永冻土、季节性冻土、冻土沼泽地段长输管道大开挖施工

冯大永

（辽河石油勘探局油田建设工程一公司，辽宁盘锦 124010）

0 引言

中俄原油管道漠河—大庆段起于漠河首站，终于大庆末站，线路全长926 km，管径为813 mm。沿线多年冻土可分为连续多年冻土区、不连续多年冻土区、岛状多年冻土区及季节性冻土区。由于位于高寒地段，冬季积雪时间长达3至5个月，积雪厚度0.1～0.5 m，局部达1 m以上。季节性冻土冻层厚度为1.5～2.5 m，永冻土地段地表0.5 m以下均为冻层。为避免管道施工对周围环境的影响和冻土融化对管道的影响，需要在冬季进行施工。

永冻土地段管沟开挖施工中采用液压单钩挖掘机松动表层冻土，单斗挖掘机配合清理；冻土沼泽地段采用分层开挖方法施工，大大提高了施工质量和施工进度。

1 施工程序 （见图1）

2 施工机具的配备及要求

（1）根据寒季施工特点，地表冻层较厚，管沟开挖困难，施工前应提前准备开挖冻土的专用设备，即单钩液压挖掘机，将液压挖掘机单斗换成单钩，可以勾松坚硬的强风化岩石、冻结土等。单钩用16锰钢材制作而成。

图1 施工工艺流程

（2）多年冻土地区严寒的气候条件、恶劣的施工环境以及冻土的特殊工程性质，要求施工机械必需具有良好的技术性能。

（3）寒季平均温度-20℃，为了保证设备的正常冷启动，必须采取相应措施。

（4）施工机具、设备应作保温准备。

3 管沟开挖

3.1 多年冻土区和季节性冻土地段机械开挖

（1）根据寒季施工特点，地表冻层较厚，管沟开挖困难，冻土管沟开挖可以采用单钩液压挖掘机、液压凿岩机进行破碎、松动，液压挖掘机配合清理管沟。管沟开挖后沟槽内冻结速度较快，如果不能一次成型，则二次清沟、开挖冻土将非常困难，应尽量避免发生二次修沟。因此单钩液压挖掘机及液压凿岩机应选择功率在360 kW以上，以确保一次开挖成功。

（2）管沟开挖首先采用单钩挖掘机直接骑在管沟中心线上倒退的方法开挖，以充分提高液压单钩挖掘机的松动和清理能力。利用接触点的作用力将冻土层切成块并翻松，因管沟深度较深，松动工作应分两层进行，第一层松动后马上采用液压挖掘机将冻块清理出管沟，然后进行第二层松动和清理工作，直至达到设计挖深要求。

（3）管沟开挖出的表层冻土块应该放置在熟土堆放侧，下层冻土块应放置在生土堆放侧，为保证管道下沟正常进行，熟土堆放侧及生土堆放侧的冻块应采用液压凿岩机破碎后，采用液压挖掘机进行平整，以保证下沟设备行走通道平整。

（4）个别冻土地段因周边地下水位较高，尤其是林区地段，分布着很多冰锥和冻胀丘，周边地下水沿开挖管沟边侧的缝隙渗漏和涌入管沟形成冻层，施工中应每隔1～2 d，采用单钩挖掘机或者挖掘机进行松动，以避免沟内积水完全冻结，给管沟清理带来麻烦。

（5）因冬季施工气温较低，设备启动较为困难，设备一旦熄火，启动相当困难，因此管沟开挖应采取设备连续运转，实行人休机不休，设备操作人员进行三班倒班作业，确保整体施工进度。

（6）管道下沟前应采用单钩挖掘机配合液压挖掘机清除管沟内的积雪和积冰，以保证管沟的深度和宽度，确保管道敷设安全。

3.2 冻土沼泽地段机械开挖

在冻土沼泽地段进行了多次的管沟试验段开挖，在试验中发现，常规开挖管沟的方式无法将管沟开挖成型，管沟开挖必须分两次开挖，才能满足设计要求。管沟开挖应集中力量抢挖抢下，每500 m为一个分段开挖，一旦具备下沟条件，立即组织下沟、稳管、回填。 具体施工程序如下：

（1）在上层土壤没有完全冻结前进行开挖，第一层管沟开挖上口宽度为8 m，以保证挖掘机在第二层开挖过程中能够自由旋转，管沟开挖的土石方尽可能堆放到较远的位置，便于堆放第二层开挖出的土石方。

（2）第一层管沟开挖完成后，待第二层砂砾石层没有完全冻结前进行第二次开挖，管沟开挖过程中因砂砾层渗水性较强，淤沟、塌方严重，在管沟开挖过程中应适当加深管沟开挖深度，根据现场试验段管沟开挖发现，管沟开挖深度需超挖1.5 m，用于弥补砂砾层快速淤沟造成的管沟挖深不足。

（3）第二层管沟开挖时挖掘机应靠近管道一侧进行开挖，开挖的砂砾石层堆放在第一层开挖后的平台上，直至挖深满足设计要求。施工布置示意见图2。

图2 冻土沼泽地段管沟开挖断面示意

3.3 冻土爆破开挖

3.3.1 一般要求

冻土地段管沟爆破开挖，用挖掘机快速清方，以满足冻土管道连续作业、快速施工的要求。

管沟爆破施工应保证管道施工带以外的地表植被不因爆破施工而遭受破坏。

管沟冻土爆破可采用浅孔松动爆破。为提高爆破破碎效果，降低爆破对多年冻土环境的影响，多排、多孔爆破时，宜采用毫秒微差爆破。

开挖管沟冻土所用炸药，可采用黑色炸药、硝铵炸药或TNT炸药。冬季施工时，严禁使用甘油类炸药 （在低温条件下，甘油炸药凝固时，稍微振动即能引起爆炸）。雷管可使用电雷管或导爆管雷管。

3.3.2 爆破参数确定

冻土爆破的单位耗药量q值与冻土岩性成分和温度有关，可参考表1选取。

表1 冻土单位耗药量q值

炮眼为标准钻孔，直径d=38 mm；眼深L=（1.1～1.15）H，管沟挖深H按3.0 m考虑，则L=1.1×3.0=3.3 （m）。

最小抵抗线ω= （0.6～0.8）H=0.6×3.0=1.80 （m）。

炮眼间距a一般取 （0.8～2.0）ω，即 0.8×1.80=1.44 （m）。

炮孔排距b一般取 （0.8～1.2）ω，即 0.8×1.80=1.44 （m）。

炮孔间距应根据冻土冻结松软程度随时调整，当冻层坚硬时，孔距小一些；当冻层松软时，孔距大一些，以便达到满意效果。

炮眼布置采用梅花形。

单孔装药量Q的计算：

Q=qabL=0.3×1.44×1.44×3.3=2.05 （kg）

3.3.3 钻孔

为了克服基底冻土或基岩底板的夹制作用，避免欠爆或超爆，爆破钻孔的深度应一次钻到管沟基底 （包括换填部分）标高。为防止因塌孔、回淤、回冻等造成钻孔深度的减少，在实际钻孔中，可考虑增加20～50 cm的附加超钻量。

3.3.4 起爆

起爆网络，可采用非电导爆管网络和导爆索网络。对非电导爆管网络，宜采用双层耐寒型导爆管。为提高网络的可靠性，宜采用闭合网络。为防止雷电对起爆网络的影响，可采用火雷管起爆导爆索或非电导爆管网络。采用电雷管起爆网络时，应采取预防雷电引起早爆的可靠安全措施。

4 结束语

通过采取以上技术措施，我们掌握和解决了永冻土地段、季节性冻土地段、冻土沼泽地段管道大开挖工序的施工技术难题，提高了管道施工整体质量，加快了管道施工进度。节约大量的人工费用和机械租赁费用，为今后永冻土地段及季节性冻土地段管道大开挖施工提供了可操作性技术指导。

[1]杨永鹏，韩龙武，丁靖康，等.人工地基在多年冻土区管道地基处理中的应用[J].石油工程建设，2009，35（2）：5-9.