基于GIS的马来西亚多介质成品油管道线路优化设计

2022-01-10侯仰杰马东山李成皓

石油工程建设 2021年6期

侯仰杰，包宇，马东山，李成皓

中国石油工程项目管理公司天津设计院，天津 300457

1 工程简介

多介质成品油管道项目位于马来西亚西半岛西北部地区，分别从马六甲炼油厂和迪克逊炼油厂接收成品油，管道沿线有两个分输终端站，实兆远终端站位于霹雳州，居林终端站位于吉打州。管道从新建马六甲首站出站后，沿已建管道作业带向西北方向敷设约54 km到达迪克逊给油泵站，然后管道沿已建管道作业带向西北方向敷设，先后经过马六甲州、森美兰州、雪兰莪州、普特拉贾亚市、霹雳州、槟城州、吉打州，全长大约580 km，共设置16座阀室。

根据本项目业主与其他相关利益方达成的协议，管道利用已有管道作业带敷设，前120 km在已有成品油管道作业带敷设，后460 km在半岛天然气利用工程管道作业带敷设，已有作业带宽度从20～40 m不等，同时作业带分布着光缆、阀室、分输站等众多设施。

管道沿线主要的地貌为丘陵、风化残丘、海积或冲洪积平原，主要的农作物为水稻、棕榈树和其他经济作物。管道沿线主要出露的地层由砂岩、页岩、片岩、花岗岩等风化后形成的强风化、全风化岩石或残坡积土组成，沿海平原主要为冲洪积和海相沉积的黏性土、砂土、粉土和软土。

2 平面优化设计

多介质成品油管道主要利用已有管道作业带敷设，前120 km在成品油管道的作业带敷设，作业带里面有成品油管道、通讯光缆、阀室等设施，作业带宽度从20～30 m不等；后460 km在半岛天然气利用工程管道作业带敷设，马来西亚石油公司的半岛天然气利用工程管道分为一期、二期、三期管道，作业带内已建成管道至少2条，最多达到4条，同时作业带分布着光缆、电缆、阀室、分输站等众多设施，作业带宽度从20～40 m不等。图1为里程122 km处成品油终端站附近半岛天然气利用工程作业带情况，据地籍信息及地下障碍物探测资料，半岛天然气利用工程的作业带分布一条光缆、一条电缆、三条天然气管道、一条废弃管道和一座清管分输站。

图1 航测底图

半岛天然气利用工程及成品油管道项目作业带的所有者对多介质成品油管道项目管道有着特殊要求，马来西亚石油公司（半岛天然气利用工程业主）对管道平面位置要求为：距离作业带边界5m；距离半岛天然气利用工程管道至少为5 m；当作业带内存在已建阀室和分输站时，管道必须出作业带绕行；其他利益相关方面的要求。为减少费用及征地和协调困难，多介质成品油管道项目业主要求本项目尽量减少征地。

为解决多介质成品油管道平面位置问题，前端工程设计期间就开展了地下障碍物探测、无人机航空摄影测量、地籍权属调查、现场踏勘以及与公路、铁路、水利、规划等政府部门进行协调沟通等一系列工作，积累了大量的数据，这些工作都为最终确定多介质成品油管道项目的施工图路由奠定了基础[1-5]。在这些资料的基础上，通过研究比较最终选择了地理信息系统软件（GIS）作为最终的操作平台，放弃了传统的CAD平台，确定出多介质成品油管道项目管道施工图路由以及多介质成品油管道项目作业带、额外超占地等信息。

2.1 地理信息系统（GIS）

地理信息系统是以空间数据库为基础，采用地理模型分析，实现地理信息采集、储存、检索、分析、显示、预测和更新的技术系统。而对空间信息进行处理和分析一直是GIS的核心和重要功能之一。

地理信息空间分析是在GIS的支持下，根据空间对象在时间和空间中的分布，从中提取空间对象之间的空间关系及其特征，获得其发生的规律和原因，并预测其发展趋势。多介质成品油管道项目利用地理信息空间分析技术来实现管道线路施工图平面优化设计与纵断面优化设计。

2.2 多维数据融合

前端工程设计初期，结合马来西亚政府的要求、半岛天然气利用工程及成品油管道的竣工资料、马来西亚各州土地利用坐标系统，确定出多介质成品油管道项目基准坐标系为西马半岛坐标系，为多个数据源能够汇集到一个平台奠定了基准。

多介质成品油管道项目施工过程中，航空摄影测量（UAV）、地下设施探测（UUD）、地籍权属调查由马来西亚当地分包商承担，当地分包商是航测正射影像（DOM）、数字地面高程模型（DEM）、地形图、地下障碍物探测成果、地籍数据的生产者和提供者。另外，环评（EIA）报告也为本项目提供了大量数据资料。

前端工程设计期间，设计人员与EPC各部门进行了大量踏勘活动，积累了大量野外踏勘数据。施工图设计期间，EPC项目组与管道沿线当地政府及公路、铁路、水利、电力、规划等相关部门进行充分沟通协调，各利益相关方对管道路由有着不同的诉求。

把上述数据集合到一个平台中，为详细设计阶段精确定义出管道中线、施工作业带、热点（困难点）、额外征地，为线路和穿越进行平面和纵断面优化设计奠定基础。

2.3 定义施工图中线、热点等

数据准备好以后，进行数据录入和编辑，利用地理信息平台的空间分析功能，综合考虑各方面的利益诉求，定义出管道中线、施工作业带、热点（困难点）、额外征地面积及征地号。工作流程如图2所示。

图2 工作流程

图3为GIS优化设计平台界面，底图为航测影像（DOM），黑色线为权属边界线（地籍数据），作业带分布着一座清管分输站，黄线为半岛天然气利用工程管道，共2条，青色线为光缆，绿色线为电缆，还有1条燃气管道和废弃管道，可以看出作业带已没有空间可安置多介质成品油管道项目管道和5号阀室，多介质成品油管道需要绕行出作业带进行额外征地，利用GIS的编辑功能和空间分析的缓冲区分析、叠置分析功能，定义出额外征地范围（图中阴影部分）和出管道中线（图中红线）。

图3 GIS优化设计界面

3 穿越方式及纵断面优化设计

多介质成品油管道总长大约580 km，其中公路穿越181处、铁路穿越7处、河流穿越78处，共计266处，平均每千米就有2.35个穿越，数量庞大，还不包括较小道路与沟渠的穿越。这些穿越分布在管道沿线的低山丘陵、滨海平原、湿地等地貌，地形及障碍物非常复杂，且作业空间受限，这些都对穿越方式提出要求。利用数字高程模型数据和工程地质信息，可对穿越工程进行平面和纵断面优化设计。

3.1 穿越难点

多介质成品油管道项目主要穿越难点集中在雪兰莪州、普特拉贾亚市，主要表现为原管道半岛天然气利用工程作业带位于丘陵地貌上，现在两侧已经被城区所包围，共计80 km左右，主要障碍物为城市已有的公共设施，如高速公路、城市道路、铁路、地铁、河流等。

多介质成品油管道项目除了城区穿越难点较多以外，还有长度超过1 000 m的河流穿越2处，长度超过400 m的河流穿越9处，这些穿越都是在受限空间进行，增加了工程难度。

3.2 穿越方式确定

为保证穿越方式合理可靠，在前端工程设计期间，设计团队与EPC项目部其他相关部门组成联合踏勘小组，对多介质成品油管道项目穿越难点进行实地踏勘；结合在东南亚其他国家的施工经验，特别是中石油管道局在泰国项目的成功案例，对多介质成品油管道项目穿越障碍物方式进行重新确定，体现设计施工无缝衔接、EPC总承包的优越性。最终确定多介质成品油管道项目穿越障碍物方式有：定向钻穿越方式、小型定向钻穿越方式（主要应用于城区公路、铁路和部分小型河流受限地区）以及顶管穿越方式。

多介质成品油管道项目与其他管道项目相比，由于受地形地貌限制，增加了小型定向钻穿越方式，并在泰国项目经验的基础上进行了创新和扩展。小型定向钻是结合了定向钻和顶管的特点，将两种穿越工艺有效结合在一起，在穿越段两侧修筑出、入土坑，深度根据管道穿越深度确定，可在操作坑将定向钻穿越曲线截断，只取直管段部分，直管段以外的弧线过渡段采用延长钻杆和发送沟代替，保证管道在弹性敷设范围内顺利回拖。在多介质成品油管道项目中，部分采用小型定向钻穿越公路、铁路，由于两侧大高差，加上受限的作业带，选取穿越适用的直线或曲线，避免深基坑的开挖，减少对周围设施的破坏，既保证了安全性又提高了效率。

3.3 案例一

里程119.5 km处29号公路和铁路穿越。现场为丘陵地貌，地形由低到高，起伏较大；已有作业带两侧均为棕榈林；29号公路路面宽度约90 m；路南为道路护坡，二级护坡，路面距坡脚约7.5 m；路北侧紧邻铁路，铁路路基高出29号公路的路面约4.5 m，铁路为双轨铁路，铁路北侧坡度约9°。管道在此处需沿着成品油管道敷设，成品油管道作业带与半岛天然气利用工程作业带并行敷设。

图4为基于航测影像DOM和DEM数据的GIS系统平台，分别显示该穿越处的纵断面图及平面图。

图4 纵断面图及平面图

比较了三种穿越方案：

（1）顶管垂直穿越29号公路和铁路，穿越长度约120 m，其中顶管穿越距离超过80 m，且两侧操作场地高差约12 m，施工难度大；深基坑开挖，占地面积大，会对成品油管道作业带的设施造成影响，安全性差；需占用半岛天然气利用工程的作业带，还需要与马来西亚石油公司协商用地事宜，协调难度大。

（2）定向钻穿越该处29号公路和铁路，多介质成品油管道项目的管道在此处管径为660 mm，最大埋深14.5 m，最小单弧344 m。由于该处空间受限，定向钻穿越方式不适用。

（3）小型定向钻穿越29号公路和铁路，穿越长约180 m。优点是不需要占用半岛天然气利用工程作业带；施工难度相对较小，安全性高；工程造价低。该方案取定向钻的弧线和直线部分，保证管道在弹性敷设范围内完成回拖，设计方案参见图5。

图5 设计方案

3.4 案例二

里程137.8 km处E11公路穿越。现场为丘陵地貌，地形起伏较大，地表岩性为碎石土；E11公路穿越段路面宽度约50 m；路南边坡坡度约36°，坡脚采用石笼挡墙，边坡高度约7 m；路北侧边坡坡度约为35°，边坡高度约5 m，距离南侧边坡坡脚约27 m，路北侧边坡上方缓坡坡度约4°。半岛天然气利用工程线路的阀室几乎占据了整个作业带的宽度，左侧作业带边界距阀室围栏仅3 m。图6所示为该穿越航测影像，图中黄线为半岛天然气利用工程的管道，红线为多介质成品油管道项目管道建议路由。