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3至5個月，積雪厚度0.1～0.5 m，局部達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，需要在冬季進行施工。

永凍土地段管溝開挖施工中采用液壓單鉤挖掘機松動表層凍土，單斗挖掘機配合清理；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)量和施工進度。

1 施工程序 （見圖1）

2 施工機具的配備及要求

（1）根據(jù)寒季施工特點，地表凍層較厚，管溝開挖困難，施工前應(yīng)提前準備開挖凍土的專用設(shè)備，即單鉤液壓挖掘機，將液壓挖掘機單斗換成單鉤，可以勾松堅硬的強風化巖石、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）施工機具、設(shè)備應(yīng)作保溫準備。

3 管溝開挖

3.1 多年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土地段機械開挖

（1）根據(jù)寒季施工特點，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、液壓鑿巖機進行破碎、松動，液壓挖掘機配合清理管溝。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及液壓鑿巖機應(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的松動和清理能力。利用接觸點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)分兩層進行，第一層松動后馬上采用液壓挖掘機將凍塊清理出管溝，然后進行第二層松動和清理工作，直至達到設(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)采用液壓鑿巖機破碎后，采用液壓挖掘機進行平整，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，采用單鉤挖掘機或者挖掘機進行松動，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，啟動相當困難，因此管溝開挖應(yīng)采取設(shè)備連續(xù)運轉(zhuǎn)，實行人休機不休，設(shè)備操作人員進行三班倒班作業(yè)，確保整體施工進度。

（6）管道下溝前應(yīng)采用單鉤挖掘機配合液壓挖掘機清除管溝內(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 凍土沼澤地段機械開挖

在凍土沼澤地段進行了多次的管溝試驗段開挖，在試驗中發(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)前進行開挖，第一層管溝開挖上口寬度為8 m，以保證挖掘機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)前進行第二次開挖，管溝開挖過程中因砂礫層滲水性較強，淤溝、塌方嚴重，在管溝開挖過程中應(yīng)適當加深管溝開挖深度，根據(jù)現(xiàn)場試驗段管溝開挖發(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應(yīng)靠近管道一側(cè)進行開挖，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

炮眼為標準鉆孔，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，當凍層堅硬時，孔距小一些；當凍層松軟時，孔距大一些，以便達到滿意效果。

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）標高。為防止因塌孔、回淤、回凍等造成鉆孔深度的減少，在實際鉆孔中，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，加快了管道施工進度。節(jié)約大量的人工費用和機械租賃費用，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.