基于GIS的馬來西亞多介質(zhì)成品油管道線路優(yōu)化設(shè)計

侯仰杰，包 宇，馬東山，李成皓

中國石油工程項目管理公司天津設(shè)計院，天津 300457

1 工程簡介

多介質(zhì)成品油管道項目位于馬來西亞西半島西北部地區(qū)，分別從馬六甲煉油廠和迪克遜煉油廠接收成品油，管道沿線有兩個分輸終端站，實兆遠終端站位于霹靂州，居林終端站位于吉打州。管道從新建馬六甲首站出站后，沿已建管道作業(yè)帶向西北方向敷設(shè)約54 km到達迪克遜給油泵站，然后管道沿已建管道作業(yè)帶向西北方向敷設(shè)，先后經(jīng)過馬六甲州、森美蘭州、雪蘭莪州、普特拉賈亞市、霹靂州、檳城州、吉打州，全長大約580 km，共設(shè)置16座閥室。

根據(jù)本項目業(yè)主與其他相關(guān)利益方達成的協(xié)議，管道利用已有管道作業(yè)帶敷設(shè)，前120 km在已有成品油管道作業(yè)帶敷設(shè)，后460 km在半島天然氣利用工程管道作業(yè)帶敷設(shè)，已有作業(yè)帶寬度從20～40 m不等，同時作業(yè)帶分布著光纜、閥室、分輸站等眾多設(shè)施。

管道沿線主要的地貌為丘陵、風(fēng)化殘丘、海積或沖洪積平原，主要的農(nóng)作物為水稻、棕櫚樹和其他經(jīng)濟作物。管道沿線主要出露的地層由砂巖、頁巖、片巖、花崗巖等風(fēng)化后形成的強風(fēng)化、全風(fēng)化巖石或殘坡積土組成，沿海平原主要為沖洪積和海相沉積的黏性土、砂土、粉土和軟土。

2 平面優(yōu)化設(shè)計

多介質(zhì)成品油管道主要利用已有管道作業(yè)帶敷設(shè)，前120 km在成品油管道的作業(yè)帶敷設(shè)，作業(yè)帶里面有成品油管道、通訊光纜、閥室等設(shè)施，作業(yè)帶寬度從20～30 m不等；后460 km在半島天然氣利用工程管道作業(yè)帶敷設(shè)，馬來西亞石油公司的半島天然氣利用工程管道分為一期、二期、三期管道，作業(yè)帶內(nèi)已建成管道至少2條，最多達到4條，同時作業(yè)帶分布著光纜、電纜、閥室、分輸站等眾多設(shè)施，作業(yè)帶寬度從20～40 m不等。圖1為里程122 km處成品油終端站附近半島天然氣利用工程作業(yè)帶情況，據(jù)地籍信息及地下障礙物探測資料，半島天然氣利用工程的作業(yè)帶分布一條光纜、一條電纜、三條天然氣管道、一條廢棄管道和一座清管分輸站。

圖1 航測底圖

半島天然氣利用工程及成品油管道項目作業(yè)帶的所有者對多介質(zhì)成品油管道項目管道有著特殊要求，馬來西亞石油公司（半島天然氣利用工程業(yè)主）對管道平面位置要求為：距離作業(yè)帶邊界5m；距離半島天然氣利用工程管道至少為5 m；當作業(yè)帶內(nèi)存在已建閥室和分輸站時，管道必須出作業(yè)帶繞行；其他利益相關(guān)方面的要求。為減少費用及征地和協(xié)調(diào)困難，多介質(zhì)成品油管道項目業(yè)主要求本項目盡量減少征地。

為解決多介質(zhì)成品油管道平面位置問題，前端工程設(shè)計期間就開展了地下障礙物探測、無人機航空攝影測量、地籍權(quán)屬調(diào)查、現(xiàn)場踏勘以及與公路、鐵路、水利、規(guī)劃等政府部門進行協(xié)調(diào)溝通等一系列工作，積累了大量的數(shù)據(jù)，這些工作都為最終確定多介質(zhì)成品油管道項目的施工圖路由奠定了基礎(chǔ)[1-5]。在這些資料的基礎(chǔ)上，通過研究比較最終選擇了地理信息系統(tǒng)軟件（GIS）作為最終的操作平臺，放棄了傳統(tǒng)的CAD平臺，確定出多介質(zhì)成品油管道項目管道施工圖路由以及多介質(zhì)成品油管道項目作業(yè)帶、額外超占地等信息。

2.1 地理信息系統(tǒng) （GIS）

地理信息系統(tǒng)是以空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用地理模型分析，實現(xiàn)地理信息采集、儲存、檢索、分析、顯示、預(yù)測和更新的技術(shù)系統(tǒng)。而對空間信息進行處理和分析一直是GIS的核心和重要功能之一。

地理信息空間分析是在GIS的支持下，根據(jù)空間對象在時間和空間中的分布，從中提取空間對象之間的空間關(guān)系及其特征，獲得其發(fā)生的規(guī)律和原因，并預(yù)測其發(fā)展趨勢。多介質(zhì)成品油管道項目利用地理信息空間分析技術(shù)來實現(xiàn)管道線路施工圖平面優(yōu)化設(shè)計與縱斷面優(yōu)化設(shè)計。

2.2 多維數(shù)據(jù)融合

前端工程設(shè)計初期，結(jié)合馬來西亞政府的要求、半島天然氣利用工程及成品油管道的竣工資料、馬來西亞各州土地利用坐標系統(tǒng)，確定出多介質(zhì)成品油管道項目基準坐標系為西馬半島坐標系，為多個數(shù)據(jù)源能夠匯集到一個平臺奠定了基準。

多介質(zhì)成品油管道項目施工過程中，航空攝影測量（UAV）、地下設(shè)施探測（UUD）、地籍權(quán)屬調(diào)查由馬來西亞當?shù)胤职坛袚?，當?shù)胤职淌呛綔y正射影像（DOM）、數(shù)字地面高程模型（DEM）、地形圖、地下障礙物探測成果、地籍數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者和提供者。另外，環(huán)評（EIA）報告也為本項目提供了大量數(shù)據(jù)資料。

前端工程設(shè)計期間，設(shè)計人員與EPC各部門進行了大量踏勘活動，積累了大量野外踏勘數(shù)據(jù)。施工圖設(shè)計期間，EPC項目組與管道沿線當?shù)卣肮?、鐵路、水利、電力、規(guī)劃等相關(guān)部門進行充分溝通協(xié)調(diào)，各利益相關(guān)方對管道路由有著不同的訴求。

把上述數(shù)據(jù)集合到一個平臺中，為詳細設(shè)計階段精確定義出管道中線、施工作業(yè)帶、熱點（困難點）、額外征地，為線路和穿越進行平面和縱斷面優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

2.3 定義施工圖中線、熱點等

數(shù)據(jù)準備好以后，進行數(shù)據(jù)錄入和編輯，利用地理信息平臺的空間分析功能，綜合考慮各方面的利益訴求，定義出管道中線、施工作業(yè)帶、熱點（困難點）、額外征地面積及征地號。工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

圖3為GIS優(yōu)化設(shè)計平臺界面，底圖為航測影像（DOM），黑色線為權(quán)屬邊界線（地籍數(shù)據(jù)），作業(yè)帶分布著一座清管分輸站，黃線為半島天然氣利用工程管道，共2條，青色線為光纜，綠色線為電纜，還有1條燃氣管道和廢棄管道，可以看出作業(yè)帶已沒有空間可安置多介質(zhì)成品油管道項目管道和5號閥室，多介質(zhì)成品油管道需要繞行出作業(yè)帶進行額外征地，利用GIS的編輯功能和空間分析的緩沖區(qū)分析、疊置分析功能，定義出額外征地范圍（圖中陰影部分）和出管道中線（圖中紅線）。

圖3 GIS優(yōu)化設(shè)計界面

3 穿越方式及縱斷面優(yōu)化設(shè)計

多介質(zhì)成品油管道總長大約580 km，其中公路穿越181處、鐵路穿越7處、河流穿越78處，共計266處，平均每千米就有2.35個穿越，數(shù)量龐大，還不包括較小道路與溝渠的穿越。這些穿越分布在管道沿線的低山丘陵、濱海平原、濕地等地貌，地形及障礙物非常復(fù)雜，且作業(yè)空間受限，這些都對穿越方式提出要求。利用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)和工程地質(zhì)信息，可對穿越工程進行平面和縱斷面優(yōu)化設(shè)計。

3.1 穿越難點

多介質(zhì)成品油管道項目主要穿越難點集中在雪蘭莪州、普特拉賈亞市，主要表現(xiàn)為原管道半島天然氣利用工程作業(yè)帶位于丘陵地貌上，現(xiàn)在兩側(cè)已經(jīng)被城區(qū)所包圍，共計80 km左右，主要障礙物為城市已有的公共設(shè)施，如高速公路、城市道路、鐵路、地鐵、河流等。

多介質(zhì)成品油管道項目除了城區(qū)穿越難點較多以外，還有長度超過1 000 m的河流穿越2處，長度超過400 m的河流穿越9處，這些穿越都是在受限空間進行，增加了工程難度。

3.2 穿越方式確定

為保證穿越方式合理可靠，在前端工程設(shè)計期間，設(shè)計團隊與EPC項目部其他相關(guān)部門組成聯(lián)合踏勘小組，對多介質(zhì)成品油管道項目穿越難點進行實地踏勘；結(jié)合在東南亞其他國家的施工經(jīng)驗，特別是中石油管道局在泰國項目的成功案例，對多介質(zhì)成品油管道項目穿越障礙物方式進行重新確定，體現(xiàn)設(shè)計施工無縫銜接、EPC總承包的優(yōu)越性。最終確定多介質(zhì)成品油管道項目穿越障礙物方式有：定向鉆穿越方式、小型定向鉆穿越方式（主要應(yīng)用于城區(qū)公路、鐵路和部分小型河流受限地區(qū)）以及頂管穿越方式。

多介質(zhì)成品油管道項目與其他管道項目相比，由于受地形地貌限制，增加了小型定向鉆穿越方式，并在泰國項目經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行了創(chuàng)新和擴展。小型定向鉆是結(jié)合了定向鉆和頂管的特點，將兩種穿越工藝有效結(jié)合在一起，在穿越段兩側(cè)修筑出、入土坑，深度根據(jù)管道穿越深度確定，可在操作坑將定向鉆穿越曲線截斷，只取直管段部分，直管段以外的弧線過渡段采用延長鉆桿和發(fā)送溝代替，保證管道在彈性敷設(shè)范圍內(nèi)順利回拖。在多介質(zhì)成品油管道項目中，部分采用小型定向鉆穿越公路、鐵路，由于兩側(cè)大高差，加上受限的作業(yè)帶，選取穿越適用的直線或曲線，避免深基坑的開挖，減少對周圍設(shè)施的破壞，既保證了安全性又提高了效率。

3.3 案例一

里程119.5 km處29號公路和鐵路穿越。現(xiàn)場為丘陵地貌，地形由低到高，起伏較大；已有作業(yè)帶兩側(cè)均為棕櫚林；29號公路路面寬度約90 m；路南為道路護坡，二級護坡，路面距坡腳約7.5 m；路北側(cè)緊鄰鐵路，鐵路路基高出29號公路的路面約4.5 m，鐵路為雙軌鐵路，鐵路北側(cè)坡度約9°。管道在此處需沿著成品油管道敷設(shè)，成品油管道作業(yè)帶與半島天然氣利用工程作業(yè)帶并行敷設(shè)。

圖4為基于航測影像DOM和DEM數(shù)據(jù)的GIS系統(tǒng)平臺，分別顯示該穿越處的縱斷面圖及平面圖。

圖4 縱斷面圖及平面圖

比較了三種穿越方案：

（1）頂管垂直穿越29號公路和鐵路，穿越長度約120 m，其中頂管穿越距離超過80 m，且兩側(cè)操作場地高差約12 m，施工難度大；深基坑開挖，占地面積大，會對成品油管道作業(yè)帶的設(shè)施造成影響，安全性差；需占用半島天然氣利用工程的作業(yè)帶，還需要與馬來西亞石油公司協(xié)商用地事宜，協(xié)調(diào)難度大。

（2）定向鉆穿越該處29號公路和鐵路，多介質(zhì)成品油管道項目的管道在此處管徑為660 mm，最大埋深14.5 m，最小單弧344 m。由于該處空間受限，定向鉆穿越方式不適用。

（3） 小型定向鉆穿越29號公路和鐵路，穿越長約180 m。優(yōu)點是不需要占用半島天然氣利用工程作業(yè)帶；施工難度相對較小，安全性高；工程造價低。該方案取定向鉆的弧線和直線部分，保證管道在彈性敷設(shè)范圍內(nèi)完成回拖，設(shè)計方案參見圖5。

圖5 設(shè)計方案

3.4 案例二

里程137.8 km處E11公路穿越?，F(xiàn)場為丘陵地貌，地形起伏較大，地表巖性為碎石土；E11公路穿越段路面寬度約50 m；路南邊坡坡度約36°，坡腳采用石籠擋墻，邊坡高度約7 m；路北側(cè)邊坡坡度約為35°，邊坡高度約5 m，距離南側(cè)邊坡坡腳約27 m，路北側(cè)邊坡上方緩坡坡度約4°。半島天然氣利用工程線路的閥室?guī)缀跽紦?jù)了整個作業(yè)帶的寬度，左側(cè)作業(yè)帶邊界距閥室圍欄僅3 m。圖6所示為該穿越航測影像，圖中黃線為半島天然氣利用工程的管道，紅線為多介質(zhì)成品油管道項目管道建議路由。

圖6 穿越處航測影像

根據(jù)現(xiàn)場情況，結(jié)合數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)和穿越處的縱斷面（見圖7），確定采用出頂管穿越方案。

圖7 穿越處縱斷面

綜上所述，前端工程設(shè)計期間，針對多介質(zhì)成品油管道項目的穿越困難點，在航測數(shù)據(jù)、地下障礙物探測數(shù)據(jù)、地籍權(quán)屬數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)上確定出合理穿越方案，為施工圖設(shè)計做好準備，具有重大意義。

4 結(jié)束語

多介質(zhì)成品油管道項目處于復(fù)雜的敷設(shè)環(huán)境，選擇基于多源數(shù)據(jù)的地理信息平臺，利用地理信息軟件的空間分析和編輯功能進行穿越施工圖的平面優(yōu)化設(shè)計；利用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進行縱斷面設(shè)計和穿越方式優(yōu)化，可取得令人滿意的效果。