油田埋地管道地基的处理方法

王潇(大庆油田设计院有限公司，黑龙江 大庆 163712)

0 引言

当输油管道敷设于冻土地带时，当冬季气温快速下降时，管道内部所散发的热量会对周围的冻土产生明显影响，进而引发融沉及变形等问题。假如管道输送距离较长，介质温降大也会导致周围土壤出现冻结，促使管道产生不均衡冻结进而引发冻胀。因此如何解决动土层管道变形，保证管线安全运输也是当前所面临的主要问题。

1 输油管道以及地基概况

与道路等线性工程相比，管道是柔性构造物存在一定变形量。但是在冻土区域敷设输油管道并不具备太多的经验和技术，但是得到业界认可的就是阿拉斯加输油管道工程。该项目主要是采用了两种敷设方式分别为架空与埋地，前者应用的目的在于保持冻土地基稳定。后者，由于载荷比较小地基能够满足绝大部分要求。

2 冻土区管道面临的风险

2.1 融沉

在冰层融化以后会导致周围的水土出现快速流失，部分管道裸露于地面；而差异性融沉也会导致管道局部地区出现较为明显的沉降变形，失去原有支撑作用，并且在达到一定程度以后管道应力也会出现变化。

2.2 冰锥、冻胀丘现象

这就属于典型不良冻胀现象，产生的原因与水分有着密切的联系。其中冰锥之所以会产生，原因就在于在冬季地下水露出地表冻结，从而形成尖锥状。冻胀丘是由于地下水出现冻结，从而形成透镜状的冰锥体在地表隆起。

2.3 热融滑坡

由于温度升高以及人为的因素的影响，破坏了厚层地下冰热平衡的状态，导致土壤在重力作用之下沿着斜坡的融冻界面进行缓慢移动。在温度达到一定阶段以后从而形成坍塌，这种现象是属于较为严重的地质问题，尤其是管沟施工以及自然植被的破坏会严重影响到热平衡，因此尤其是某些富冰区域的斜坡，更容易出现这种现象。并且其破坏形式与普通的地质滑坡相同，这点也需要引起大家的重视[1]。

3 敷设原则

3.1 保护多年冻土

主要指的是工程在施工和实际运行期间，需要始终控制在原有的深度范围内，保证多年冻土冻结状态不会出现任何变化，其适用的原则是在于常年冻土区域并且地表温度是低于0 ℃。

3.2 破坏冻土

在实际施工期间，还需要将管道地区周围范围内的多年冻土予以清除完毕，但是其设计原则主要是适用于较为薄弱冻土地段以及埋藏较浅地下冰层。

3.3 敷设方式

在地质条件良好并且融化后不会产生明显融沉以及冻胀地段，在进行管道设计时，无需采用任何特殊措施；对于含冰量较大的薄层冻土或者多冰冻土等地段需要将含冰量较大的冻土层全部挖除，然后填埋碎石或砂土；对于埋藏较深并且包含大量地下水的冻土层，由于施工难度较大，成本较高，可以采取上部挖除下部松动爆破的方式。此外，在施工期间也可以充分利用地下水位高于0 ℃的物理现象，加速冻土层的融化。在实际施工期间还应当进行综合考量，采用适当的措施采取正确方案[2]。

4 影响因素分析

4.1 保温层影响

通常而言，管道保温层大多数都会选择密封性、耐久性以及防腐蚀性较好的材料。但是根据季节冻土区输油管道冻结圈厚度以及冻胀量的实际变化可以发现，未进行隔热处理的管道，周围土体出现最大的冻结厚度为1 m，但是冻胀量却只有12 cm，对此为了尽量降低所产生的影响可以增加外包保温层。而根据相关试验数据表明分别增加5 cm和10 cm后，地基冻胀量明显降低，达到了3.6 cm和2.4 cm，其冻胀量与原有状态相比减少了接近80%，但是从经济适用度来看采用10 cm虽然可以取得良好数据，但是考虑到企业的经营成本，因此只需使用5 cm保温层就足以符合实际需求。

4.2 地基土影响

地基土产生冻胀条件分别为：首先在气温上必须要达到相应状态，同时水分补给充足，尤其是冻胀敏感性的土壤是主要因素；考虑到冻土地基气温波动，为了减少冻胀率还应当对季节性冻土地基进行处理，还需要将管道周围的基础进行调换，因为其表层土壤多为粉质性粘土含水量比较大，在冬季到来，气温快速下降到-20～-30 ℃时，极容易导致管道变形。因此换填材料可以选用颗粒含量不大于15%碎石土，含水量不应当超过10%密度，需要保证在1.63 g/m3，导热系统需要维持在4.2 kJ/m。在相同含水状态下粉质亚砂土的融沉最高，其次是细砂、粘土，最后是砂砾石，出现这样的结果还是在于其物理状态所导致，表面孔隙大小存在较大差别，因此就导致其含水量也出现了不同[3]。所以渤海在冻土地区是广泛存在的，但是只要能够采取合理措施也能够有效避免，而不均衡冻胀超过一定的规定值，就会影响管道出现较为严重的变形。但是冻胀变形较为均衡，也不会对管道造成明显影响时，这种现象也允许存在。

4.3 生态系统脆弱

大庆油田位于东北地区，而在该区域的动土生态系统与森林湿地有着密切联系，当两者出现较大变化时都会引起较为严重的连锁反应。自20世纪以来在经济利益的推动下，大量原始森林被砍伐生生态系统的稳定性急速下降，其具体表现为天然林规模锐减，导致沼泽湿地面积减少，水土流失现象愈加严重，最后就导致大庆区域多年冻土出现明显退化。由于气候寒冷暖和期较短植被被大规模迫害后，通过自然恢复变得极其艰难。而脆弱的生态系统也容易发生不同程度的失调，也在一定程度上决定本区域冻土生态环境恢复存在长期性与艰难性。

5 季节冻土区地基处理措施

在断面起伏较大的山沟地段，可以采用增设保温层和隔热垫换砂石埋地敷设方式，管道埋在动土范围内，而管沟底部换填碎石，在管体外增设保温层底面可以添加隔热垫层。在富冰冻土地段，为了确保管道安全，也可以对此区域的冻土进行调换。此外采取适宜的隔热措施，能够有效减少管底换填深度，在降低施工难度的同时，也为企业节约了不少费用。同时考虑到大庆位于我国东北地区，因此在部分地区也可以采用浅埋敷设方式，能够有效抵御林区火灾所造成的影响，同时也便于野生动物进行迁徙，对于自然环境所造成的影响相对比较小，同时也具备了较好的抗地质灾害能力比如洪水泥石流的冲刷等，在多年冻土沼泽地段除了采用上述方法以外，也可以适当增加管道壁厚，该方法在减少挖方量的同时，也降低了在冬季施工难度。但是考虑到经济效益大多数情况下，所需填料还是应当就近取材，但是由于在东北部分区域生态环境相对比较脆弱，自然资源再生能力差，对此所需施工填料，不应当在环境比较脆弱的地段选取[4]。要选择适合的保温层，以此降低管道周围冻结圈厚度，目的是在于防止发生管道融沉。而目前在北方地区大多数油田都采用黄色聚乙烯外皮保温管，抗压强度高隔热性能好吸水率低具备良好的防腐性。

6 冻土区管道防护措施

冻胀融沉是当前冻土区管道所面临的主要风险之一，其中冻融趋势的变化与管道周围冻融圈有着密切的联系，比如在管道温度高于土壤温度的情况下，容易发生融化圈导致融沉产生。

6.1 保温层

其特点就在于能够有效隔绝管道与动土的接触，在一定程度上也能够有效降低正负温差对管道周围冻土区域所产生的影响，能够有效降低对冻土所产生的破坏。通过大量试验数据表明不同厚度保温层对于管道内的温度场有着明显影响。在不具备保温层材料的情况下影响相对比较大，但是保温层越厚，其影响相对比较小。

6.2 热管

其作用就等同于在管道冻土温度调节器，无需额外增加相应的制冷装置，就可以实现对温度的自动传递。其中上部为冷凝段而中部为绝热段至于尾部是蒸发段，当上部和尾部出现较为明显温差时，蒸汽就会上升至冷凝器与冷空气接触以后，形成液体附着于管壁上。在重力作用的推动下液体工质会沿着管壁重新回到尾部，在不断的循环往复之下只要上段和尾部存在温差，因此也就保证了冻土的稳定性。

6.3 提高管道壁厚

在沼泽湿地地段管道及容易产生冻胀融沉位移，因此除了需要采用上述两种措施以外，为了进一步提高管道的安全性，可以在经过精密计算以后采取提升管道壁厚的方式，以此降低其变形概率。

7 结语

综上所述，大庆地区冻土地质问题会影响到输油管道地基的稳定性，在严重情况下也会危及企业正常运转。对此就需要了解该地区地质问题的基础上，有针对性地提出相应的防治对策。其中冻胀、融沉是导致管道变形破坏的主要原因，对此就需要采用保温、换填等方式降低管道出现不均衡变形程度。同时在敷设期间也需要尽量减少对当地自然资源的破坏，做好冻土检测与预报，及时消除潜在隐患。