中俄二線管道工程多年凍土區凍害問題分析

大慶油田工程有限公司

中俄原油管道二線工程（簡稱“中俄二線”）與中俄原油管道漠河—大慶段工程（簡稱“漠大線”）并行敷設，一般地段并行間距為10 m[1]。但多年凍土作為巖土熱狀態對外界氣溫的一種響應，其分布和工程地質特性空間異質性很大，在地氣熱量交換過程中受到地形地貌、地表覆被、地層性質等多種非地帶性因素的影響，呈現出保存狀態、地溫、厚度、含冰量等主要特征的空間異質性[2]。而大興安嶺地區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下產生衰退和融化，其物理性質被改變，導致地表植被、地下水等發生變化[3]，造成凍土退化及引發新的凍脹丘、冰椎等凍土次生災害的發生[4]。

制定科學的凍害研究技術路線，合理、全面地利用漠大線凍土區建設的成功經驗，是保障中俄二線建設更加安全、順利、可靠的基礎。在中俄二線設計前期，通過收集、整合漠大線凍土資料，收集漠大線在運營以來主要存在的工程問題及檢測、監測所取得的基礎數據，進行野外調查，以及通過野外勘查獲取基礎資料，采取原狀土樣供室內測試、分析使用等方法[5]，提出相應的措施和建議。

1 冷生病害問題調查分析

冷生現象是寒冷地區由于地表和地下水凍結，或者地層材料在溫度應力作用下，促使水分、表層土顆粒發生位移的一種現象。漠大線管道經過地區冷生病害主要為冰錐、冰幔、凍脹、凍拔、季節性凍脹丘、地表裂縫等病害。雖目前對于管道并沒有造成明顯的影響，但是已經對沿線附屬設施造成了嚴重的破壞。且表層土層循環凍融及其引起的水分、土顆粒的遷移、集聚等現象在長期作用過程中可能會逐年累計惡化，最終影響管道運營。

1.1 冰椎

冰椎是寒區比較常見的一類冷生現象（病害），主要發生在地下水溢出帶內，一般發育在山前緩坡前緣。

在管道施工中，由于管溝的開挖，有可能阻斷原來地下水的徑流通道，使得管溝溝壁成為地下水出露點，或者在冬季發生回凍時，由于管溝填料比較松散，含水量較大，導致回凍速度較慢，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，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

冰椎本身對于有基礎支撐的管道來說不會造成管道破壞，但是管道地基下的多年凍土發生融沉，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，冰層直接凍結在河床上，河流上游來水被冰層阻擋，向兩側河漫灘滿溢，有時甚至滿溢到岸上，形成大面積河道冰幔（圖2）。另外，管溝填料由于自然壓實和固結而塌陷，地表水向管溝中匯集并在冬季凍結，也可以形成大面積冰體，這些地表的聚冰現象是在人類工程活動影響下形成的，屬于次生病害。會對管道巡檢、維護、搶修等作業造成不利影響。并且如果因管道建設改變當地水文條件而形成聚冰，則可能誘發導致管下多年凍土融化。

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

1.3 差異凍脹

多年凍土區表層在冬季會發生地層凍結，地層中的水分因為相變而發生體積增大。當增大的這部分體積不能由土顆粒之間的孔隙容納時，就會發生凍脹[7]。一般地區地面的凍脹量是厘米級的，對于深埋在地面以下2 m 左右的管道幾乎沒有影響。目前，在漠大線布設的各類檢測剖面中所埋設的線纜還沒有發現由于差異凍脹造成的拉斷現象。但是，在中俄二線建設中，遇到表層土質、水分條件差異較大的地段布設檢測線纜時，應該注意避免線纜在土層中張得太緊，需留有變形余量。

1.4 季節性凍脹丘

季節性凍脹丘一般發生在山坡坡腳和溝谷底部等匯水部位，根據水分遷移的動力來源可分為封閉性凍脹丘和開放型凍脹丘兩類。從管道巡查資料看，目前管道管溝上部或附近還沒有發現季節性凍脹丘。但季節性凍脹丘具有移動性，不排除以后會在管溝上形成凍脹丘的可能。季節性凍脹丘發生水分吸附、產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，季節性凍脹丘對管道的影響也較小。

另外，由于漠大線管道油溫的加熱作用使管道周圍存在一定厚度的融化圈，在管道周圍沒有發生急劇溫度變化的條件，可以抑制凍拔及地表裂縫等問題對管道產生影響[8]。但是對于埋設在地表的各類管道附屬物，如沿管道布設的里程樁、管道變形監測樁、埋在地中的管道監測系統集線箱等仍具有很大破壞作用（圖3）。因此中俄二線變形監測樁采用襯套方式與周圍土體接觸，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 凍害相關問題

（1）埋深不足和露管。在施工過程中，管溝挖掘深度不足或者施工質量問題可能導致部分管段懸空埋入。短期內此類地段不影響管道的正常運營，但綜上分析可知，如果在冬季滿足凍脹條件，外界氣溫對淺層填土的冷卻超過管道油溫對周圍土體的加熱，使管下土體發生凍結，則凍脹作用可能影響到管道，強大的凍脹力可以使管道發生變形。

（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促進管多年凍土的融化，加劇管溝底部的融沉風險[9]。

（3）凍融破壞。在管道沿線修筑的大量混凝土構筑物和漿砌石擋墻在寒凍風化作用下會發生嚴重的破壞。且這些材料本身含有大量水分，在經歷凍融循環時，其內部產生的溫度應力或水分凍結產生的凍脹力使這些構筑物發生開裂、掉塊，甚至完全破壞[10]。

為防止中俄二線管道出現此類問題，應在夏季施工，嚴格參照有關寒區混凝土施工規范，在冬季到來之前使其內部水分和水泥成分充分反應和散失，保證構筑物內部沒有自由水；并且注意防止外界水分通過表面縫隙進入構筑物內部。

3 結論

（1）根據現場調查及各類病害的形成機理分析，目前發現的各類病害對正常埋深為2.0 m 管道的安全運營幾乎不構成威脅。

（2）原生或次生的冷生病害對沿線的一些監測、通信、防護等附屬設施會造成嚴重破壞，影響正常管道的維護、檢測等活動[11]。針對中俄二線工程不同管道附屬物面臨的不同形式的破壞，應采取相應措施加以預防。

（3）寒區淺地表及地表發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避開水分充足的地段，在施工時加強排水及適當建設排水、擋水設施；在低洼的匯水地段，適當加深管道埋設深度，避免這些現象發生在管道埋深范圍內。