海外石油工程建设项目中的岩土工程实践.pdf

1 8 石油工程建设 2 0 1 0 年 8 月 张再 0 - ， 张吉明 2 ， 张 红 2 ， 谭文婷 3 1 ． 中国石油工程建设 集团公司，北京1 0 0 0 1 1 ； 2 ． 中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司， 北京 1 0 0 0 8 5 ；3 ． 湖南省文理学院，湖南常德4 1 5 0 0 0 摘 要 文章具体介绍 了作者亲身经历的海外石 油工程建设项 目中的岩土工程 实例 。着重点是地基 处理技 术，地 区包括非洲、中东、中亚等。通过 多年的海外岩土X - ． 程 实践 ，积 累了丰富的经验 。做 到 因地制 宜地处理各种岩 土工程 问题 ，有效地 节省 了工程投资 ．得到国外业主的好评 文章介绍的 岩 土 工程 实践 经验 和做 法对 同行 有参 考价值 关 键 词 海外 工程 ；岩 土 工程 ；地基 处理 ；方 法论证 中图分类 号 T U 4 7 2 ． 5 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 1 2 2 0 6 2 0 1 0 0 4 0 0 1 8 0 4 国际石油工程建设极富挑战性和风险性 ．岩土 工 程 包括地 基处理 是整 个工程 的重要 组成 部分 ． 一 旦 出现事故 ．极难或根本无法补救 ．要 么设 计被迫 过于保守，致使工期大幅延长 ，成本大量增加 ，造成 极 大的经 济和社 会效益损失 ．甚 至 出现灾难性 后果 在 刚 打 入 国际 石 油 工 程 项 目建 设 市 场 的 几 年 中，我们对此问题 的重要性认识不足 ，在科威特 、 苏 丹 、阿尔 及 利 亚凝 析 油 等 石 油 工程 项 目投 标 中 ， 没请岩土专家提前到现场考察和参与投标 ．结果在 岩土工程方面多埋进地下数千万美元建设资金 ．工 程亏本严重 在吸取这些教训后 ．我们对岩土工程 非 常 重 视 ．经 过 近 2 0年 海 外石 油 工 程 建设 项 目的 实 际 锻炼 ．在 岩土 工程 方 面积 累 了丰富 的经 验 ．技 术水平得到极大的提高 ．能够因地制宜地处理各种 工 程 问 题 本 文对 亲 身 经 历 的典 型 岩 土 工 程 实 例 重点 是地 基处 理方 面 进行 介 绍 ．以供 同行 参考 。 1 阿尔及 利 亚凝 析油 S C2场 区 该场 区 2 0年 前 打 的 2个 钻 孔 在拟 建 5个 大 罐 区 域 附 近 约 3 0 ． o m 处 ．按 这 2个 钻 孔 资 料 推 测 ． 大罐基础位置在地下水位以上 ．该深度上下地层变 化较大 ．存在厚约 3 m软黏土夹层 初步设计认为 储罐 作为一种特殊 构筑物 ．对不均 匀沉降非常敏 感 ，要 求地 基 压 缩性 一 致 ，层 次 、厚 度 变 化 不 大 ， 使 用 后 变形 要 均 匀 当天 然 地 基 不 能满 足 稳 定 性 、 变 形 和承 载力 要求 时 ．就要 进行 地基 处理 ． 因此 拟 采用 强夯 处理 或桩 基处 理 场 区建设 开始 前一 年 又进行 了地 质勘 察 ．钻 探 时多 处遇 到 了孤石 或 卵石 ．钻不 下 去 ．勘 察 单位 误 以为 是碎 石层 ．该 深度 正好 是 5个 大罐 的拟 定基 础 持力 层处 ，且 未见 地下 水 ．场 区附 近无 断层 。因此 认 为 该地 基不 需处 理 对 比时隔 2 O年 的 2次 勘 察 的测 量 地 形 图 ．发 现场区南侧 现有 的 5 ． 0 m深沟在 2 0年前并没有连 通 ．当 时该沟 处是 多个 深坑 ，深 坑下 部 为隔 水性 能 好的黏土 上部为渗透性能良好的粉土夹砾砂 ．场 区拟 建 区域受 深 沟积水 和 渗透作 用 ．因此 地 下水 位 当时 较高 更 为重 要 的是第 一次 勘察 时 的 2钻孔 位 于山坡的冲沟中．而第二次勘察时的拟建区域在 2 个 冲沟之间 因此要求先将场 区整平至 0 ． 0 m处 比拟建 罐 基础 底 面 高 1 ． 0 r n处 ，再 进行 钎 探 钎 探 结 果显 示 。地下 水位 在基 础下 2 m处 ，基 础底 以 上 为承 载能 力 2 5 0 k P a的粉 质黏 土 ．其下 为 承载 能 力 4 0 0 k P a的碎 石 土 或无 喀 斯特 现 象 的基 岩 从 而 证实了前后两次勘察水位均是合理的．第二次勘察 关 于基 础附 近深 度 有 孤 石或 卵石 的深 度 已经 是 碎石层的判断是不正确的 ．但孤石或卵石数量少不 致 于导致 基础 不 均匀沉 降 由于要 求 大 罐 基 底 承 载能 力 为 2 2 0 k P a ．经 沉 降计算发现大罐的均匀沉降和差异沉降均符合设计 要求 ．因此现 场会 议决 定取 消该 5个 大 罐进 行强 夯 羊 第 3 6卷第 4期 张再 良等 海外石油工程建设项 目中的岩土工程实践 1 9 或桩基处理 的原设计 ．采用 天然地 基 ．直接节省地基 处 理费用 3 0 0多万 美元 ．避免 了 3 个 月 的地 基 处理 工期 。 2 阿 尔及 利亚斯 基 格达 S Cl罐区 该场区位于深厚软土区，原为水洼地 ．现稳定 地下水 位 为 1 ． 0 m，基 岩深 度 大于 4 5 ． 0 m．地下 0 ． 0 ～ 4 ． 0 m 层 为 高 液 限 软肥 黏 土 ．地 下 4 ． 0～8 ． 0 m 层 为砂 层 ．有 中等 ～严 重液 化趋 势 ．地下 8 ． 0～1 3 ． 0m 层 为 可 塑一 硬 塑 黏 土 ．地 下 l 3 ． 0～4 0 ． 0 m 层 为 厚 层软肥黏土 场区位于 1 1 a地震 区．建筑场地类别 为 S 4 。设计要求复合地基承载能力 2 2 5 k P a ．大罐 运 营期 间沉 降量 不 超 过 3 0 0 m m 根 据 场 区 工 程地 质条 件 ．场 区高大 建 筑 物 采 用 直径 1 m 的旋 挖 桩 ， 油罐地基采用振冲碎石桩与充水预压联合治理 我 们 的 岩 土 专 家 成 功 说 服 了 阿 尔 及 利 亚 业 主 、印 度 监 理 和 阿 方 国家 技 术 监 督 委 员 会 C T C 代 表 ．取 消 了 主装 置 区 补 2 6根 直 径 8 0 0 m m、 长 4 6 m的通长配筋旋挖桩 的要求 ．说 服各方取 消管 架基础钢筋混凝土连梁 ．节省 费用 约 3 0 0多万美 元 ．同时节 省工 期 1 个 月 。 场 区振 冲碎 石 桩 ，桩 径 1 ． 0 m。桩 距 1 ． 7 5 m， 桩 长 有 两 种 ．中 心 区桩 长 1 5 ． 0 m 和 边 缘 区 桩 长 2 3 ． 01 1 3 经碎 石桩 处 理地 基 后 1 个 月 进行 检 测 ．复 合 地基 承 载 能 力 只有 2 0 0 k P a ．达 不 到 2 2 5 k P a的 要求 设 计单 位认 为 以往 同样 软 的地 基 上振 冲碎 石 桩与 充水 预压 联合 治理 油罐 地基 是成 功 的 ．这次 承 载力 不达 标是 桩基 施工 单位 的施 工 质量 问题 桩 基 施工单位认为他们严格按设计要求操作 ．经动力触 探抽检单桩的击数都较高 ．发掘桩体 的密实 、连续 性好 ．是设计存在问题 勘察单位认为地质勘察没 有 问题 ．欢迎 抽检 。绝 大 多数 人认 为复 合地 基处 理 不合 格 ．需要 在 已有碎 石桩 处 理基础 上 再进 行其 他 地基 处理 如地基 需要 再处 理 ．工 期将 耽误 4个 月 以上 ．施工 队近 1 0 0 0人 将 不得 不 等 3个 多 月方 可 进场施工 ．地基处理成本将大幅升高 ．中方施工 队 伍 在阿 尔及 利亚 的形 象将 受到 不利 影 响 。 经分析研究 最终确认该复合地基 处理是合格 的 ．不需 要 在 已有 碎 石桩 处理 基础 上再 进行 其他 地 基处 理 这一 结论 的社 会 效益 与经 济效 益是 显 而易 见 的 。造 成误 解 的主 要原 因如 下 1 对该联合地基处理方法的原理不理解。通 过碎石桩复合地基改善地层土质条件 ．对复合地基 承 载 力 起 重要 作 用 的 地 下 0 ． 0 4 ． 0 m 层 桩 问 肥 黏 土 ．其 承 载 能力 经碎 石 桩 处 理会 有 时 间恢 复 效 应 ． 即 桩 间土 承 载 能 力 会 由刚 完桩 时 的 9 0 ％ 左 右 ．随 时 间推移慢慢恢 复到 以前 的 1 3 0 k P a ．甚 至更 强 在油罐投产前采用充水预压加固 ．会使沉降在短期 内得 到 完成 或大部 分 完成 。同时复 合地 基承 载能 力 会进一步提高约 1 0 ％～3 5 ％．黏性地基上提高幅度 较小 ．砂 性地 基上 提 高幅度 较 大 按 充水 预压 最小 提高幅度 1 0 ％ 计算 ，运营期间复合地基承载力为 2 0 0 1 1 0 ％2 3 0 k P a ，大 于 2 2 5 k P a的要求 。 2 土建设计与地质条件 、施工条件脱节 ，忽 视 实 际工况 实 际工 况是 罐基 与碎 石桩 顶之 间有 一 层 3 0～4 0 c r n厚 、压实系数 9 3 ％ 以上 的碎石垫层 。 从 最初 的几 个静 载试 验情 况初 步发 现一 条规 律 如 果 静载 试验 模拟 了设 计要 求 的有压 实碎 石垫 层 的实 际工况 ．则检测结果合格 ；反之 ．就出现检测结果 异 常 通过 对最早 的 4个 异常 的试 验结 果分 析研 究 发现 ．这种异常主要是试验没有模拟设计要求的实 际工况所造成的．其次是土体性质和降雨对试验结 果 都有 影 响 最 早 的 4个 异 常试验 结果 只是 一种 暂 时 的中间值 ．是一种假象 。不是真实的最终实际承 载 能力 ．地 基 强 度 随着 时 间 的 推 移 将 有 一 定 的 提 高 ．没 有模 拟设 计要 求 的实 际工 况可 以通过模 拟 设 计要求的实际工况纠正。降雨对试验结果的不利影 响可 以通过 采取 防水 措施 来 大大 减少 充 水预压 将 提 高 2 5％ 左 右 的地 基 承 载能 力 ．可 作 为 一种 安 全 储备。 3阿 联 酋 A DC OP项 目原 油 管 道 终端 站 MoT 基础 处理 本工 程拟 先清 理现 地 面杂 土 ．再 捞海 砂为 填土 材 料 ．预 填 高 6 ． 0 m，再 选 用 振 冲法 、强 夯法 、振 冲置换法 、充水 预压法 、强夯 充水预压法等其 他 地 基处 理方 法处 理 ．基础 方案 选择 直接 坐落 在改 良后 的土 壤 上 通过 比选 ．本场地最优方案为强夯法 ，其次为 振 冲法 原 因分析 参 见表 1 值得注意的是 其一 ，地质剖面图显示各罐附 近地层总体 “ 较陡” ．对罐不利 其实各罐附近总 体地层水平走 向。对罐有利 。其二 ，强夯会破坏罐 底岩 层顶 面 ．一般 情 况下破 坏原 始地 层对 工程 是不 利的但在本工程 中．强夯破坏罐底岩层顶面中的 突 出部分 对罐 是有 利 的 ．有 助 于减少 罐 的不均 匀沉 2 0 石油工程建设 2 0 1 0年 8月 表 1地 基 处 理 方 法 对 比 项 目 振冲法 强夯法 振 冲置换法 充水 预压法 强夯 充水预压法 需水量 大 不需要 大 大 大 需 集水坑 或长软管 ． 不需 要 排水 坑 ．场 需排水坑或长软管 ． 不需 要排 水坑 ．无 噪 不需要 排水坑 或长 软 排水坑， 噪声 影 响环境 。 内噪声大。 影响环境 。 声 ，不影响环境 。 管 。场内噪声 大。 工 期 较 短 短 较 短 长 长 可 预计造价 较低 最低 较高 较 低 中等 额外 T作量f 难预计造价 中 少 中 较多 较多 材 料 用 量 较 小 较 小 大 较 小 较 小 施工难度 中等 易 中等 中等 较大 地基处理深度 能达到 能达到 能达到 能达到 能达到 绝对沉降量 中 ．满足要求 小 ．满足要求 中．满足要求 较大 ．满足要求 最小 ．满足要求 差异沉降 中 ．满足要求 小 ．满足要求 中．满足要求 较大 ．满足要求 最小 ．满足要求 液化 消除 满足要求 满足要求 满足要求 不一定 满足要求 地基 承载能力 基本保险 保险 较保 险 较保险 保险 设 备运 输 费 中 口 ] 中 低 d 1 降．有利于减少罐底板不均匀受力而引起的变形。 振冲法和强夯法均能满足罐安全要求 ，但强夯 法 更 安 全 保 险 承 载 能 力 和 液化 消 除 裕 度 相 对 较 高 ，工期 、造价和材料要求更低 ，因此将强夯法 作为首选地基处理方法 ．有效保证了该项 目工程质 量 ．避 免 了工程 工期 延误 和成本 浪 费 4 苏 丹穆 格莱 德盆 地 油 田生产 设施 工 程 苏 丹 穆 格 莱德 地 区膨胀 土 自由膨 胀率 6 9 0 ％．为 强 膨 胀 潜 势 膨 胀 土 ．浸 水 后 最 大 膨 胀 压 力 为 2 6 0 k P a ．无 荷 载 状 态 下 最 大 自 由 膨 胀 量 为 5 2 ． 1 6 mm．其 静 探 侧 摩 阻力 远 大 于 国 内 规 范 推 荐 值 ，不 能将 其他 地 区经 验公 式套 用 到该地 区。土 壤 中含水 量 的变化 是 土壤 产 生胀缩 变形 最关 键 因素 钢 管 桩基础 是 这里 一切 重要 设 备 的首选 基础 类 型。各建筑物场区应有一定坡度 ．并 留有 排水沟 ， 使地 面水 直接 流人 排水 系统 ．减 少 形成 地面 积水 机 会 ．所 有 建筑物 及设 施 周 围地 面宜采 用外 排 水 ．落 水 管 下 端 距 散 水 面 不 应 大 于 3 0 0 mm 基 础 周 围 3 ． 5 I l l 散水 坡下 部应 覆 盖不 透水 材料 ．把 雨水 引走 ． 使 基 础周 围湿 度保 持较 为稳 定 不 透水 层可 采用 混 凝 土 或 沥 青 铺 成 ．散 水 面 采 用 混 凝 土 或 沥青 混 凝 土 ，其厚 度为 8 0～1 0 0 mm，宽度 不 少 于 1 ． 3 m，坡 度为 2 ％ ～5 ％。场区的自来水管道 、雨水管道 、污 水管 道及 其他 生产 用气 、水管 道 的设计 和施 工 ，应 避免 管道 漏水 引起 地基 土膨 胀变 形 而影 响建 筑物 和 设施的正常使用；对高压 、易燃 、易爆管道及其支 架基 础 的设计 应考 虑地 基 土不 均匀 膨胀 变形 所造 成 的危害 ．并根据使用要求 ，采取适当措施。因场地 土壤具强膨胀性 ．应禁止在建筑物周围 4m以内种 植树木 、花草 ，避免 因灌溉使土壤含水 量发生变 化 ．致使地基土产生变形 。基础开挖后要及时回填 或 施工 ．避 免 曝晒 或被雨 水浸 泡 而引起 土壤 含水 量 变 化 ．造成 胀缩 变形 。 采 取这 些岩 土 工程措 施 ．消 除 了该 项 目工程 隐 患 ．避 免 了工期 延误 和成 本 浪费 5 乌 兹别 克斯 坦 中亚 管道 工程 WKC 1站 该工程场区地表为风成松散砂层 ．地表细砂具 有 湿 陷性 ．但 是 该 层 很 薄 ，平 均 厚度 0 ． 6 m．最 大 厚 度为 1 ． 8 r n ．基 础埋 置深 度不 小 于 1 ． 5 m，因此 不 考 虑 地表 砂 的湿 陷性 场 区局 部 发 现零 星 盐 渍 土 ． 但 处在 建 筑物 范 围外较远 处 ．因此 不 考虑地 基 土 的 溶 陷性。故该场区无需湿陷性或溶陷性地基处理 ， 直接采用天然地基 。 设计过程中．乌兹别克斯坦 U Z L I T I 设计院根据 地 质报 告 中土层 局部 氯 离子 含量较 高 ．认为 下 雨或 管 道局 部破 裂会 使 地基湿 陷 ．要求 修 改地质 报告 关 于不考 虑地 基 土 的湿 陷性 和 溶 陷性 的结论 ．总 图需 调整和重新局部征地 ．所有管道和建筑物需采取一 系列 防水 措施 ．这 将导 致工 程投 资和 工期 的 巨大浪 费 。我方 据理 力争 ，摆 出充 分理 由 场 区位 于 干旱 沙漠区．最大年降雨量仅 1 3 6 mm，勘探深度 2 2 ．0 m 范围内未见地下水 ．无战争情况下管道埋深 1 ． 0 m不 会 破裂 ．且水管 道 数量很 有 限 ．场 区各土层 渗 透性 能均 良好 ．基础均坐落在力学性能很好的碎石土层 上．湿陷性或溶陷性并不是 由氯离子含量推断 ．而 是根据现场大面积湿陷性或溶陷性力学试验确定的． 第 3 6卷第 4期 张再 良等 海外石油工程建设项 目中的岩土工程实践 21 最 终说 服 了 U Z I L I T I 设 计 院和 U Z G A S H K勘 察 院 收 回错误处理意见 ．避免了工期将延期 1 年的严重后 果 和超 过 5 0 0万 美元 的经 济损 失 6 哈 萨克 斯坦 4号 压气 站 该 站 近 地 表 1 5 ． 0 m 范 围 内全 为粉 土 ．大部 分 区域勘察孑 L 深不到 1 0 ． 0 m．土工试验分析显示所取 深 度超 过 1 0 ． 0 m 的土样 没有 湿 陷性 ．深 度 小 于 1 0 ． O m的土样具有湿陷性 ．勘察单位建议湿陷性土 层 深 度 为 6 ． 0 1 0 ． 0 m 场 区位 于 7度 地 震 区 ，勘 察 深度 内未 见地 下水 设 计单 位认 为根据 勘察 报 告 的建议 和 中 国国 内经 验 ．可 以进 行地 基 处理设 计 和 建 筑结 构设 计 但我们认为勘察报告中 “ 建议湿陷性土层深度 为 6 ． 0～1 0 ． 0 m” 是 站 不住 脚 的 ．也 未 提供 设 计 要 求 的相关动力参数和地基处理建议。仅有的一层土 未钻 穿 ．大 部分 区域 大 于 1 O ． 0 m 的深 度并 未 勘察 ， 更 无试 验 数 据 证 明大 于 1 0 ． 0 m 深 度 的土 没 有 湿 陷 性 ．因此无 法 确定 地基 处理 深 度 ．土建 沉 降计算 和 结构 防震设 计 无法 进行 。地 质 报告 不合 格 ，需补 充 勘察和确定地基处理方案。 业主原来 的 E P C合同包 中并 不包括补充详细 勘察 和地 基处 理 费用 ．经 我们 阐 明上述 理 由，业 主 心悦诚服地在 E P C合同包中合理增加了上述费用 ， 给 我公 司挽 回直 接经 济损 失 5 0 0多万美 元 。 7斯基 克达 炼 油厂 油罐 建设 我们 的岩土专家在审图时发现该工程油气集 输设计和土建专业原设计 中．各油罐与外 围管道用 钢管和常规法兰联结 。我们指出深厚软土地基上 油 罐不 能用 钢 管和 常规法 兰联 结 ．因为根 据荷 载一 沉 降 速率一 时 间 曲线 见 图 1 和荷 载 ～沉 降 量一 时 间 曲线 见 图 2 计 算 ，这 些 油 罐 在 未 来 1 0年 的沉降量远大于钢管和常规法兰联结 的允许垂直沉 降量 ．必须采用允许垂直变形达 2 0 e m 以上的膨胀 节 ．且 必 须 预先使 膨 胀节 在 靠近 罐 的一 端 预 高 8 m 以上 否 则 各 油 罐 外 管 道 会 被 拉 弯 或 拉 断 ， 油罐 将在 5年 左右 报废 ，将 出现灾 难性 后果 。对 方 采纳 了我们 的意见 ．该工程 已经完工 1 年 ，各大罐 未见 任何 异常 8 乌 兹别克 斯坦 W KC 2 KC3压气 站 工 程 我们 的岩土 工程专 家 在该 项 目投标 前 指 出了业 主亚洲天然气输气公司 A T G在招标文件 中存在 的问题 8 0 0 2 0 0 生 。 罐 宦 荷 载 ／ ＼ 1 ． ＼ ．至 直 沉 降 速 率 、 l 』 1 ， ． ． ． ． 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 1 -- 1 8 0 2 时 间， d 图 1 荷载一 沉降速率一 时间曲线 2 0 4 0 6 O 8 0 1 o o 1 2 0 1 40 1 6 0 l 8 O 2 0 o 时间／ d 图 2荷 载 一 沉 降 量 一 时 间 曲线 1 当地勘察单位和国家地震局提供的 WK C 3 站抗 震设 防烈 度 7 ． 5度是 不合 理 的 。 2 勘察 报告 未判 明场区有 无 湿陷性 及其 湿陷 等级 ，未提供地基动力参数 、最优含水量和最大压 实密度等设计参数 ．使土建 、结构与总图设计无法 进行 或无 法确 定 。 3 勘察报告由乌兹别克勘察单位提供 ．设计 由 中 国 设 计 院 C P P E 完 成 乌 方 勘 察 单 位 确 定 WK C 3站 地 基 的 厚 层 细 砂 按 当地 勘 察 规 范 为“ 松 散”是正确的．但是 中方设计单位不能按 “ 松散细 砂 ”地基 设 计 ．必须按“ 总体 中密 细砂 夹薄层 稍密 黏质砂土”设计 ．因为乌兹别克勘察方的 “ 松散细 砂”等价于 相 当于中国的 “ 总体中密细砂夹薄 层 稍密 黏质 砂 土” 4 风 积砂 土上 进 站道路 长达 6 ． 3 k m．将 严 重 影 响设 备 与材料 进场 ．应 优化 为 3 ． 3 k m 经我方 有 理有据 的说服 工作 ．各方 一 致 同意将 场 区的合 理抗震设 防烈度定为 7度 ．场 区无湿陷 性 ．按“ 总体 中密 细砂 夹薄层稍 密黏质砂土”设 计 ．进站道路优化为 3 ． 3 k m．避免 了采用桩基或强 夯 的地基处理方案 ，促进了土建 、结构、总图和防 腐 的设计 优化 ，减 少 了建设 成本 约 7 0 0万 美元 ，避 免 了超过 3个 月 的工程 延误 。 作 者 简介 张再 良 1 9 6 8 一 ， 男 ，湖 南宁 乡人 ，高级 工程 师 ， 1 9 9 1 年毕业于大庆石油学院石油加工专业．中国科学院项 目 管理硕士在读．主要从事国际石油工程建设的管理工作。 收稿 日期 2 O l O 一 0 4 1 2 加 m O 一 目 眦 ＼ 褂 世避矧 褥稼