長(zhǎng)輸管道穿越濕陷性黃土?xí)r斜井充填技術(shù)研究

許福興，張永祥(甘肅工程地質(zhì)研究院，甘肅　蘭州　735000)

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長(zhǎng)輸管道穿越濕陷性黃土?xí)r斜井充填技術(shù)研究

許福興，張永祥
(甘肅工程地質(zhì)研究院，甘肅蘭州735000)

摘要：西北黃土高原地區(qū)生態(tài)脆弱，如果被破壞則需要很長(zhǎng)的時(shí)間才可以恢復(fù)，如果嚴(yán)重甚至是難以恢復(fù)。管道穿越技術(shù)相對(duì)來(lái)講不用開挖溝槽，施工進(jìn)度較快、成本較低，較為適合黃土高原地區(qū)，但是長(zhǎng)輸管道在采用這種技術(shù)時(shí)會(huì)時(shí)常遇到斜井塌陷的問(wèn)題。在這里主要就長(zhǎng)輸管道穿越濕陷性黃土?xí)r的斜井填充技術(shù)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：管道穿越技術(shù)；黃土；斜井

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，輸油、輸氣、熱力等管道大規(guī)模建設(shè)，管道施工建設(shè)已成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展不可或缺的重要支柱。由于管道穿越不用開挖溝槽，施工進(jìn)度快、成本低，同時(shí)也減少了征地等環(huán)節(jié)。西北黃土高原由于生態(tài)脆弱，一旦破壞，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)，甚至根本無(wú)法恢復(fù)。黃土高原黃土層厚，管道穿越所需的斜井，利用現(xiàn)代鉆孔設(shè)備施工具有成孔快、不易坍塌的特點(diǎn)，在長(zhǎng)輸管道工程施工的中被大量采用。

在濕陷性黃土中管道穿越施工完成后，雨水等地表層水會(huì)順管道進(jìn)入斜井內(nèi)，造成斜井內(nèi)支持管道的黃土濕陷性塌陷，致使管道懸空。管道一旦懸空在高壓介質(zhì)的作用下，會(huì)產(chǎn)生共振，嚴(yán)重的使管道斷裂。管道一旦斷裂會(huì)造成巨額經(jīng)濟(jì)損失，更重要的是威脅當(dāng)?shù)鼐用窈铜h(huán)境安全。

受中石油管道公司委托，2011年、2012年我們通過(guò)排查發(fā)現(xiàn)蘭鄭長(zhǎng)輸油管道，甘肅、陜西、河南境內(nèi)的斜井均存在不同程度的塌陷，有部分原孔徑不足1m，塌陷成有6～7m大的空洞，經(jīng)過(guò)與業(yè)主充分溝通，我們采用化學(xué)泥漿充填的工藝治理塌陷。經(jīng)過(guò)中石油管道公司組織專家論證，認(rèn)為方法可行。

2011年本公司在甘肅段施工10處斜井，2012年施工1年后挖井檢查與我們預(yù)期目標(biāo)基本一致，達(dá)到了治理的目的。由于管道在黃土層穿越施工起步較晚，對(duì)濕陷性黃土塌陷形成的危害還沒有引起足夠的重視。斜井充填施工工藝的研究和應(yīng)用在國(guó)內(nèi)還是比較少，本文結(jié)合實(shí)際工程探討斜井充填材料和施工工藝，便于類似工程參考。

1　方案設(shè)計(jì)

1.1濕陷性黃土特性

黃土是干旱或半干旱氣候條件下的沉積物，而遇水時(shí)，水對(duì)各種膠結(jié)物的軟化作用，土的強(qiáng)度突然下降便產(chǎn)生濕陷。

1.2設(shè)計(jì)原理

黃土在充分濕潤(rùn)的條件下，各種膠結(jié)物完全軟化，并充填到相對(duì)牢固的較粗顆粒之間，提高黃土的密實(shí)度降低孔隙比。充填方案就是利用黃土加水，在黃土充分浸水的情況下，破壞黃土中的空隙結(jié)構(gòu)，黃土失水后形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)，消除濕陷性。添加化學(xué)添加劑，提高泥漿穩(wěn)固性和流動(dòng)性，泥漿充填到斜井中，泥漿經(jīng)過(guò)一段時(shí)間失水固結(jié)，還原為黃土并消除了濕陷性。

1.3添加腐殖酸鈉

采用天然含腐植酸的優(yōu)質(zhì)低鈣低鎂風(fēng)化煤經(jīng)化學(xué)提煉而成，具有很大的內(nèi)表面積，有較強(qiáng)的粘結(jié)能力，黃土充填施工中,泥漿會(huì)發(fā)生失水,特別是在溫度和壓力較高、地層滲透率大的井段,泥漿失水量會(huì)明顯蹭加。泥漿失水較快不但影響黃土流動(dòng)速度和流動(dòng)距離,使黃土流不到井底就固結(jié)，在斜井下部形成空洞。且泥漿失水過(guò)快，上部井壁吸水過(guò)多而造成井壁塌陷。腐殖酸鈉是良好的泥漿處理劑，其分子具有更多能吸附粘土顆粒表面、帶有負(fù)電荷、水化能力強(qiáng)的基團(tuán)，能提高粘土顆粒的電動(dòng)電位，增加水化膜的厚度，從而增加粘土顆粒的聚結(jié)穩(wěn)定性，起到分散和護(hù)膠作用。且腐植酸鈉只會(huì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)，不會(huì)破壞環(huán)境。

1.4添加水玻璃

水玻璃采用石英粉（SiO2）加上純堿（Na2CO3），在1300～1400℃的高溫下煅燒生成固體，水玻璃具有速凝、穩(wěn)固和增稠的作用。在建筑行業(yè)中用于制造快干混凝土。而且在泥漿中使用不會(huì)對(duì)土壤造成污染。我們就是利用水玻璃的上述性質(zhì)，按一定比例添加到黃土泥漿中，提高泥漿的穩(wěn)定性，在泥漿灌注到位后又能快速凝固，減少間斷時(shí)間、提高灌漿效率。

2　施工工藝設(shè)計(jì)

2.1探測(cè)斜井井內(nèi)情況

長(zhǎng)輸管道穿越山坡、河谷、道路、村莊等地段時(shí)井內(nèi)情況復(fù)雜，出現(xiàn)坍塌、懸空等現(xiàn)象。在灌漿之前需要我們探明井內(nèi)情況，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)可行方案，以防盲目注漿引發(fā)次生災(zāi)害或再次埋下隱患。探測(cè)我們首先使用移動(dòng)攝像頭，攝像頭安裝在遙控電動(dòng)車上，從上井口開始順管道至上而下行進(jìn)，工作人員利用井口的顯示屏觀察。并根據(jù)電動(dòng)車的位置確定斜井堵塞及坍方位置，詳細(xì)記錄井內(nèi)情況。

2.2灌漿工藝設(shè)計(jì)

挖開斜井的上下井口，使用三七灰土夯實(shí)下井口。從上井口灌泥漿，每灌滿4～5m停頓24h，以便泥漿固結(jié)，直到灌滿為止。

2.3出現(xiàn)斜井堵塞處理

利用管道探測(cè)儀及電動(dòng)車確定的斜井位置，經(jīng)過(guò)計(jì)算在地面確定位置，垂直掘進(jìn)豎井，豎井掘進(jìn)到管道位置后疏通豎井以下斜井，并在豎井內(nèi)安裝導(dǎo)管從上井口灌漿。灌滿后使用三七灰土夯實(shí)豎井，將豎井作為下井口，再在上井口灌漿。

2.4出現(xiàn)懸空位置

大面積出現(xiàn)空洞時(shí)不能直接使用泥漿罐填，否則大量泥漿罐填到空洞中不僅浪費(fèi)材料增加成本，更重要的是大量泥漿聚集增加下井口壓力，增加下井口噴漿風(fēng)險(xiǎn)。一旦噴漿不僅前功盡棄。所有泥漿傾瀉而出給下井口附件村莊及農(nóng)田造成極大威脅。因此在灌漿之前要先處理空洞，如空洞不大且據(jù)上井口較近，可采用導(dǎo)管搭橋的方法，直接跨越空洞，先罐填空洞以下部位。等罐填到空洞位置時(shí)停一段時(shí)間，等罐填的泥漿固結(jié)后再罐填上面部分。如空洞較大或距上井口較遠(yuǎn)，無(wú)法利用導(dǎo)管架橋時(shí)，在空洞上面掘進(jìn)豎井先罐填下半部分斜井，再利用豎井在空洞出夯填三七灰土。填滿空洞和豎井后再罐填上半部分斜井。

2.5泥漿對(duì)黃土的要求

黃土要選用純黃土，不得含有砂石、草木等雜質(zhì)，以防罐填時(shí)損傷管道防腐層。黃土要過(guò)篩，黃土顆粒不大于3mm，這樣保證黃土在攪拌的過(guò)程中充分濕潤(rùn)，比重均勻，泥漿流動(dòng)時(shí)勻速進(jìn)行。也不至于堵塞充填管路和充分消除濕陷性。

3　泥漿配合比的確定

罐填泥漿利用泥漿攪拌罐充分?jǐn)嚢?，加入腐植酸鈉，其目的就在于保證泥漿的穩(wěn)定性，泥漿在流動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生離析現(xiàn)象。利用其保水性使泥漿不在流動(dòng)過(guò)程中大量失水，破壞井壁。加入水玻璃的目的就在于利用其增稠作用，保障泥漿在流動(dòng)過(guò)程中保持穩(wěn)定，到位置后使泥漿快速固結(jié)。加快充填速度，減少停留時(shí)間。

在工程施工之前，我們模擬斜井環(huán)境，在不同坡度的斜坡上挖溝槽，根據(jù)不同配合比做試驗(yàn)。最后根據(jù)泥漿流速、固結(jié)時(shí)間確定最佳配合比、每次罐填高度和間斷時(shí)間，見表1。

表1　不同條件下泥漿流動(dòng)長(zhǎng)度（m）

試驗(yàn)根據(jù)這次10處斜井實(shí)際工程，最大坡度35°，最小坡度8～10°，選用上述不同條件下5條溝槽進(jìn)行試驗(yàn)，配合比3組，第一組選用水28%、腐植酸鈉4%、水玻璃1%。第二組水30%、腐植酸鈉3%、水玻璃2%。第三組水31%、腐植酸鈉1%、水玻璃3%。

根據(jù)試驗(yàn)，泥漿凝固時(shí)間和腐植酸鈉含量成反比，與水玻璃含量成正比。而泥漿流動(dòng)速度和流動(dòng)距離與腐植酸鈉含量成正比，與水玻璃含量成反比。因此在斜井充填之前首先根據(jù)斜井坡度，斜井距離設(shè)計(jì)泥漿配合比，這樣才能使泥漿流到底，并在合理的時(shí)間內(nèi)固結(jié)。上述試驗(yàn)是在露天地表開挖溝槽得出的結(jié)論，在斜井內(nèi)井壁充分濕潤(rùn)的條件下，泥漿流動(dòng)距離會(huì)大于露天的溝渠。

4　結(jié)論

施工中石油蘭鄭長(zhǎng)輸油管道甘肅段10處斜井充填治理工程，在施工中組織技術(shù)骨干成立精干的項(xiàng)目部，斜井施工之前由項(xiàng)目經(jīng)理組織技術(shù)人員在野外黃土坡面上模擬斜井做試驗(yàn)，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)結(jié)論確定泥漿配合比等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)10處斜井施工我們總結(jié)出以下結(jié)論供同仁參考。

根據(jù)斜井坡度、距離確定泥漿配合比。泥漿配合比對(duì)斜井充填工程至關(guān)重要，如泥漿太稠，水玻璃含量過(guò)大，泥漿流不到底就已固結(jié)，尤其在斜井瓶頸地段固結(jié)堵塞，在斜井中形成空洞，給管道埋下重大隱患。如泥漿含水多、腐植酸鈉含量高，水玻璃含量少就會(huì)造成泥漿凝固太慢，影響施工效益。更為嚴(yán)重的是泥漿凝固太慢，長(zhǎng)時(shí)間成膠體狀態(tài)，隨斜井充填量增加，下井口壓力增大，可能造成下井口及薄弱井壁破裂而造成噴漿。一旦噴漿會(huì)給周邊居民、農(nóng)田造成嚴(yán)重威脅。根據(jù)我們經(jīng)驗(yàn)在大于35°的斜井充填時(shí)，可先用含腐植酸鈉的泥漿濕潤(rùn)井壁后，在大量充填時(shí)可不再加腐植酸鈉，水玻璃的含量加大至4%，減少含水量。在大量充填之前用含腐植酸鈉的稀泥漿濕潤(rùn)井壁也很重要，含腐植酸鈉的泥漿會(huì)在斜井井壁形成一層光滑的薄膜層，增強(qiáng)泥漿流動(dòng)，阻止泥漿失水，防止斜井井壁浸水塌陷。為了使腐植酸鈉更好的溶解，要提前浸泡。黃土一定要過(guò)篩粒度符合要求，泥漿要經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢?，如果有大塊混入，就有可能形成堵塞斜井，在井內(nèi)形成空洞。坡度越緩泥漿流動(dòng)距離越短，因此充填距離不宜太長(zhǎng)，如斜井太長(zhǎng)超過(guò)試驗(yàn)?zāi)酀{流動(dòng)距離要在中間設(shè)置豎井分段充填。

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