鞍钢化工总厂7＃烟囱纠倾扶正工程实践

丛开晓 吕军 王德军

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摘  要：高耸构筑物纠倾因其高灵敏度而使纠倾工作的复杂程度及难度增高。本文介绍一座高度70.1米,倾斜率达14.84%的大型烟囱,在不影响正常生产,保证其结构完好无损和周围建筑物安全的前提下,克服场地条件的局限,纠倾扶正取得圆满成功的工程实例,为我国同类型构筑物纠倾技术提供成功的经验,供同行参考。

关键词：高耸构筑物纠倾扶正加固

1工程概况

鞍钢化工总厂为我国钢铁企业巨头－鞍钢集团属下的大型化工企业，主要生产炼钢焦炭，兼营其他化工产品。厂区内分布大小烟囱数十座，多为年代久远之构筑物，其中承担主要生产任务的7＃烟囱始建于上个世纪三十年代，至今已有70年历史。近年来的观测资料显示，该高达70米的钢筋混凝土烟囱已发生严重倾斜，倾斜率高达14.84‰。由于已严重超出国家规定标准，理应立即拆除重建或纠倾扶正。考虑拆除重建费用高昂，尤其是昼夜运转的炼焦高炉不能停产，建设单位决定实施纠倾扶正。

2场地概况

该场地位于化工总厂8＃、9＃炼焦炉旁，烟囱东西两侧均设有铁路轨道，相距10米。一侧为焦炭出炉后洗焦所用，一侧为成品焦运至各大厂区所用。烟囱北侧为泵房，南侧为铁制爬梯及各种室外管道和电工房。平面分布详见图1

图1场地平面分布图

该场地极其狭小，并且施工前基础及地质情况无资料记载，后经工程技术人员采用洛阳铲反复探测，查明基础型式为分阶圆形钢筋混凝土基础，直径达12米，埋深6米，一部分基础位于铁路轨道之下，基础剖面详见图2。资料不详、场地狭小、铁路运输、加上炼焦高炉产生高温及毒害气体等因素，使场地施工条件异常艰苦。

与基础一同查明的场地地层条件如下：

杂填土：

由碎砖、块石、碎石、木板、木方、腐锈钢筋、粉质粘土等组成，成份复杂，层厚2.3米。

粉质粘土：

原状土。黄褐色，呈软塑∽硬塑状态。揭露厚度4.0米。仅在南侧地基土中发现地下水，水位埋深2.0米，2.0米之上地基土含水率大。

 
图2基础型式剖面图

3倾斜状况及原因分析

3.1倾斜状况

四川省建筑科学研究院与鞍钢冶金建（构）筑物鉴定评估中心于1998年10月对该烟囱的结构及倾斜状况进行鉴定；本次纠倾正式实施前，鞍钢建设集团公司对烟囱的倾斜状况进行纠倾前的基准测量工作。其结果列表如下：

7＃烟囱倾斜状况一览表

表1

3.2倾斜原因分析

该高耸构筑物基础座落于粉质粘土之上。

由于场地西南侧的洗焦炉每隔半小时就要浇洗一大车厢的出炉焦炭，大量的洗焦水漫流地表，虽最终流向南侧水池，但地表始终处于积水状态，地表积水不断渗入地下造成地基土长期受洗焦水浸泡，且在地表反复动荷载（铁路运输）的作用下，南侧地基土软化，承载力较之北侧有所降低，进而基础产生不均匀沉降，导致结构倾斜。

同时由于烟囱重心逐渐偏移，南侧地基土承受荷载逐渐偏大，偏心受压使倾斜进一步发展。

4纠倾设计

4.1纠倾方法

高耸构筑物对于纠倾而言灵敏度极高，该烟囱基础又为圆形，回倾方向与速率难于控制，宜选择迫降纠倾法。虽然在基础范围内的填土成份复杂，但基底以下的地基土成份单一，稳定性较好，且基础埋深较大，宜采用辐射井射水取土方法。利用高压射水枪在基底下某一区域内射水成孔，楔形抽取承载上部荷载的一部分地基土，造成局部基础下沉，带动上部结构回倾，最终达到纠倾的目的。

4.2纠倾设计内容

4.2.1回倾量与取土量

根据国家现行规定的标准，本次纠倾达标后倾斜率≤5‰，即倾斜量≤350.5mm,由此确定回倾量最低为1040－350.5＝689.5mm,根据相似三角形原理，确定满足该回倾量所需取圆楔形（形似西瓜片）土体19m3。

4.2.2辐射井与射水孔

（1）布置辐射井：在烟囱北侧布置两眼辐射井，相距5.2 米，内径1.2米，井深8.5米，对称分布在倾斜方向中轴线两侧；
（2）拟定转动轴：垂直倾斜方向，距圆心3/5R(R为基础圆半径)设定转动轴；
（3）布置射水孔：在转动轴及垂直转动轴圆的弦上以0.8米间距设立射水孔末端位置点，该点与两个辐射井中心的连线即构成一条射水孔通道，每眼辐射井按此规则布置28个射水孔，呈辐射状均匀交叉分布于基础底面之下；孔深5.0~11.4米不等。平面分布详见图3。

图3辐射井射水孔平面布置图

射水孔孔径设计为150mm，水平成孔，直至拟定转动轴处，枪口出水压力1.0Mpa，出水量40L/min。剖面见图4。

图4烟囱、辐射井剖面图及烟囱投影平面图

4.2.3射水顺序与周期

两眼辐射井的射水工作同时进行，第一次射水按一间跳射水孔进行，即先按单号射水孔进行射水，待两眼井的单号射水孔全部达到设计深度后再施工双号射水孔，射水周期要与回倾速率密切结合。烟囱的最初回倾速率控制在30mm/日，在射水及回倾进入规律阶段后，回倾速率控制在50mm/日，当烟囱的回倾数值与纠倾达标数值相差300mm时，放慢射水频率与强度，当回倾数值与达标数值相差100mm时，射水工作暂停，观察一个星期，根据回倾稳定状况，再调整射水强度，直到达到规定标准值。

4.2.4回倾监测

根据规范及合同约定，纠倾达标后倾斜率应≤5‰，建设单位委托第三方具备资质单位对烟囱进行回倾监测。正式纠倾前详细测量做为基准纠倾值，每日按固定时间进行观测并在第一时间将结果呈报项目经理部，每日观测一次，异常情况随时监测，加固工作完成后每两天观测一次，直到5次结果均显稳定。之后每两个月观测一次，直到一年。采用测水平角法确定烟囱倾斜状况，仪器观测的技术要求如下：

（1）纠倾工作开始前和结束后，应严密观测烟囱倾斜状况，观测四个测回，各测回起始度盘数应为0o、45o、90o、135o。

（2）纠倾工程开始后应每日观测一次，每次观测一个测回，两次照准目标读数应小于6″，一个测回内2C互差应小于13″。同一方向各测回互差应小于8″。

（3）观测应在通视良好，呈像清晰稳定时进行，晴天的日出、日落和中午前后不宜进行观测。仪器在使用前应进行检验，观测中严格控制水平气泡偏移。

（4）本观测工作执行JGJ/T8－97《建筑变形测量规程》。

4.2.5回填加固

烟囱纠倾达标并稳定7~10天后，对射水孔进行回填加固。加固材料为双灰料，即生石灰7：粉煤灰3，用射水枪逐个回填夯实。

辐射井在基础底面之下采用双灰料混粉质粘土回填。每层50cm，逐层夯实，直到地表。

5.纠倾施工

5.1辐射井的建造

在设计位置开挖辐射井，采用人工挖孔砼护壁方法成井，每下挖1米进行一层砼护壁，直到设计深度。设计采用C15混凝土护壁，但施工采用C25混凝土以防止上部动荷载对井壁产生破坏；在基底之下30cm处预留射水孔，井壁上预留1米长φ73钢管，一端打入粉质粘土中；井口处砌成高出地表20mm的井沿，防止异物掉入井中。特别说明的是，2＃辐射井因泵房基础的影响，无法在地表开挖成1.2米井径的辐射井，施工中将上部井口挖成近半圆形，泵房基础之下扩大成1.0米直径，直到井底。

5.2蓄水池与沉淀池的建造

高压射水枪在工作时，需要大量的水供应，同时射水取土产生大量的泥水混合物，需要不断地排污。本施工将蓄水池与沉淀池合二为一，于烟囱北侧筒身与泵房之间建造一大型水池，蓄水采用泵房内浇炭供水管道供给，阀门控制，定期补充水量；污水自井内排出入池后，经两道沉淀程序达到可反复利用目的，详见图5。

图5蓄水沉淀池构造图

5.3射水取土

两眼辐射井两个射水机组同时工作。

1号井先从28＃射水孔开始，2号井从29＃射水孔开始，之后间跳成孔：

1号井：28＃→26＃→...→4＃→2＃

2号井：29＃→31＃→...→53＃→55＃

设计要求从单号孔开始，施工中考虑安全性，决定先从北侧靠拢中轴线的位置取土，再分别对称向外扇形展开，保证取土从中间向两边，从北侧向南侧推进。实际回倾效果看，此法保了证回倾的方向性与渐变性。

一间跳成孔结束后，各井再次从中间向两侧展开其余各孔的射水工作：

1号井：27＃→25＃→...→3＃→1＃

2号井：30＃→32＃→...→54＃→56＃

各射水孔孔深执行设计深度。

第一遍射水取土为“成孔”工作，速度缓慢，每延米进尺控制在5分钟左右，反复冲射直到完成。第二遍以上的射水为“透孔”工作，即在原孔位反复冲刷孔壁塌陷的地基土，如此往复，根据回倾监测结果不断调整透孔频率与强度，控制回倾方向与速率。特别说明的是，因烟囱两侧铁路动荷载的影响，射水取土纠倾工作变得极为复杂。施工中曾发现在对1号、2辐射井进行相同的射水工作时，烟囱在主方向呈规律回倾的同时，次方向倾斜量有逐渐增大的现象。研究发现，烟囱东侧铁路正好位于基础之上，致使东侧基础承受荷载较大，且运输繁忙，施加地基土的动荷载强度与频率亦较西侧大得多，造成在地基土中对称均匀取土的条件下，东侧基础下沉降量较大，致使烟囱有一段时间东向倾斜量较大。查明原因后，技术人员立即调整1号、2号井射水取土频率与强度，制止该现象的进一步发展。在恢复主方向均匀回倾的同时，缓慢向西纠正。

不断流入井底的污水用污水泵及时排入污水池中，沉淀后循环使用。定期对井底和污水池进行清淤处理。

5.4纠倾监测

纠倾施工中，测绘人员周密观测，及时掌握该烟囱的回倾速率及方向。

烟囱回倾量一览表

表2

5月1日正式射水，5月25日结束射水工作，5月26日至6月3日为稳定观察期。5月28日烟囱的倾斜量为：南倾8.3cm，倾斜率为1.18‰，东倾为9.7cm，倾斜率为1.38‰，5月28日之后，该高耸构筑物一直处于稳定状态，6月12日回填加固结束后，测量结果仍为上述数值。此后施工人员撤离现场，鞍钢建设集团公司仍定期对该烟囱进行监测，为期一年，无任何发展。

5.5回填加固

2001年6月4日开始实施回填工作，材料为生石灰7∶粉煤灰3。用专用掏土工具将填料运至射水孔孔洞，每50cm为一段，用射水枪逐段夯实。

辐射井的回填在基底之下采用生石灰4∶粉煤灰2∶粉质粘土4回填，每50cm为一段，回填夯实；基底之上部分全部采用含水量低的粉质粘土回填，恢复地面。2001年6月8日完成回填工作。

6.结语

（1）该高耸构筑物在场地施工条件异常艰苦，纠倾技术应用受到限制的条件下，克服各种困难成功完成纠倾扶正，结构未产生任何损坏。

（2）该构筑物由14.85‰的倾斜率最终变为1.3‰，小于规范规定≤5‰的允许标准，纠倾技术精确、实用。

（3）辐射井射水取土方法对于该类型的纠倾工程十分适用，安全和经济相得益彰。

（4）该高耸构筑物的纠倾扶正是我省首例工程，其技术水平已达到国内同类工程领先水平。在决不影响正常生产秩序和收益水平前提下，短时间内使构筑物“转危为安”。鞍钢集团决定陆续对其集团内各公司类似的倾斜建（构）筑物实施纠倾扶正，创造巨大的经济与社会效益。

参考文献：

[1]《铁路房屋增层和纠倾技术规范》（TB10114－97）?北京?中国铁道出版社?1997

[2]《既有建筑物地基基础加固技术规范》（JGJ123－2000）?北京?中国建筑工业出版社?2000