中俄二線管道工程多年凍土區(qū)凍害問(wèn)題分析

大慶油田工程有限公司

中俄原油管道二線工程（簡(jiǎn)稱(chēng)“中俄二線”）與中俄原油管道漠河—大慶段工程（簡(jiǎn)稱(chēng)“漠大線”）并行敷設(shè)，一般地段并行間距為10 m[1]。但多年凍土作為巖土熱狀態(tài)對(duì)外界氣溫的一種響應(yīng)，其分布和工程地質(zhì)特性空間異質(zhì)性很大，在地氣熱量交換過(guò)程中受到地形地貌、地表覆被、地層性質(zhì)等多種非地帶性因素的影響，呈現(xiàn)出保存狀態(tài)、地溫、厚度、含冰量等主要特征的空間異質(zhì)性[2]。而大興安嶺地區(qū)的多年凍土極易在包括漠大線及加漠公路等工程的施工熱擾動(dòng)下產(chǎn)生衰退和融化，其物理性質(zhì)被改變，導(dǎo)致地表植被、地下水等發(fā)生變化[3]，造成凍土退化及引發(fā)新的凍脹丘、冰椎等凍土次生災(zāi)害的發(fā)生[4]。

制定科學(xué)的凍害研究技術(shù)路線，合理、全面地利用漠大線凍土區(qū)建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)，是保障中俄二線建設(shè)更加安全、順利、可靠的基礎(chǔ)。在中俄二線設(shè)計(jì)前期，通過(guò)收集、整合漠大線凍土資料，收集漠大線在運(yùn)營(yíng)以來(lái)主要存在的工程問(wèn)題及檢測(cè)、監(jiān)測(cè)所取得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行野外調(diào)查，以及通過(guò)野外勘查獲取基礎(chǔ)資料，采取原狀土樣供室內(nèi)測(cè)試、分析使用等方法[5]，提出相應(yīng)的措施和建議。

1 冷生病害問(wèn)題調(diào)查分析

冷生現(xiàn)象是寒冷地區(qū)由于地表和地下水凍結(jié)，或者地層材料在溫度應(yīng)力作用下，促使水分、表層土顆粒發(fā)生位移的一種現(xiàn)象。漠大線管道經(jīng)過(guò)地區(qū)冷生病害主要為冰錐、冰幔、凍脹、凍拔、季節(jié)性?xún)雒浨稹⒌乇砹芽p等病害。雖目前對(duì)于管道并沒(méi)有造成明顯的影響，但是已經(jīng)對(duì)沿線附屬設(shè)施造成了嚴(yán)重的破壞。且表層土層循環(huán)凍融及其引起的水分、土顆粒的遷移、集聚等現(xiàn)象在長(zhǎng)期作用過(guò)程中可能會(huì)逐年累計(jì)惡化，最終影響管道運(yùn)營(yíng)。

1.1 冰椎

冰椎是寒區(qū)比較常見(jiàn)的一類(lèi)冷生現(xiàn)象（病害），主要發(fā)生在地下水溢出帶內(nèi)，一般發(fā)育在山前緩坡前緣。

在管道施工中，由于管溝的開(kāi)挖，有可能阻斷原來(lái)地下水的徑流通道，使得管溝溝壁成為地下水出露點(diǎn)，或者在冬季發(fā)生回凍時(shí)，由于管溝填料比較松散，含水量較大，導(dǎo)致回凍速度較慢，從而形成地下水溢出的薄弱地帶。在冬季，地下水從管溝中溢出后隨即凍結(jié)，在管溝及其附近可以形成大面積的冰椎。這種情況下，形成次生冰椎（圖1）。

圖1 漠大線管道某處的冰椎Fig.1 Ice cone somewhere along the Mo-Da Line

冰椎本身對(duì)于有基礎(chǔ)支撐的管道來(lái)說(shuō)不會(huì)造成管道破壞，但是管道地基下的多年凍土發(fā)生融沉，使管道失去支撐，在管道自身重力及附加上面的冰體重力作用下，則有可能加劇管道變形或破壞[6]。

1.2 冰幔

冬季在河床較寬、河水較淺的河道上，由于冰凌的阻塞或者水層較薄的地方首先凍透，冰層直接凍結(jié)在河床上，河流上游來(lái)水被冰層阻擋，向兩側(cè)河漫灘滿溢，有時(shí)甚至滿溢到岸上，形成大面積河道冰幔（圖2）。另外，管溝填料由于自然壓實(shí)和固結(jié)而塌陷，地表水向管溝中匯集并在冬季凍結(jié)，也可以形成大面積冰體，這些地表的聚冰現(xiàn)象是在人類(lèi)工程活動(dòng)影響下形成的，屬于次生病害。會(huì)對(duì)管道巡檢、維護(hù)、搶修等作業(yè)造成不利影響。并且如果因管道建設(shè)改變當(dāng)?shù)厮臈l件而形成聚冰，則可能誘發(fā)導(dǎo)致管下多年凍土融化。

圖2 河道冰幔形成過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the formation process of river ice mantle

1.3 差異凍脹

多年凍土區(qū)表層在冬季會(huì)發(fā)生地層凍結(jié)，地層中的水分因?yàn)橄嘧兌l(fā)生體積增大。當(dāng)增大的這部分體積不能由土顆粒之間的孔隙容納時(shí)，就會(huì)發(fā)生凍脹[7]。一般地區(qū)地面的凍脹量是厘米級(jí)的，對(duì)于深埋在地面以下2 m 左右的管道幾乎沒(méi)有影響。目前，在漠大線布設(shè)的各類(lèi)檢測(cè)剖面中所埋設(shè)的線纜還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)由于差異凍脹造成的拉斷現(xiàn)象。但是，在中俄二線建設(shè)中，遇到表層土質(zhì)、水分條件差異較大的地段布設(shè)檢測(cè)線纜時(shí)，應(yīng)該注意避免線纜在土層中張得太緊，需留有變形余量。

1.4 季節(jié)性?xún)雒浨?/h3>

季節(jié)性?xún)雒浨鹨话惆l(fā)生在山坡坡腳和溝谷底部等匯水部位，根據(jù)水分遷移的動(dòng)力來(lái)源可分為封閉性?xún)雒浨鸷烷_(kāi)放型凍脹丘兩類(lèi)。從管道巡查資料看，目前管道管溝上部或附近還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)季節(jié)性?xún)雒浨?。但季?jié)性?xún)雒浨鹁哂幸苿?dòng)性，不排除以后會(huì)在管溝上形成凍脹丘的可能。季節(jié)性?xún)雒浨鸢l(fā)生水分吸附、產(chǎn)生凍脹的部位一般較淺，因此中俄二線管道埋深足夠（2.0 m 左右）時(shí)，季節(jié)性?xún)雒浨饘?duì)管道的影響也較小。

另外，由于漠大線管道油溫的加熱作用使管道周?chē)嬖谝欢ê穸鹊娜诨?，在管道周?chē)鷽](méi)有發(fā)生急劇溫度變化的條件，可以抑制凍拔及地表裂縫等問(wèn)題對(duì)管道產(chǎn)生影響[8]。但是對(duì)于埋設(shè)在地表的各類(lèi)管道附屬物，如沿管道布設(shè)的里程樁、管道變形監(jiān)測(cè)樁、埋在地中的管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集線箱等仍具有很大破壞作用（圖3）。因此中俄二線變形監(jiān)測(cè)樁采用襯套方式與周?chē)馏w接觸，使凍拔只作用在外部的襯套管上。

圖3 漠大線管道里程樁受不均勻凍拔而傾斜Fig.3 Mileage pile of the Mo-Da Line inclines due to uneven frost lifting

2 凍害相關(guān)問(wèn)題

（1）埋深不足和露管。在施工過(guò)程中，管溝挖掘深度不足或者施工質(zhì)量問(wèn)題可能導(dǎo)致部分管段懸空埋入。短期內(nèi)此類(lèi)地段不影響管道的正常運(yùn)營(yíng)，但綜上分析可知，如果在冬季滿足凍脹條件，外界氣溫對(duì)淺層填土的冷卻超過(guò)管道油溫對(duì)周?chē)馏w的加熱，使管下土體發(fā)生凍結(jié)，則凍脹作用可能影響到管道，強(qiáng)大的凍脹力可以使管道發(fā)生變形。

（2）填料沉陷。管溝填料沉陷的后果是管溝中積水，甚至可以成為地表水流通道。地表水下滲所攜帶的熱量會(huì)促進(jìn)管多年凍土的融化，加劇管溝底部的融沉風(fēng)險(xiǎn)[9]。

（3）凍融破壞。在管道沿線修筑的大量混凝土構(gòu)筑物和漿砌石擋墻在寒凍風(fēng)化作用下會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞。且這些材料本身含有大量水分，在經(jīng)歷凍融循環(huán)時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力或水分凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹力使這些構(gòu)筑物發(fā)生開(kāi)裂、掉塊，甚至完全破壞[10]。

為防止中俄二線管道出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題，應(yīng)在夏季施工，嚴(yán)格參照有關(guān)寒區(qū)混凝土施工規(guī)范，在冬季到來(lái)之前使其內(nèi)部水分和水泥成分充分反應(yīng)和散失，保證構(gòu)筑物內(nèi)部沒(méi)有自由水；并且注意防止外界水分通過(guò)表面縫隙進(jìn)入構(gòu)筑物內(nèi)部。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及各類(lèi)病害的形成機(jī)理分析，目前發(fā)現(xiàn)的各類(lèi)病害對(duì)正常埋深為2.0 m 管道的安全運(yùn)營(yíng)幾乎不構(gòu)成威脅。

（2）原生或次生的冷生病害對(duì)沿線的一些監(jiān)測(cè)、通信、防護(hù)等附屬設(shè)施會(huì)造成嚴(yán)重破壞，影響正常管道的維護(hù)、檢測(cè)等活動(dòng)[11]。針對(duì)中俄二線工程不同管道附屬物面臨的不同形式的破壞，應(yīng)采取相應(yīng)措施加以預(yù)防。

（3）寒區(qū)淺地表及地表發(fā)生的冷生病害主要控制因素是水分遷移、匯集及相變。因此在中俄二線管道線路選線時(shí)避開(kāi)水分充足的地段，在施工時(shí)加強(qiáng)排水及適當(dāng)建設(shè)排水、擋水設(shè)施；在低洼的匯水地段，適當(dāng)加深管道埋設(shè)深度，避免這些現(xiàn)象發(fā)生在管道埋深范圍內(nèi)。