多年凍土區(qū)管道敷設(shè)方式研究

徐威 玄令華 范欣

[摘 要]本文詳細(xì)介紹了凍土的定義，并歸納了多年凍土區(qū)常用的三種管道敷設(shè)方式，對(duì)在凍土地區(qū)進(jìn)行管道工程建設(shè)與施工所具有的特殊性進(jìn)行了明確，同時(shí)，對(duì)今后在凍土地區(qū)管道敷設(shè)的勘察、設(shè)計(jì)和施工將起到很好的引導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞]多年凍土 凍脹 融沉 補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：G936 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）30-0023-01

引言

具有0℃或0℃以下，并為冰所膠結(jié)的土壤或巖石，稱為凍土或凍結(jié)巖石。只具有負(fù)溫而沒有冰的土壤和巖石，只能稱為寒土。保持凍結(jié)狀態(tài)時(shí)間不間斷地持續(xù)二年以上，若干世紀(jì)，甚至是幾千年。在北極、亞北極、南極的陸地廣泛分布，在陸地的高山部分地帶，如青藏高原、天山、帕米爾等高原等都存在。北半球多年凍土區(qū)主要分布在歐亞大陸、北美大陸和北部的北冰洋島嶼（包括格陵蘭、冰島等），以及大陸架和部分海洋底部，南半球主要分布在南極洲及其周圍島嶼、北部高山?？筛爬閮纱箢悾焊?、中緯度大陸多年凍土區(qū)，中低緯度山地和高原凍土區(qū)。

1.敷設(shè)方式分類

多年凍土區(qū)的管道工程包括有工業(yè)與民用的給排水的上下水管道、供熱管道，天然氣和石油管道，成品油輸油管道等等。根據(jù)俄羅斯、美國(guó)、加拿大、北歐以及我國(guó)的多年凍土區(qū)大量實(shí)踐的管道工程，管道的敷設(shè)方式可歸納為三種：地面式、地下式和架空式（和稱地上式）。這三種敷設(shè)方式在多年凍土區(qū)的使用條件及可能出現(xiàn)的問題，大致如下：

1.1 架空式

架空式主要用于多年凍土熱敏感性很強(qiáng)的高含冰量地帶，如飽冰凍土及含土冰層等凍土類型地段。這些地段所涉及的凍土工程問題是基礎(chǔ)與凍土間的熱交換計(jì)算、管道的保溫層厚度、基礎(chǔ)的凍脹與融沉變形等。為避免管道的熱量通過基礎(chǔ)向多年凍土地基傳熱，通常采用的隔熱法和冷卻法，以防止管道熱力傳遞或冷卻多年凍土地基，保持凍土地基始終處于凍結(jié)狀態(tài)，達(dá)到凍土地基的穩(wěn)定性。如美國(guó)阿拉斯加輸油管道同時(shí)采用樁基架空式和熱虹吸管（即稱熱管、熱樁或熱棒）的敷設(shè)方式，確保多年凍土區(qū)輸油管道的安全運(yùn)營(yíng)。實(shí)踐證明，美國(guó)在阿拉斯加多年凍土區(qū)高含冰量地段采用這種輸油管道敷設(shè)方式與方法是成功的，造價(jià)卻是高昂的。

這種敷設(shè)方式可以在除河流的漫灘以外的任何地方。管道敷設(shè)在每個(gè)獨(dú)立的支墩上，其間距取決于管道的直徑，或者由計(jì)算確定，一般為20～60m。支墩在地面以上的高度根據(jù)布設(shè)的地段而定，在居民點(diǎn)以外的地方，支墩的高度為0.5～1.5m，屬于低架支墩。在居民點(diǎn)和干線管道交叉地段，支墩高度為4.5～5.5m，或更高些，屬于高架支墩。支墩的結(jié)構(gòu)可以是金屬的鋼架結(jié)構(gòu)，或者是鋼筋混凝土板式結(jié)構(gòu)、橫梁結(jié)構(gòu)。支墩有固定式、縱向活動(dòng)式（僅沿著管道軸線可以移動(dòng)）、自由活動(dòng)式（管道軸線和橫向都可以移動(dòng)）。

多年凍土區(qū)多數(shù)是采用樁、柱深埋基礎(chǔ)，主要用于高架敷設(shè)的支墩。土堤或拋石路堤等基礎(chǔ)主要用于低架支墩的基礎(chǔ)。自由活動(dòng)式的支墩主要用于地震地區(qū)管道敷設(shè)，但管徑通常都小于400mm時(shí)采用。

架空式敷設(shè)管道應(yīng)預(yù)先補(bǔ)償管道的溫度變形。在積雪較大的地區(qū)，管道脹縮部分不應(yīng)擾動(dòng)積雪，管道要敷設(shè)要最大可能地高于積雪表面。架空式敷設(shè)的主要優(yōu)點(diǎn)是避免管道對(duì)多年凍土的直接影響，便于維修，降低事故率，不會(huì)妨礙地表水的地表徑流。其缺點(diǎn)是是成本較高，外沖擊作用下比較脆弱，出現(xiàn)事故時(shí)管道損壞較多。

1.2 地面式

地面式敷設(shè)為管道在地面或再修筑路堤埋設(shè)，多在地形劇烈交錯(cuò)地段或者沼澤化路段應(yīng)用。這種敷設(shè)方式較適合于多年凍土含冰量較小的地段，如富冰凍土，當(dāng)然更適用于多冰凍土和少冰凍土地段。所涉及的工程問題有：地基與管道的熱交換計(jì)算，管道保溫層管道、管道底墊層底隔熱保溫材料及厚度、凍土地基的凍脹與熱融沉降變形，以及路段的高度與填料的確定等。我國(guó)大興安嶺多年凍土區(qū)鐵路機(jī)車供水和居民給排水管道，主要就采用這種敷設(shè)方式，運(yùn)營(yíng)的效果大部分較為成果和滿意的，造價(jià)較低廉。

地面式敷設(shè)，通常應(yīng)在地面上鋪設(shè)大于10cm以上的砂墊層。路堤的高度要高于管道0.5m以上，頂寬應(yīng)大于管徑的1.5倍，邊坡坡度通常為1∶1.5～1∶2.0，路堤頂部和邊坡都要用草皮或植被固定。非路堤式的地面敷設(shè)方式常作為代替縱向變形補(bǔ)償，路堤式無或有補(bǔ)償變形。

地面式管道的優(yōu)點(diǎn)在于無需大開挖。缺點(diǎn)是外力作用下可靠性較低，運(yùn)土工程量大，對(duì)多年凍土有附加的間接熱力作用，會(huì)使地表徑流發(fā)生變化，影響野生動(dòng)物的遷徙。

1.3 地下式

地下式即埋入式。較適用于低含冰量的多年凍土，如多冰凍土及少冰凍土地段，以及最大季節(jié)凍結(jié)深度小于2m的季節(jié)凍土區(qū)，和無須不?？v向變形或地下管線補(bǔ)償段。所涉及的工程問題有：凍土與管道間的熱交換計(jì)算、管道保溫層厚度確定、地基土的凍脹與熱融沉降變形、最大季節(jié)凍結(jié)深度的確定、管道合理埋置深度的確定以及跨越障礙處理等。我國(guó)青藏高原多年凍土區(qū)格拉成品油輸油管道，以及西部季節(jié)凍土區(qū)大量的油氣管道即采用這種敷設(shè)方式，運(yùn)營(yíng)效果是成功的，造價(jià)也相對(duì)較低廉。

通常管道敷設(shè)于地下溝內(nèi)，管溝下部的寬度（bp）取決于管道的外徑（Dp），當(dāng)管徑≤700mm時(shí)，一般應(yīng)比管道外徑大3m，即bp=Dp+3（m）。地溝的深度與邊坡應(yīng)視凍土的土質(zhì)于地下冰的含量。地溝的邊坡可采用1：1.25（卵礫石及砂土）到1：0.5（粘土），在少冰凍土、多冰凍土和巖石地帶，也可以為直立的。地溝的深度應(yīng)視地基土的凍脹性和凍土的含冰量而定，強(qiáng)凍脹性地段，應(yīng)埋置在最大凍結(jié)深度的2/3～3/4深度以下，從防融沉的角度考慮，盡量避免管道的熱力對(duì)多年凍土產(chǎn)生影響，管道距多年凍土上限越遠(yuǎn)越好，但必須滿足管道外徑加0.8m。

2.敷設(shè)方式選擇

管道的敷設(shè)方式的選擇，就凍土地基情況而言，應(yīng)該取決于管道能源載體的溫度段的類型（高溫段、溫暖段和寒冷段）及管道線路段的地區(qū)地質(zhì)-地貌、凍土和水文地質(zhì)條件劃分的類型。管道線段的地域類型可分為四類

3.總結(jié)

根據(jù)國(guó)外多年凍土地區(qū)的輸油管道施工經(jīng)驗(yàn)，地下式敷設(shè)方式具有較多的優(yōu)點(diǎn)，它可以最好地保證防止管道可能地?cái)嗔雅c破壞，防止失火，對(duì)生態(tài)環(huán)境地破壞較小，不會(huì)阻礙地表水的徑流和野生動(dòng)物的遷徙。然而，它卻受到凍土條件的制約，尤其是增熱管段會(huì)使凍土地基形成很大的融化圈，特別是在高含冰量地段，產(chǎn)生很大的融化下沉量，使管道產(chǎn)生較大的變形。為此，在高含冰量多年凍土地段，一般不采用地下式敷設(shè)方式，尤其是增熱管道。在季節(jié)凍土區(qū)，寒冷管道往往會(huì)使管道周圍的土體凍結(jié)形成凍結(jié)圈，產(chǎn)生法向凍脹力，使管道遭受破壞。因此，也不希望在季節(jié)凍土區(qū)或不銜接多年凍土區(qū)采用地下式敷設(shè)寒冷型管道。

當(dāng)然，在目前的科學(xué)技術(shù)水平和施工經(jīng)驗(yàn)，可以在任何地域采用任何一種敷設(shè)方式，問題的關(guān)鍵在于工程費(fèi)用、施工難度以及運(yùn)營(yíng)安全等問題。所以，敷設(shè)方式的選擇包含著技術(shù)與經(jīng)濟(jì)問題，具體情況需要具體處理，求得合理的敷設(shè)方式。