多年冻土区管道敷设方式研究

徐威 玄令华 范欣

[摘 要]本文详细介绍了冻土的定义，并归纳了多年冻土区常用的三种管道敷设方式，对在冻土地区进行管道工程建设与施工所具有的特殊性进行了明确，同时，对今后在冻土地区管道敷设的勘察、设计和施工将起到很好的引导作用。

[关键词]多年冻土 冻胀 融沉 补偿

中图分类号：G936 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）30-0023-01

引言

具有0℃或0℃以下，并为冰所胶结的土壤或岩石，称为冻土或冻结岩石。只具有负温而没有冰的土壤和岩石，只能称为寒土。保持冻结状态时间不间断地持续二年以上，若干世纪，甚至是几千年。在北极、亚北极、南极的陆地广泛分布，在陆地的高山部分地带，如青藏高原、天山、帕米尔等高原等都存在。北半球多年冻土区主要分布在欧亚大陆、北美大陆和北部的北冰洋岛屿（包括格陵兰、冰岛等），以及大陆架和部分海洋底部，南半球主要分布在南极洲及其周围岛屿、北部高山。可概括为两大类：高、中纬度大陆多年冻土区，中低纬度山地和高原冻土区。

1.敷设方式分类

多年冻土区的管道工程包括有工业与民用的给排水的上下水管道、供热管道，天然气和石油管道，成品油输油管道等等。根据俄罗斯、美国、加拿大、北欧以及我国的多年冻土区大量实践的管道工程，管道的敷设方式可归纳为三种：地面式、地下式和架空式（和称地上式）。这三种敷设方式在多年冻土区的使用条件及可能出现的问题，大致如下：

1.1 架空式

架空式主要用于多年冻土热敏感性很强的高含冰量地带，如饱冰冻土及含土冰层等冻土类型地段。这些地段所涉及的冻土工程问题是基础与冻土间的热交换计算、管道的保温层厚度、基础的冻胀与融沉变形等。为避免管道的热量通过基础向多年冻土地基传热，通常采用的隔热法和冷却法，以防止管道热力傳递或冷却多年冻土地基，保持冻土地基始终处于冻结状态，达到冻土地基的稳定性。如美国阿拉斯加输油管道同时采用桩基架空式和热虹吸管（即称热管、热桩或热棒）的敷设方式，确保多年冻土区输油管道的安全运营。实践证明，美国在阿拉斯加多年冻土区高含冰量地段采用这种输油管道敷设方式与方法是成功的，造价却是高昂的。

这种敷设方式可以在除河流的漫滩以外的任何地方。管道敷设在每个独立的支墩上，其间距取决于管道的直径，或者由计算确定，一般为20～60m。支墩在地面以上的高度根据布设的地段而定，在居民点以外的地方，支墩的高度为0.5～1.5m，属于低架支墩。在居民点和干线管道交叉地段，支墩高度为4.5～5.5m，或更高些，属于高架支墩。支墩的结构可以是金属的钢架结构，或者是钢筋混凝土板式结构、横梁结构。支墩有固定式、纵向活动式（仅沿着管道轴线可以移动）、自由活动式（管道轴线和横向都可以移动）。

多年冻土区多数是采用桩、柱深埋基础，主要用于高架敷设的支墩。土堤或抛石路堤等基础主要用于低架支墩的基础。自由活动式的支墩主要用于地震地区管道敷设，但管径通常都小于400mm时采用。

架空式敷设管道应预先补偿管道的温度变形。在积雪较大的地区，管道胀缩部分不应扰动积雪，管道要敷设要最大可能地高于积雪表面。架空式敷设的主要优点是避免管道对多年冻土的直接影响，便于维修，降低事故率，不会妨碍地表水的地表径流。其缺点是是成本较高，外冲击作用下比较脆弱，出现事故时管道损坏较多。

1.2 地面式

地面式敷设为管道在地面或再修筑路堤埋设，多在地形剧烈交错地段或者沼泽化路段应用。这种敷设方式较适合于多年冻土含冰量较小的地段，如富冰冻土，当然更适用于多冰冻土和少冰冻土地段。所涉及的工程问题有：地基与管道的热交换计算，管道保温层管道、管道底垫层底隔热保温材料及厚度、冻土地基的冻胀与热融沉降变形，以及路段的高度与填料的确定等。我国大兴安岭多年冻土区铁路机车供水和居民给排水管道，主要就采用这种敷设方式，运营的效果大部分较为成果和满意的，造价较低廉。

地面式敷设，通常应在地面上铺设大于10cm以上的砂垫层。路堤的高度要高于管道0.5m以上，顶宽应大于管径的1.5倍，边坡坡度通常为1∶1.5～1∶2.0，路堤顶部和边坡都要用草皮或植被固定。非路堤式的地面敷设方式常作为代替纵向变形补偿，路堤式无或有补偿变形。

地面式管道的优点在于无需大开挖。缺点是外力作用下可靠性较低，运土工程量大，对多年冻土有附加的间接热力作用，会使地表径流发生变化，影响野生动物的迁徙。

1.3 地下式

地下式即埋入式。较适用于低含冰量的多年冻土，如多冰冻土及少冰冻土地段，以及最大季节冻结深度小于2m的季节冻土区，和无须不常纵向变形或地下管线补偿段。所涉及的工程问题有：冻土与管道间的热交换计算、管道保温层厚度确定、地基土的冻胀与热融沉降变形、最大季节冻结深度的确定、管道合理埋置深度的确定以及跨越障碍处理等。我国青藏高原多年冻土区格拉成品油输油管道，以及西部季节冻土区大量的油气管道即采用这种敷设方式，运营效果是成功的，造价也相对较低廉。

通常管道敷设于地下沟内，管沟下部的宽度（bp）取决于管道的外径（Dp），当管径≤700mm时，一般应比管道外径大3m，即bp=Dp+3（m）。地沟的深度与边坡应视冻土的土质于地下冰的含量。地沟的边坡可采用1：1.25（卵砾石及砂土）到1：0.5（粘土），在少冰冻土、多冰冻土和岩石地带，也可以为直立的。地沟的深度应视地基土的冻胀性和冻土的含冰量而定，强冻胀性地段，应埋置在最大冻结深度的2/3～3/4深度以下，从防融沉的角度考虑，尽量避免管道的热力对多年冻土产生影响，管道距多年冻土上限越远越好，但必须满足管道外径加0.8m。

2.敷设方式选择

管道的敷设方式的选择，就冻土地基情况而言，应该取决于管道能源载体的温度段的类型（高温段、温暖段和寒冷段）及管道线路段的地区地质-地貌、冻土和水文地质条件划分的类型。管道线段的地域类型可分为四类

3.总结

根据国外多年冻土地区的输油管道施工经验，地下式敷设方式具有较多的优点，它可以最好地保证防止管道可能地断裂与破坏，防止失火，对生态环境地破坏较小，不会阻碍地表水的径流和野生动物的迁徙。然而，它却受到冻土条件的制约，尤其是增热管段会使冻土地基形成很大的融化圈，特别是在高含冰量地段，产生很大的融化下沉量，使管道产生较大的变形。为此，在高含冰量多年冻土地段，一般不采用地下式敷设方式，尤其是增热管道。在季节冻土区，寒冷管道往往会使管道周围的土体冻结形成冻结圈，产生法向冻胀力，使管道遭受破坏。因此，也不希望在季节冻土区或不衔接多年冻土区采用地下式敷设寒冷型管道。

当然，在目前的科学技术水平和施工经验，可以在任何地域采用任何一种敷设方式，问题的关键在于工程费用、施工难度以及运营安全等问题。所以，敷设方式的选择包含着技术与经济问题，具体情况需要具体处理，求得合理的敷设方式。