永凍土、季節(jié)性凍土、凍土沼澤地段長輸管道大開挖施工

馮大永

（遼河石油勘探局油田建設(shè)工程一公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

中俄原油管道漠河—大慶段起于漠河首站，終于大慶末站，線路全長926 km，管徑為813 mm。沿線多年凍土可分為連續(xù)多年凍土區(qū)、不連續(xù)多年凍土區(qū)、島狀多年凍土區(qū)及季節(jié)性凍土區(qū)。由于位于高寒地段，冬季積雪時間長達(dá)3至5個月，積雪厚度0.1～0.5 m，局部達(dá)1 m以上。季節(jié)性凍土凍層厚度為1.5～2.5 m，永凍土地段地表0.5 m以下均為凍層。為避免管道施工對周圍環(huán)境的影響和凍土融化對管道的影響，需要在冬季進(jìn)行施工。

永凍土地段管溝開挖施工中采用液壓單鉤挖掘機(jī)松動表層凍土，單斗挖掘機(jī)配合清理；凍土沼澤地段采用分層開挖方法施工，大大提高了施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。

1 施工程序 （見圖1）

2 施工機(jī)具的配備及要求

（1）根據(jù)寒季施工特點(diǎn)，地表凍層較厚，管溝開挖困難，施工前應(yīng)提前準(zhǔn)備開挖凍土的專用設(shè)備，即單鉤液壓挖掘機(jī)，將液壓挖掘機(jī)單斗換成單鉤，可以勾松堅硬的強(qiáng)風(fēng)化巖石、凍結(jié)土等。單鉤用16錳鋼材制作而成。

圖1 施工工藝流程

（2）多年凍土地區(qū)嚴(yán)寒的氣候條件、惡劣的施工環(huán)境以及凍土的特殊工程性質(zhì)，要求施工機(jī)械必需具有良好的技術(shù)性能。

（3）寒季平均溫度-20℃，為了保證設(shè)備的正常冷啟動，必須采取相應(yīng)措施。

（4）施工機(jī)具、設(shè)備應(yīng)作保溫準(zhǔn)備。

3 管溝開挖

3.1 多年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土地段機(jī)械開挖

（1）根據(jù)寒季施工特點(diǎn)，地表凍層較厚，管溝開挖困難，凍土管溝開挖可以采用單鉤液壓挖掘機(jī)、液壓鑿巖機(jī)進(jìn)行破碎、松動，液壓挖掘機(jī)配合清理管溝。管溝開挖后溝槽內(nèi)凍結(jié)速度較快，如果不能一次成型，則二次清溝、開挖凍土將非常困難，應(yīng)盡量避免發(fā)生二次修溝。因此單鉤液壓挖掘機(jī)及液壓鑿巖機(jī)應(yīng)選擇功率在360 kW以上，以確保一次開挖成功。

（2）管溝開挖首先采用單鉤挖掘機(jī)直接騎在管溝中心線上倒退的方法開挖，以充分提高液壓單鉤挖掘機(jī)的松動和清理能力。利用接觸點(diǎn)的作用力將凍土層切成塊并翻松，因管溝深度較深，松動工作應(yīng)分兩層進(jìn)行，第一層松動后馬上采用液壓挖掘機(jī)將凍塊清理出管溝，然后進(jìn)行第二層松動和清理工作，直至達(dá)到設(shè)計挖深要求。

（3）管溝開挖出的表層凍土塊應(yīng)該放置在熟土堆放側(cè)，下層凍土塊應(yīng)放置在生土堆放側(cè)，為保證管道下溝正常進(jìn)行，熟土堆放側(cè)及生土堆放側(cè)的凍塊應(yīng)采用液壓鑿巖機(jī)破碎后，采用液壓挖掘機(jī)進(jìn)行平整，以保證下溝設(shè)備行走通道平整。

（4）個別凍土地段因周邊地下水位較高，尤其是林區(qū)地段，分布著很多冰錐和凍脹丘，周邊地下水沿開挖管溝邊側(cè)的縫隙滲漏和涌入管溝形成凍層，施工中應(yīng)每隔1～2 d，采用單鉤挖掘機(jī)或者挖掘機(jī)進(jìn)行松動，以避免溝內(nèi)積水完全凍結(jié)，給管溝清理帶來麻煩。

（5）因冬季施工氣溫較低，設(shè)備啟動較為困難，設(shè)備一旦熄火，啟動相當(dāng)困難，因此管溝開挖應(yīng)采取設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)行人休機(jī)不休，設(shè)備操作人員進(jìn)行三班倒班作業(yè)，確保整體施工進(jìn)度。

（6）管道下溝前應(yīng)采用單鉤挖掘機(jī)配合液壓挖掘機(jī)清除管溝內(nèi)的積雪和積冰，以保證管溝的深度和寬度，確保管道敷設(shè)安全。

3.2 凍土沼澤地段機(jī)械開挖

在凍土沼澤地段進(jìn)行了多次的管溝試驗(yàn)段開挖，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)開挖管溝的方式無法將管溝開挖成型，管溝開挖必須分兩次開挖，才能滿足設(shè)計要求。管溝開挖應(yīng)集中力量搶挖搶下，每500 m為一個分段開挖，一旦具備下溝條件，立即組織下溝、穩(wěn)管、回填。 具體施工程序如下：

（1）在上層土壤沒有完全凍結(jié)前進(jìn)行開挖，第一層管溝開挖上口寬度為8 m，以保證挖掘機(jī)在第二層開挖過程中能夠自由旋轉(zhuǎn)，管溝開挖的土石方盡可能堆放到較遠(yuǎn)的位置，便于堆放第二層開挖出的土石方。

（2）第一層管溝開挖完成后，待第二層砂礫石層沒有完全凍結(jié)前進(jìn)行第二次開挖，管溝開挖過程中因砂礫層滲水性較強(qiáng)，淤溝、塌方嚴(yán)重，在管溝開挖過程中應(yīng)適當(dāng)加深管溝開挖深度，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)段管溝開挖發(fā)現(xiàn)，管溝開挖深度需超挖1.5 m，用于彌補(bǔ)砂礫層快速淤溝造成的管溝挖深不足。

（3）第二層管溝開挖時挖掘機(jī)應(yīng)靠近管道一側(cè)進(jìn)行開挖，開挖的砂礫石層堆放在第一層開挖后的平臺上，直至挖深滿足設(shè)計要求。施工布置示意見圖2。

圖2 凍土沼澤地段管溝開挖斷面示意

3.3 凍土爆破開挖

3.3.1 一般要求

凍土地段管溝爆破開挖，用挖掘機(jī)快速清方，以滿足凍土管道連續(xù)作業(yè)、快速施工的要求。

管溝爆破施工應(yīng)保證管道施工帶以外的地表植被不因爆破施工而遭受破壞。

管溝凍土爆破可采用淺孔松動爆破。為提高爆破破碎效果，降低爆破對多年凍土環(huán)境的影響，多排、多孔爆破時，宜采用毫秒微差爆破。

開挖管溝凍土所用炸藥，可采用黑色炸藥、硝銨炸藥或TNT炸藥。冬季施工時，嚴(yán)禁使用甘油類炸藥 （在低溫條件下，甘油炸藥凝固時，稍微振動即能引起爆炸）。雷管可使用電雷管或?qū)П芾坠堋?/p>

3.3.2 爆破參數(shù)確定

凍土爆破的單位耗藥量q值與凍土巖性成分和溫度有關(guān)，可參考表1選取。

表1 凍土單位耗藥量q值

炮眼為標(biāo)準(zhǔn)鉆孔，直徑d=38 mm；眼深L=（1.1～1.15）H，管溝挖深H按3.0 m考慮，則L=1.1×3.0=3.3 （m）。

最小抵抗線ω= （0.6～0.8）H=0.6×3.0=1.80 （m）。

炮眼間距a一般取 （0.8～2.0）ω，即 0.8×1.80=1.44 （m）。

炮孔排距b一般取 （0.8～1.2）ω，即 0.8×1.80=1.44 （m）。

炮孔間距應(yīng)根據(jù)凍土凍結(jié)松軟程度隨時調(diào)整，當(dāng)凍層堅硬時，孔距小一些；當(dāng)凍層松軟時，孔距大一些，以便達(dá)到滿意效果。

炮眼布置采用梅花形。

單孔裝藥量Q的計算：

Q=qabL=0.3×1.44×1.44×3.3=2.05 （kg）

3.3.3 鉆孔

為了克服基底凍土或基巖底板的夾制作用，避免欠爆或超爆，爆破鉆孔的深度應(yīng)一次鉆到管溝基底 （包括換填部分）標(biāo)高。為防止因塌孔、回淤、回凍等造成鉆孔深度的減少，在實(shí)際鉆孔中，可考慮增加20～50 cm的附加超鉆量。

3.3.4 起爆

起爆網(wǎng)絡(luò)，可采用非電導(dǎo)爆管網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)爆索網(wǎng)絡(luò)。對非電導(dǎo)爆管網(wǎng)絡(luò)，宜采用雙層耐寒型導(dǎo)爆管。為提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，宜采用閉合網(wǎng)絡(luò)。為防止雷電對起爆網(wǎng)絡(luò)的影響，可采用火雷管起爆導(dǎo)爆索或非電導(dǎo)爆管網(wǎng)絡(luò)。采用電雷管起爆網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)采取預(yù)防雷電引起早爆的可靠安全措施。

4 結(jié)束語

通過采取以上技術(shù)措施，我們掌握和解決了永凍土地段、季節(jié)性凍土地段、凍土沼澤地段管道大開挖工序的施工技術(shù)難題，提高了管道施工整體質(zhì)量，加快了管道施工進(jìn)度。節(jié)約大量的人工費(fèi)用和機(jī)械租賃費(fèi)用，為今后永凍土地段及季節(jié)性凍土地段管道大開挖施工提供了可操作性技術(shù)指導(dǎo)。

[1]楊永鵬，韓龍武，丁靖康，等.人工地基在多年凍土區(qū)管道地基處理中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2009，35（2）：5-9.