夯管技術在裝配式輸油管線凍土鋪設中的應用

張浩，蔣明，魏振堃

（解放軍后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系，重慶 401331）

夯管技術在裝配式輸油管線凍土鋪設中的應用

張浩，蔣明，魏振堃

（解放軍后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系，重慶 401331）

通過在特定地區進行管線設施預置，建立起高效的裝配式輸油管線系統，從而加快遠程應急輸油保障力量的形成。針對我國邊境多年凍土地區的環境特點，分析了傳統穿-跨越鋪設方式的局限性，然后提出了應用于裝配式管線系統中穿-跨越式鋪設的夯管技術；另外，針對夯管技術的應用要求進行了分析，從而為裝配式管線預置中的穿-跨越式鋪設提供參考。

裝配式；輸油；穿跨越；夯管；凍土

Abstract:Establishing an effective assembling type of oil-pipeline system via presetting pipeline facilities in the specific area can contribute to the formation of the remote emergent oil security. In view of the environmental property of the permafrost regions around Chinese border, the limitations of the traditional crossing-spanning laying (CSL)modes were analyzed, and then a pipe-ramming technology for the CSL of the assembling type of pipeline system was proposed. In addition, the application requirement of the pipeline technology was analyzed, so as to provide a reference for the CSL in the assembling type of pipeline presetting.

Key words:Assembling; Oil;Crossing-spanning laying; Pipe-ramming;Permafrost

裝配式輸油管線系統是陸地上大量輸送油料最有效、最可靠的裝備，是遠距離運輸油料的主要力量，具有鋪設撤收快、適應性強、不占用道路、運量大、損耗小、便于機動轉移等特點。經過多年的應用與發展，裝配式輸油管線系統主干裝備如泵站裝備、線路裝備、作業裝備等的技術性能已經有了質的飛躍，但在特殊地段的穿跨越技術與裝備方面還存在比較大短板，遇到道路、河流、人口密集區和風景名勝區等地段時，傳統的技術手段顯現出較大弊端，實際可用的技術手段缺乏。面對我國西部及東北部邊境的多年凍土地質，裝配式輸油管線系統在穿跨越鋪設中表現出的缺點明顯，極大的影響了即時輸油保障的力量發揮。針對我國特定地理方向的裝配式管線預置建設研究，不僅是對裝配式管線系統的發展和完善，也對我國遠距離輸油保障力量建設具有重要意義。

1 傳統陸地穿跨越技術的局限性

現階段裝配式管線傳統的陸地穿跨越技術主要有簡易支撐、懸掛、門橋、挖溝埋管、渡板、護木墊塊，或者利用道路附件的溝渠、橋梁、涵洞等現成設施實現穿跨越鋪設[1]。這些年在管線勘察選線和預置建設的實施中，暴露裝配式管線鋪設面臨穿跨越狀況時的種種問題。

1.1 懸掛支撐方式

中印邊境，尤其是西藏地區，要求管線鋪設線長、面廣，在遇到道路需要通過時，沒有橋涵設施；采用門橋、懸掛，寬度、高度和使用期均有限制，影響道路正常通行，同時凍土地質表現出的凍脹和融沉現象對懸掛地基的破壞明顯。基礎因凍脹或融沉而產生變形，嚴重時將使門橋懸掛裝置傾斜，影響設施的正常功能，使原本可靠性不高的穿跨越設施變得更加易毀。遭受人為破壞后恢復能力弱，不能有效的增強管線的隱蔽性。

1.2 借物護管方式

采用護木墊塊方式鋪設管線后，常常出現當地老百姓人為破壞管線設施，盜取護管器、護木的現象，管線鋪設的可靠性和穩定性大大降低；采用渡板，渡板分為新式和老式兩種，老式渡板對于底盤低的車輛是基本“卡死”，而新式渡板是由多塊零部件組裝而成的，克服了老式渡板的問題，但由于是組裝而成，它的承受量是有限的。若較重的車輛駛過，很容易將渡板的連接處碾壓變形，使渡板喪失去功能。新老渡板均存在被盜的問題，缺乏保護防盜措施，實際應用中很不實用。

1.3 挖溝埋管方式

人工挖溝埋管，作業量最大，實際情況中，若嚴格做到標準埋設，要開挖的路段是填埋段的3～5倍，管線才能不會出現中間管段埋設在土里，兩邊管段裸露在外面的現象。同時在多年凍土區采取開挖式埋管措施，會使凍土區的土體與外界增強熱交換，溫度升高，破壞了地表條件，增加了土體活動層厚度，影響凍土土質內部平衡。凍土開挖式鋪設管線是造成多年凍土退化的主要原因之一[2]。不僅會產生一系列的生態環境問題，還會使輸油管線的穩定性隨之發生變化。

線路勘察確定后，在必要情況下如若需要通過人口密集區或者風景名勝區，穿跨越管線的不可靠及不穩定是極大的安全隱患，對人身財產、公共設施和自然環境都構成了很大威脅。裝配式管線的使用局限性也直接影響到管線系統保障能力的生成和發揮。

2 夯管技術的技術特點及優勢

夯管技術是將夯管錘產生的夯擊力直接作用于待鋪設鋼管一端，通過管體傳遞至另一端的管靴，楔入土體，克服鋼管端前阻力與管土摩擦力，夯擊管體沿預定路線前進，待進至預定位置后，停止夯擊，徹底清除土芯，完成非開挖鋪設。夯擊過程中一般采用管與管續接的方式滿足長度需求，調整控制第一節鋼管的方向滿足精度控制，同時通過在管外壁注漿添加潤滑劑、隨夯隨注漿、隨夯隨清土的方式達到減少夯擊阻力的目的（圖1）[3]。夯管技術的應用具有以下幾個特點。

2.1 非開挖，擾動小

凍土地質體是一種對外界環境敏感和性質易變的特殊地質體，人為工程活動影響管體周圍土層溫度場變化，改變土體物理性質，能誘發凍結和融化，使凍土環境和生態環境發生重大變化[4]。基于多年凍土環境脆弱、分布破碎且穩定性較差的特點，使得在施工過程中應采用盡可能小的限度擾動多年凍土，保護凍土地質環境。同時我國中印邊境，尤其西藏地區海拔高、地緣廣闊，運輸交通道路單一少量，換道變路選擇有很大的局限性，采用夯管技術避免了傳統開挖施工對居民生活和出行的干擾以及對交通、環境、周邊建筑物基礎的破壞和不良影響。

圖1 夯管施工法示意Fig.1 Construction method of ramming

2.2 工作坑面積小，投資少，施工速度快

相比其他非開挖技術，夯管采用夯錘施工，無須后背力且在夯擊過程中無須施工人員在工作坑內操作，減少了工作坑的面積，節省了施工費用[5]。同時沒有定向穿越回拖的過程，減少了定向鉆孔洞坍塌堵塞的風險。夯進速度為10 m/h左右，加快了施工速度，與裝配式輸油管線的特點相吻合。

2.3 適用性廣，操作維護方便

在夯擊鋼管切削土層的過程中，由于其土層在鋼管內擠壓排出，遇到大的卵石土層，小的石塊可通過管內壓迫排出，大的石塊擊碎通過，所以夯管適用于除了巖層和沼澤的其他土層，對于特殊土質也有很強適用性，適用性廣，在穿越鋪設的普適性方面相比其他非開挖技術有明顯優勢[6,7]。夯管錘的適用管徑為100～2 000 mm，國內的裝配式輸油管線主要分為DN100～DN150兩種。相比于頂管技術適用管徑偏大、定向鉆技術操作復雜，夯管技術是裝配式輸油管線鋪設技術應用的首選。

3 凍土地質環境對裝配式管線預置建設的影響

管線系統預置建設是指在預設的特定地域及附近地區，根據保障需要，預先建設管線系統所需的設施設備，目的是在應急情況下加快形成管線系統保障能力，縮短油料遠程運輸時間，提高管線系統快速反應能力。多年凍土地質里輸油管線的設計和施工具有許多特殊性。管線周圍凍土的物理力學特性與其土體水熱狀態直接相關，對土體水熱狀態影響大的施工措施及介質溫度傳遞等因素其他會極大的改變土體的物理力學特性，威脅到管線的安全使用[8]。

3.1 夯擊力、沖擊頻率的確定需考慮凍土土質特殊的物理性質

夯錘夯擊管體、管體切削凍土實質是持續低頻的沖擊荷載使凍土變形的過程。凍土變形過程表現為其孔隙、裂紋擴張放大，發生斷裂變形，導致土體破壞。抗剪、抗壓、抗拉等強度數值是反應凍土沖擊動態力學性能的重要參數[9]。根據凍土的水熱變化過程，水、冰與礦物顆粒結合后會大大增加粘聚力和內摩擦力，從而極大提高了凍土抗沖擊變形性能[10]。夯擊過程帶來的周圍環境溫度急劇變化，沖擊值的大小，沖擊頻率的高低均對夯擊管體效果產生較大影響。對于凍土，存在最優夯擊值的計算，超過最優值，夯擊下的凍土土屑排出速度跟不上夯擊管體前進速度，堆積的凍土屑需要反復夯擊才能排出，導致夯擊值的增大對夯擊效果適得其反[11]。選擇最優的夯擊力和沖擊頻率是合理科學施工的重要環節。

3.2 凍脹融沉現象影響了夯入管材性能參數選擇

環境變化引起的土體凍結，會使土體體積膨脹，膨脹力克服管體強度，推壓埋地管道沿膨脹方向運動，使管體各段可能發生較大形變，大多數情況表現為翹曲現象，是管線偏離埋設路線，使管體產生屈服破壞。而因管體沿線參數差異會導致凍脹量不同，一部分管段的上拱高度會比另外管段的上拱高度高,即使管體的結構剖面是平直的,凍脹后的管體剖面也將是不規則的。凍土體在融化過程中融沉量的差異導致管體出現較大的應變，甚至可能造成管體無法使用[11]。傳統的管線強度設計是基于各種規范中許用應力的大小完成，關于凍土區的管道設計規范并不多。針對管體在凍土區所需承受的變形量，傳統的設計結果是不能滿足現實需求的。應當通過定計算凍脹量的參數，定義管體管道的拉伸應變和壓縮應變的極限狀態,根據材料的適應性研究，并由此確定管材相應的設計要求。

3.3 采取科學合理的凍土區管線維護保養措施是預置管線設施的必要過程

預置穿跨越管線設施的建設是為未來應急油料運輸保障提供方便快捷的橋梁，因此建設后的維護保養是正常發揮管線功能的重要措施。穿越土壤的特質對管線的保溫、防侵蝕、防融沉、防凍脹等維護保養方面均造成了直接影響。在凍土區，失去保護措施的埋地管線由于地表溫度的周期波動，長時間會導致管線周圍土體溫度極大變化，管線上方土體與管體自身的融沉差會加速管體應力變形，引發翹曲[13]。國內管體防治凍害的措施主要有人工制冷、使用隔熱材料表面涂層、采用卵石墊層和聚苯乙烯隔熱墊層、特殊保溫措施、熱管技術、特殊結構材料和構件、提高壁厚等[14,15]。針對非開挖管線的防凍治措施尚缺少研究，需要采取科學合理的措施達到預置穿跨越管線停用期的保養目的。

4 影響凍土可夯性主要因素分析

凍土可夯性是指夯擊管材進入凍土的難易程度，也能反應凍土對夯管錘擊打管材切入的抵抗程度。管材進入凍土的過程其實是凍土發生應力變化直至破碎的過程。可夯性的研究是夯管施工的可行性分析，是夯管設備選型、材料選擇的重要依據。在對凍土施加荷載的研究中，由于荷載施加的長短與凍土性質的變化量大小相互影響很大，且荷載施加的時間越長，凍土各項性質變化會越明顯，加之凍土地基上建筑的穩定是最初解決凍土融沉問題的主要方向，所以凍土在靜荷載的研究遠遠多于動荷載[16]。隨著凍土地區工程應用的多樣性發展，單一靜荷載的理論已經不能準確反應現實工程問題。如對凍土鉆探、切削、沖擊等一些施工開挖，高原路基交通荷載下的融沉問題方面[17]，研究動荷載下的凍土變化是必要的理論依據。

管材作用于凍土的受力是瞬時沖擊動力荷載，具有瞬變、短頻、周期的特點。凍土在瞬時沖擊荷載下表現出的強度性質是研究凍土可夯性的的重要指標。應力場和溫度場的變化會使凍土的力學性質呈現不穩定性，同時荷載作用土體的時間也是影響凍土力學性質不穩定的重要因數。夯擊荷載的時間太短，導致凍土的局部應力瞬間變化，凍土呈現出的脆性變形占大部分，同時短時間在局部的變形堆積轉化為凍土的破碎現象。加速局部瞬時的脆性變形堆積，以及縮小接觸應力的局部面積，都是增強凍土可夯性的方式。

夯擊力在土體中的傳遞是以應力波的形式傳播的，夯擊下的瞬時動荷載可以用彈性應力波的傳播來分析施加。波的傳播速度與介質的密度有關，土體越密實，傳播速度越快，相對彈性波的能量損耗越低。密實的土體強度更大，能量波損耗更低，因此凍土的可夯性更難。凍土的結構、成分、應力狀態都影響著夯擊力的傳遞，所以瞬時動荷載的傳播是反映凍土可夯性的重要過程[18]。

隨著凍土中含水量的變化，土的凍結溫度也在變化。土中未凍水的含量直接影響著凍土的強度參數，溫度越低，未凍水含量相對越少，強度越大，管材越難夯進。因此溫度變化下的土體凍結狀態對凍土的夯進效果有著很大影響。

綜上所述，凍土可夯性的理論分析應當從凍土破壞機理、瞬時動荷載傳遞過程和溫度場變化著手，分析凍土抗壓、抗剪、抗拉、抗切削等強度在抵抗破碎方面的作用。當然影響凍土可夯性的因素很多，每種因素均在某一方面一定程度反映了凍土的可夯性，但要精確地把握凍土可夯性的難易程度，需要采用凍土綜合指標進行科學的評價分析。

5 結束語

夯管技術在裝配式輸油管線凍土鋪設的應用是管線系統預置建設的有效手段。其技術要求在工程應用中尚存在很多問題需要研究。關于凍土研究方面，凍土靜態力學性能的研究得到了長足發展，但是至今為止凍土動態力學性能的研究寥若晨星。地區環境因素使實驗室的測試相比于原位測試在凍土方面表現出更大的局限性，凍土模型的缺少也讓利用數值模擬研究沖擊荷載效應的方法難以準確實現。但凍土地域的輸油管線系統預置建設于國于民都具有重要意義，夯管技術的應用研究是其中的重要環節。

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4 結 論

本文介紹的熱電聯供技術采用的天然氣內燃發電機組、微機保護和自動控制裝置、光纖通訊、熱管和板式換熱器、調節閥，均屬于市場標準化設備，可快速實現工業化應用。

天然氣聯供技術在油田推廣，在降低天然氣和電力能源損失的同時，能夠減少碳排放量以及煤炭使用量，符合國家低碳環保要求。利用油氣田天然的環境能源優勢，積極推廣天然氣分布式能源聯供技術，能夠提高能源綜合利用率，帶來明顯的經濟效益和社會效益，具有較好的推廣應用價值。

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Application of the Pipe-ramming Technology in Assembling Type of Oil Pipeline Laying in Permafrost Regions

ZHANG Hao1，JIANG Ming2，WEI Zhen-kun2

（Military Oil Supply Engineering Department, Logistic Engineering University of PLA, Chongqing 401311, China）

TE 832

A

1671-0460（2017）09-1859-03

重慶市科技攻關項目“應急裝備關鍵技術研究及產業化示范”，項目號：cstc2012gg-sfgc0002。

2017-07-09

張浩（1991-），男，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事石油與天然氣工程管線輸送方向的研究。E-mail：1147212477@qq.com。

蔣明（1972-），男，教授，主要從事油料輸送理論、技術與裝備及軍事后勤裝備學的教學科研與學術研究。E-mail：2269459137@qq.com。