淺談凍土地區管道建設的工程技術難題

摘 要:近年來，隨著經濟的發展，管道工程的興建在我國也如雨后春筍般出現。管道工程在施工過程中會受到地質以及氣候等多方面因素影響，其中凍土地區的管道施工難度最大，本文將就針對凍土地區管道工程施工中的技術難題進行簡單的分析。

關鍵詞:凍土地區管道工程管道施工技術難題

中圖分類號:TU7文獻標識碼: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℃以下的環境溫度下，轉變成結晶狀態或膠結了松散的固體顆粒。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，凍土與普通的土質最大的區別在于其力學特征方面，凍土的長期存在會對管道產生一定的影響，如果處理不好則會產生更為嚴重的后果。

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，在東北部的大興安嶺地區和長白山地區也分布著大量的凍土。在新疆地區冬季凍土的厚度可以達到2～53m，大興安嶺地區冬季凍土的厚度可以達到2～94m，多年凍土地區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

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

2 凍土地區管線的敷設方式

2.1 傳統的埋地式

采用埋地式的敷設方式要以合理的基巖結構以及優越的排水條件作為基礎，或者是通過仔細的勘察和研究當凍土融化對管線產生的影響在允許的范圍內時，可以采用傳統的埋地方法。采用地下埋設管線的深度則取決于管線的彎曲程度以及當地的巖土條件，同時要考慮到管線自身的復合能力，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生變形，無法維持其穩定性，因此，有些地區的管線需要在地表以上進行放置。放在地表的管道，需要使用管道支架或者管臺上，由于管道運行中受環境影響需要延伸，因此應當確保其熱脹冷縮所產生的應力在其能夠承受的范圍內。另外，采用地表放置式的管線應當采取一定的隔熱措施，確保其符合設計溫度。在設計時需要同時考慮到內部壓力以及靜態下的結構負載，甚至還需要考慮到野生動物對管線會造成的破壞等。

2.3 特殊埋設式

特殊埋設式主要考慮凍土穩定、經濟和安全。例如，富冰凍土、高陡邊坡和強烈地震帶。有許多限制管道對圍巖土的熱力侵蝕，包括隔熱、“熱匯”、熱管、強制對流和其它機械制冷。管道設計還需考慮水的浮力作用、凍土邊坡穩定及管道側向穩定問題，計算相應應力和采取安全措施。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面。

3 凍土區油氣管道建設的工程技術難題

大多數的凍土地區在設計以及施工的過程中需要考慮的因素都是多方面的，其中應當考慮到未來一段時間內的氣候變化，以及環境對管線產生的影響等等。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境的變化是一個開放和動態的系數，其變化過程中既有漸變，也有突變，因此無法對其進行有效的控制，這就造成了凍土地區管線施工的一個重要難題。針對這一技術難題，大多數的工程都設計了相關的環境管理政策，對管線的使用壽命期間可能會發生變化的氣候和環境因素進行綜合的考慮。通常情況下，線性工程的預期使用壽命在25～50年左右，大型的工程如南水北調等線性工程，預期使用壽命為100年作用。在溫度不高的凍土區，年平均氣溫以及地表的積雪覆蓋會對管線的使用壽命產生重要的影響。由于富冰凍土的導熱系數遠大于未凍土，如果某個夏天突然變暖，溫度上升5～60℃，活動層大幅度變化，就會對管線產生十分嚴重的影響。

4 凍土退化對管線工程的影響及解決措施

4.1 凍土退化對管道穩定性的影響

凍土承載能力的下降使管道發生融化和下沉現象，凍結的土顆粒會由于力學強度而使得凍土的粘合度受到影響。如果氣溫持續升高，則凍土的承載能力會持續的減弱，當凍土完全融化時，由于水和土膠結而形成的強度將最終完全消失，對管道的穩定性產生嚴重的影響。另外，當季節性融化導致冰層融化時，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行的措施

(1)對施工管道沿線凍土帶進行詳細的地質調查，對其凍土的分布區域進行詳細的觀察和分析，確定易遭受凍土、凍脹或融沉影響的重點管段。

(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生的安全事故。

(3)加強重點管段的監測工作。對處于不穩定型凍土的管段、邊坡管段、穿跨越部位等重點位置進行實時監控，以保證管道的運行安全。

5 結語

凍土地區的管線施工是我國管道工程中經常遇到的問題，在工程的設計和施工階段，要對氣候的變化以及環境的變化對凍土的影響進行充分的考慮，確保其穩定性不受影響，促進我國管道工程的迅速發展。

參考文獻

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