淺談凍土地區(qū)管道建設(shè)的工程技術(shù)難題

摘 要:近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管道工程的興建在我國也如雨后春筍般出現(xiàn)。管道工程在施工過程中會受到地質(zhì)以及氣候等多方面因素影響，其中凍土地區(qū)的管道施工難度最大，本文將就針對凍土地區(qū)管道工程施工中的技術(shù)難題進(jìn)行簡單的分析。

關(guān)鍵詞:凍土地區(qū)管道工程管道施工技術(shù)難題

中圖分類號:TU7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(c)-0139-02

引言

凍土指的是含水的松散巖石或土壤， 在0℃或0℃以下的環(huán)境溫度下，轉(zhuǎn)變成結(jié)晶狀態(tài)或膠結(jié)了松散的固體顆粒。凍土中含有水的比例很小，土體的比例卻很大，因此受到外界溫度的變化影響較小，凍土與普通的土質(zhì)最大的區(qū)別在于其力學(xué)特征方面，凍土的長期存在會對管道產(chǎn)生一定的影響，如果處理不好則會產(chǎn)生更為嚴(yán)重的后果。

1 我國凍土的分布以及對管道施工的影響

1.1 我國凍土的分布

我國凍土地區(qū)主要分布在高緯度和高海拔的地段，而多年凍土則主要分布在青藏高原和帕米爾高原等山脈地區(qū)，在東北部的大興安嶺地區(qū)和長白山地區(qū)也分布著大量的凍土。在新疆地區(qū)冬季凍土的厚度可以達(dá)到2～53m，大興安嶺地區(qū)冬季凍土的厚度可以達(dá)到2～94m，多年凍土地區(qū)在我國全國總面積的23.5%，因此，對我國的冬季工程施工帶來了巨大的影響。

1.2 凍土對管道的影響

凍土與普通的土質(zhì)在力學(xué)性能上有著明顯的差異，尤其是多年形成的凍土，對工程建設(shè)的影響也更加明顯。地基中的水分在凍結(jié)和融化的過程中會使土的力學(xué)特征隨之產(chǎn)生變化，產(chǎn)生膠結(jié)力和凍脹力，使水和土通過這些力的作用凝結(jié)在一起，當(dāng)氣溫較低時，水會凝固成為冰，同時體積會迅速的膨脹，使土體產(chǎn)生位移，膨脹的土體在外力的作用下會產(chǎn)生凍脹力，而當(dāng)凍土中的水融化時，土體又會產(chǎn)生收縮，使凍土體積產(chǎn)生熱熔沉陷，如果不能及時對這些現(xiàn)象進(jìn)行合理的處理，則會對管線工程產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

2 凍土地區(qū)管線的敷設(shè)方式

2.1 傳統(tǒng)的埋地式

采用埋地式的敷設(shè)方式要以合理的基巖結(jié)構(gòu)以及優(yōu)越的排水條件作為基礎(chǔ)，或者是通過仔細(xì)的勘察和研究當(dāng)凍土融化對管線產(chǎn)生的影響在允許的范圍內(nèi)時，可以采用傳統(tǒng)的埋地方法。采用地下埋設(shè)管線的深度則取決于管線的彎曲程度以及當(dāng)?shù)氐膸r土條件，同時要考慮到管線自身的復(fù)合能力，一般深度在0.45～1.0m之間為宜。埋地的管線在水平方向和垂直方向上都會產(chǎn)生一定的彎曲力，因此為了確保安全，有些地段需要錨固。

2.2 地上放置式

凍土的融化會使管道產(chǎn)生變形，無法維持其穩(wěn)定性，因此，有些地區(qū)的管線需要在地表以上進(jìn)行放置。放在地表的管道，需要使用管道支架或者管臺上，由于管道運(yùn)行中受環(huán)境影響需要延伸，因此應(yīng)當(dāng)確保其熱脹冷縮所產(chǎn)生的應(yīng)力在其能夠承受的范圍內(nèi)。另外，采用地表放置式的管線應(yīng)當(dāng)采取一定的隔熱措施，確保其符合設(shè)計溫度。在設(shè)計時需要同時考慮到內(nèi)部壓力以及靜態(tài)下的結(jié)構(gòu)負(fù)載，甚至還需要考慮到野生動物對管線會造成的破壞等。

2.3 特殊埋設(shè)式

特殊埋設(shè)式主要考慮凍土穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和安全。例如，富冰凍土、高陡邊坡和強(qiáng)烈地震帶。有許多限制管道對圍巖土的熱力侵蝕，包括隔熱、“熱匯”、熱管、強(qiáng)制對流和其它機(jī)械制冷。管道設(shè)計還需考慮水的浮力作用、凍土邊坡穩(wěn)定及管道側(cè)向穩(wěn)定問題，計算相應(yīng)應(yīng)力和采取安全措施。處理方法包括深埋，以繞開富冰凍土和使用礫石鋪墊支撐管道側(cè)面。

3 凍土區(qū)油氣管道建設(shè)的工程技術(shù)難題

大多數(shù)的凍土地區(qū)在設(shè)計以及施工的過程中需要考慮的因素都是多方面的，其中應(yīng)當(dāng)考慮到未來一段時間內(nèi)的氣候變化，以及環(huán)境對管線產(chǎn)生的影響等等。這些因素考慮多以未來氣候逐漸變暖的情況下，但是不排除氣候突然變暖的可能性。由于氣候的變化和環(huán)境的變化是一個開放和動態(tài)的系數(shù)，其變化過程中既有漸變，也有突變，因此無法對其進(jìn)行有效的控制，這就造成了凍土地區(qū)管線施工的一個重要難題。針對這一技術(shù)難題，大多數(shù)的工程都設(shè)計了相關(guān)的環(huán)境管理政策，對管線的使用壽命期間可能會發(fā)生變化的氣候和環(huán)境因素進(jìn)行綜合的考慮。通常情況下，線性工程的預(yù)期使用壽命在25～50年左右，大型的工程如南水北調(diào)等線性工程，預(yù)期使用壽命為100年作用。在溫度不高的凍土區(qū)，年平均氣溫以及地表的積雪覆蓋會對管線的使用壽命產(chǎn)生重要的影響。由于富冰凍土的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于未凍土，如果某個夏天突然變暖，溫度上升5～60℃，活動層大幅度變化，就會對管線產(chǎn)生十分嚴(yán)重的影響。

4 凍土退化對管線工程的影響及解決措施

4.1 凍土退化對管道穩(wěn)定性的影響

凍土承載能力的下降使管道發(fā)生融化和下沉現(xiàn)象，凍結(jié)的土顆粒會由于力學(xué)強(qiáng)度而使得凍土的粘合度受到影響。如果氣溫持續(xù)升高，則凍土的承載能力會持續(xù)的減弱，當(dāng)凍土完全融化時，由于水和土膠結(jié)而形成的強(qiáng)度將最終完全消失，對管道的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。另外，當(dāng)季節(jié)性融化導(dǎo)致冰層融化時，其凍脹力和凍脹量則會增加。

4.2 解決凍土退化影響管道安全運(yùn)行的措施

(1)對施工管道沿線凍土帶進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查，對其凍土的分布區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的觀察和分析，確定易遭受凍土、凍脹或融沉影響的重點(diǎn)管段。

(2)定期清管，及時更換凹陷變形管段，可以減少管道摩阻、降低輸油能耗。另外，清理管線能夠使管線內(nèi)壁被腐蝕的速度大大降低，延長管線的使用壽命，并且能夠有效的減少由于管線的變形而發(fā)生的安全事故。

(3)加強(qiáng)重點(diǎn)管段的監(jiān)測工作。對處于不穩(wěn)定型凍土的管段、邊坡管段、穿跨越部位等重點(diǎn)位置進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以保證管道的運(yùn)行安全。

5 結(jié)語

凍土地區(qū)的管線施工是我國管道工程中經(jīng)常遇到的問題，在工程的設(shè)計和施工階段，要對氣候的變化以及環(huán)境的變化對凍土的影響進(jìn)行充分的考慮，確保其穩(wěn)定性不受影響，促進(jìn)我國管道工程的迅速發(fā)展。

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