長輸管道穿越濕陷性黃土時斜井充填技術研究

許福興，張永祥(甘肅工程地質研究院，甘肅　蘭州　735000)

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長輸管道穿越濕陷性黃土時斜井充填技術研究

許福興，張永祥
(甘肅工程地質研究院，甘肅蘭州735000)

摘要：西北黃土高原地區生態脆弱，如果被破壞則需要很長的時間才可以恢復，如果嚴重甚至是難以恢復。管道穿越技術相對來講不用開挖溝槽，施工進度較快、成本較低，較為適合黃土高原地區，但是長輸管道在采用這種技術時會時常遇到斜井塌陷的問題。在這里主要就長輸管道穿越濕陷性黃土時的斜井填充技術進行分析。

關鍵詞：管道穿越技術；黃土；斜井

隨著經濟高速發展，輸油、輸氣、熱力等管道大規模建設，管道施工建設已成為當今社會發展不可或缺的重要支柱。由于管道穿越不用開挖溝槽，施工進度快、成本低，同時也減少了征地等環節。西北黃土高原由于生態脆弱，一旦破壞，需要很長時間才能恢復，甚至根本無法恢復。黃土高原黃土層厚，管道穿越所需的斜井，利用現代鉆孔設備施工具有成孔快、不易坍塌的特點，在長輸管道工程施工的中被大量采用。

在濕陷性黃土中管道穿越施工完成后，雨水等地表層水會順管道進入斜井內，造成斜井內支持管道的黃土濕陷性塌陷，致使管道懸空。管道一旦懸空在高壓介質的作用下，會產生共振，嚴重的使管道斷裂。管道一旦斷裂會造成巨額經濟損失，更重要的是威脅當地居民和環境安全。

受中石油管道公司委托，2011年、2012年我們通過排查發現蘭鄭長輸油管道，甘肅、陜西、河南境內的斜井均存在不同程度的塌陷，有部分原孔徑不足1m，塌陷成有6～7m大的空洞，經過與業主充分溝通，我們采用化學泥漿充填的工藝治理塌陷。經過中石油管道公司組織專家論證，認為方法可行。

2011年本公司在甘肅段施工10處斜井，2012年施工1年后挖井檢查與我們預期目標基本一致，達到了治理的目的。由于管道在黃土層穿越施工起步較晚，對濕陷性黃土塌陷形成的危害還沒有引起足夠的重視。斜井充填施工工藝的研究和應用在國內還是比較少，本文結合實際工程探討斜井充填材料和施工工藝，便于類似工程參考。

1　方案設計

1.1濕陷性黃土特性

黃土是干旱或半干旱氣候條件下的沉積物，而遇水時，水對各種膠結物的軟化作用，土的強度突然下降便產生濕陷。

1.2設計原理

黃土在充分濕潤的條件下，各種膠結物完全軟化，并充填到相對牢固的較粗顆粒之間，提高黃土的密實度降低孔隙比。充填方案就是利用黃土加水，在黃土充分浸水的情況下，破壞黃土中的空隙結構，黃土失水后形成密實的結構，消除濕陷性。添加化學添加劑，提高泥漿穩固性和流動性，泥漿充填到斜井中，泥漿經過一段時間失水固結，還原為黃土并消除了濕陷性。

1.3添加腐殖酸鈉

采用天然含腐植酸的優質低鈣低鎂風化煤經化學提煉而成，具有很大的內表面積，有較強的粘結能力，黃土充填施工中,泥漿會發生失水,特別是在溫度和壓力較高、地層滲透率大的井段,泥漿失水量會明顯蹭加。泥漿失水較快不但影響黃土流動速度和流動距離,使黃土流不到井底就固結，在斜井下部形成空洞。且泥漿失水過快，上部井壁吸水過多而造成井壁塌陷。腐殖酸鈉是良好的泥漿處理劑，其分子具有更多能吸附粘土顆粒表面、帶有負電荷、水化能力強的基團，能提高粘土顆粒的電動電位，增加水化膜的厚度，從而增加粘土顆粒的聚結穩定性，起到分散和護膠作用。且腐植酸鈉只會促進植物生長，不會破壞環境。

1.4添加水玻璃

水玻璃采用石英粉（SiO2）加上純堿（Na2CO3），在1300～1400℃的高溫下煅燒生成固體，水玻璃具有速凝、穩固和增稠的作用。在建筑行業中用于制造快干混凝土。而且在泥漿中使用不會對土壤造成污染。我們就是利用水玻璃的上述性質，按一定比例添加到黃土泥漿中，提高泥漿的穩定性，在泥漿灌注到位后又能快速凝固，減少間斷時間、提高灌漿效率。

2　施工工藝設計

2.1探測斜井井內情況

長輸管道穿越山坡、河谷、道路、村莊等地段時井內情況復雜，出現坍塌、懸空等現象。在灌漿之前需要我們探明井內情況，根據實際設計可行方案，以防盲目注漿引發次生災害或再次埋下隱患。探測我們首先使用移動攝像頭，攝像頭安裝在遙控電動車上，從上井口開始順管道至上而下行進，工作人員利用井口的顯示屏觀察。并根據電動車的位置確定斜井堵塞及坍方位置，詳細記錄井內情況。

2.2灌漿工藝設計

挖開斜井的上下井口，使用三七灰土夯實下井口。從上井口灌泥漿，每灌滿4～5m停頓24h，以便泥漿固結，直到灌滿為止。

2.3出現斜井堵塞處理

利用管道探測儀及電動車確定的斜井位置，經過計算在地面確定位置，垂直掘進豎井，豎井掘進到管道位置后疏通豎井以下斜井，并在豎井內安裝導管從上井口灌漿。灌滿后使用三七灰土夯實豎井，將豎井作為下井口，再在上井口灌漿。

2.4出現懸空位置

大面積出現空洞時不能直接使用泥漿罐填，否則大量泥漿罐填到空洞中不僅浪費材料增加成本，更重要的是大量泥漿聚集增加下井口壓力，增加下井口噴漿風險。一旦噴漿不僅前功盡棄。所有泥漿傾瀉而出給下井口附件村莊及農田造成極大威脅。因此在灌漿之前要先處理空洞，如空洞不大且據上井口較近，可采用導管搭橋的方法，直接跨越空洞，先罐填空洞以下部位。等罐填到空洞位置時停一段時間，等罐填的泥漿固結后再罐填上面部分。如空洞較大或距上井口較遠，無法利用導管架橋時，在空洞上面掘進豎井先罐填下半部分斜井，再利用豎井在空洞出夯填三七灰土。填滿空洞和豎井后再罐填上半部分斜井。

2.5泥漿對黃土的要求

黃土要選用純黃土，不得含有砂石、草木等雜質，以防罐填時損傷管道防腐層。黃土要過篩，黃土顆粒不大于3mm，這樣保證黃土在攪拌的過程中充分濕潤，比重均勻，泥漿流動時勻速進行。也不至于堵塞充填管路和充分消除濕陷性。

3　泥漿配合比的確定

罐填泥漿利用泥漿攪拌罐充分攪拌，加入腐植酸鈉，其目的就在于保證泥漿的穩定性，泥漿在流動過程中不發生離析現象。利用其保水性使泥漿不在流動過程中大量失水，破壞井壁。加入水玻璃的目的就在于利用其增稠作用，保障泥漿在流動過程中保持穩定，到位置后使泥漿快速固結。加快充填速度，減少停留時間。

在工程施工之前，我們模擬斜井環境，在不同坡度的斜坡上挖溝槽，根據不同配合比做試驗。最后根據泥漿流速、固結時間確定最佳配合比、每次罐填高度和間斷時間，見表1。

表1　不同條件下泥漿流動長度（m）

試驗根據這次10處斜井實際工程，最大坡度35°，最小坡度8～10°，選用上述不同條件下5條溝槽進行試驗，配合比3組，第一組選用水28%、腐植酸鈉4%、水玻璃1%。第二組水30%、腐植酸鈉3%、水玻璃2%。第三組水31%、腐植酸鈉1%、水玻璃3%。

根據試驗，泥漿凝固時間和腐植酸鈉含量成反比，與水玻璃含量成正比。而泥漿流動速度和流動距離與腐植酸鈉含量成正比，與水玻璃含量成反比。因此在斜井充填之前首先根據斜井坡度，斜井距離設計泥漿配合比，這樣才能使泥漿流到底，并在合理的時間內固結。上述試驗是在露天地表開挖溝槽得出的結論，在斜井內井壁充分濕潤的條件下，泥漿流動距離會大于露天的溝渠。

4　結論

施工中石油蘭鄭長輸油管道甘肅段10處斜井充填治理工程，在施工中組織技術骨干成立精干的項目部，斜井施工之前由項目經理組織技術人員在野外黃土坡面上模擬斜井做試驗，再根據設計要求和試驗結論確定泥漿配合比等數據，經過10處斜井施工我們總結出以下結論供同仁參考。

根據斜井坡度、距離確定泥漿配合比。泥漿配合比對斜井充填工程至關重要，如泥漿太稠，水玻璃含量過大，泥漿流不到底就已固結，尤其在斜井瓶頸地段固結堵塞，在斜井中形成空洞，給管道埋下重大隱患。如泥漿含水多、腐植酸鈉含量高，水玻璃含量少就會造成泥漿凝固太慢，影響施工效益。更為嚴重的是泥漿凝固太慢，長時間成膠體狀態，隨斜井充填量增加，下井口壓力增大，可能造成下井口及薄弱井壁破裂而造成噴漿。一旦噴漿會給周邊居民、農田造成嚴重威脅。根據我們經驗在大于35°的斜井充填時，可先用含腐植酸鈉的泥漿濕潤井壁后，在大量充填時可不再加腐植酸鈉，水玻璃的含量加大至4%，減少含水量。在大量充填之前用含腐植酸鈉的稀泥漿濕潤井壁也很重要，含腐植酸鈉的泥漿會在斜井井壁形成一層光滑的薄膜層，增強泥漿流動，阻止泥漿失水，防止斜井井壁浸水塌陷。為了使腐植酸鈉更好的溶解，要提前浸泡。黃土一定要過篩粒度符合要求，泥漿要經過充分攪拌，如果有大塊混入，就有可能形成堵塞斜井，在井內形成空洞。坡度越緩泥漿流動距離越短，因此充填距離不宜太長，如斜井太長超過試驗泥漿流動距離要在中間設置豎井分段充填。

參考文獻：

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中圖分類號：TE832