制段长度宜≤1.2 m；预制防火堤高出地面的高度为1.8 m 时，预制段长度宜≤1.5 m；预制防火堤高出地面的高度为≤1.5 m 时，预制段长度宜≤2.0 m。预制段具体长度可根据施工条件调整。

（2）预制防火堤吊装验算应考虑自重荷载，单个吊装孔时以吊点为支点，按两端悬臂受力状态计算；两个吊装孔时，以吊点为支点按两端自由，中间单跨连续受力状态计算。

以一段2 m长，高出地面1.5 m（地面以下埋深0.75 m）的防火堤为例，取两个吊装孔为简支点，具体布置如图3所示。

图3 防火堤吊装验算Fig.3 Fire dike hoisting check calculation

防火堤在吊装状态下，竖向荷载主要是结构自重，防火堤受力截面宽度乘高度为0.25 m×2.25 m，防火堤自重（线荷载）为G=20.31 kN/m。

以两个吊点为简支点，受力模型如图3 所示，再根据弯矩剪力计算结果及GB 50010—2010（2015年版）《混凝土结构设计规范》[10]，核算原配筋是否满足要求即可。

4.3 构件管理

为确保预制构件加工质量，预制构件生产过程中，可以派驻监理入场监造，预制厂在加工过程中对每道工序应进行监督和监控，并对全过程进行如实、详尽的记录，在构件固定位置设置构件信息标签和二维码，进入构件现场后，各方均可通过扫描二维码了解构件的加工过程和质检记录资料，确保预制防火堤质量可控。

5 优势

5.1 现场施工作业全过程管理

预制防火堤在工厂提前加工预制，可以实现批量化加工、流水线作业、机械化操作，节约材料，预制防火堤可以在工厂完成埋地部分的防腐施工，同时预制构件工厂加工过程可控，结合现代管理手段和技术实现全过程管理。

预制防火堤现场作业过程仅包括垫层浇筑、构件吊装调整、拼缝施工等，工序简单施工作业时间短，比现浇防火堤缩短施工周期75%以上，为后续作业提供了充足的时间。预制防火堤现场如图4所示。

图4 预制防火堤现场Fig.4 Prefabricated fire dike site

5.2 减少现场碳排放及施工垃圾排放

预制防火堤与现浇防火堤相比[11]，碳排放均包括生产阶段、运输阶段、施工阶段。预制构件生产阶段的碳排放主要包括原材料开采加工过程中的碳排放和预制厂将混凝土、钢筋等原材料加工为预制构件的过程中耗费能源所产生的碳排放两大部分，通过综合比较，预制构件比现浇构件碳排放减少2%以上，减少了现场施工作业量，有效地减少了施工机械的能源消耗和碳排放。

5.3 提高预制构件信息化水平

BIM技术是以建筑工程项目的各项相关信息数据为基础而建立的建筑模型，通过数字信息仿真[12]，模拟构件所具有的真实信息，具有可视化、可模拟性以及动态管理的特点，为促进预制构件的发展提供动力。

预制防火堤为标准设计构件，设计单位可以在BIM建模中准确地输入相关参数，保证预制构件中预留孔洞和预埋件位置准确，通过建立完整的信息模型，可方便设计、加工，并减少施工过程中的问题，提高施工效率和施工质量，降低预制厂的人工成本和其他成本，同时也优化了预制构件的生产方案。

预制防火堤可以满足构件从工厂到现场直接起吊的要求，避免构件的二次吊装，通过BIM技术对加工至安装进行可视化管控，提前规避施工风险，保证施工进度，提高现场施工管理水平。

6 存在的问题

6.1 综合造价高

由于预制防火堤目前需求量小，施工模具加工费用高，防火堤的高度不固定，包括高1.2、1.5、1.8、2.0 m 等多种规格，因此批量化生产的数量较少，不能有效地摊销各项费用。同时，由于油气田地面建设项目地点一般比较偏远分散，运输距离长、运输道路条件相对较差，因此相应的运输费用高。

综上所述，预制钢筋混凝土防火堤的综合造价要比传统的现浇混凝土防火堤结构高30%左右，但随着预制构件的需求量不断增加，结合标准化设计、减少设计规格等措施，价格会逐步降低。

6.2 吊装运输难度大

按每段预制防火堤2 m长计算，单个预制构件重量在2～6 t左右，需配备相应的吊车吨位在10 t以上，由于单个构件尺寸较大，无专用运输车辆，普通车辆的单次吊装运输数量有限。同时，预制构件运输过程中如不能有效保护，存在构件破损问题，影响现场使用。

为提高运输效率，预制厂需制作相应的运输装备，增加每辆车单次的构件运输数量，采取合理的构件保护措施，尽量避免出现破损。

7 结束语

预制钢筋混凝土防火堤现场施工作业时间比传统的现浇结构施工作业节约75%以上，预制构件平整度、构件尺寸偏差均满足GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》的要求，现场应用效果良好，达到了预期效果。

预制钢筋混凝土防火堤可广泛应用于油气田站场建设工程，实现全天候、各种恶劣条件下的施工，减少了现场浇筑作业和人工作业，可以全面提升油气田地面工程的土建预制化技术水平，提高现场施工质量。