軟土地質工藝管道的敷設

高永強

（新地能源工程技術有限公司，北京 102200）

1 概述

目前我國的天然氣長輸管道工程已進入高峰期，并配套建設了大量的輸氣站場，受到地形、土地性質、地方規劃等限制，有些輸氣場站不可避免位于不良地質上。其中，軟土地質是比較典型的不良地質條件，此類地質條件易于沉降，按照常規工藝管道敷設方式不能滿足工藝管道的安全，對工藝管道有嚴重危害，表現為管道彎曲、管道傾斜，影響管道的正常使用；管道防腐層剝離，加速腐蝕，影響管道使用壽命；嚴重時導致管道拉裂，產生安全威脅，造成生命財產的損失。因此，研究軟土地質中工藝管道的沉降治理有重要意義。

本文以浙江省天然氣管網的鎮海天然氣末站為研究對象，鎮海天然氣末站地質條件為典型的軟土地質，主要功能是接收杭甬線來氣，過濾、計量后分輸給浙能鎮海熱電廠。主要功能分區為工藝區、放空區、構筑物區（綜合用房，單層）。2013年11月開始鎮海天然氣分輸末站場區回填，在回填過程中場區地面一直在沉降，設計回填厚度為4m，實際回填近6m；2014年6月場區建設完成，建設完成后場地沉降仍在繼續；直至2015年7月工藝區地面仍在下陷，工藝管道的安全受到威脅，表現為地上管線發生傾斜，開挖發現地下管線彎曲、防腐層破壞等。

本文針對鎮海天然氣末站工藝管道的沉降治理方法以及治理效果，探討軟土地質下，沉降對工藝管道的影響，并提出了此類地質條件下，工藝管道的敷設方式以及其他沉降治理措施，為其他類似工程提供技術方案支持。

2 自然地貌和地質概況

2.1 軟土的定義

軟土是指天然含水量大、壓縮性高、承載力低和抗剪強度很低的呈軟塑～流塑狀態的黏性土。具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、固結系數小、固結時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差、土層層狀分布復雜、各層之間物 理力學性質相差較大等特點，如表1所示。

表1 軟土的分類標準

軟土的天然空隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細粒土，我國軟土主要分布在沿海地區，如東海、黃海、渤海、南海等沿海地區。內陸平原以及一些山間洼地亦有分布，如表2所示。

表2 我國軟土主要分布區域

本文中的鎮海天然氣末站所在地屬于濱海沉積軟土，位于寧波。

2.2 自然地貌

鎮海天然氣末站位于寧波市鎮海區，原為濱海灘涂，經2005年新泓口圍墾工程筑堤而成，場地勘察時為淺水養殖區域。地勢較平坦，高程為-0.80～-0.91m，相對高差為0.11m，如圖1所示。

圖1 場區原始地貌

2.3 地質概況

鎮海天然氣末站場地勢低洼，地表層無地表硬殼層，直接露出淤泥，屬于典型的軟土地質，土質欠固結，具有含水量大、高壓縮性、強度低、透水性差等不良工程地質性質。具體地質情況如表3所示。

表3 主要巖土層分布與特性簡表

勘察主要結論：

（1）建設場地地勢低洼，需回填厚度較大。場地直接出露（2a）層淤泥，天然地基不能滿足回填層填筑的要求，需進行人工地基處理。

（2）擬建區域內除存在軟弱土外，未發現斷層、泥石流、滑坡等不良地質作用。

（3）軟土是工程場地的特殊性土，表層的（2a）層淤泥及（4b）層淤泥質黏土為飽和、流塑、靈敏度高、壓縮性大、滲透系數小的軟土，平均層厚達15m左右，該二層土在沉樁時會引起較高的超孔隙水壓和產生較大的土體位移。

（4）場地大面積回填，為了確保該工程軟弱地基處理達到預期的效果，監測施工過程中地基的變形與固結情況，及時控制加載速率和進程，防止地基的剪切破壞和滑動，保證施工安全及施工質量。

3 工藝區地基處理

由于預見到工藝區會沉降，需要進行地基處理，鎮海天然氣末站的工藝區進行了樁基處理，樁采用PHC預應力管樁，樁長34m，對工藝區所有的管線及閥門支墩、設備基礎、污水池等均采取打樁處理。工藝區管道的口徑為DN800、DN500、DN250、DN100、DN80、DN50、DN40、DN25共計8種口徑，相關樁基情況如表4所示。

表4 管線與樁基布置表

鎮海天然氣末站工藝區進行了樁基處理，但顯然沒有預計到沉降的規模如此之大，場區場地設計標高為4.0m，由于其軟土地質和高回填的特點，在2013年6月開始場區回填，在回填過程中場區地面一直在沉降，設計回填厚度為4m，實際回填近6m。同時軟土地質條件下，由于淤泥具有高壓縮性和排水固結緩慢的特點，沉降持續的時間很長，自場區開始回填至2a后（2015年7月）沉降才趨于平穩，表5記錄了2015年工藝區3個月的地表沉降情況，在觀測期間沉降量最大為21.78mm，最小為1.25mm，同時可以看出未進行地基處理的區域地面在2a后還是在繼續沉降。

表5 沉降觀測表

4 軟土沉降對工藝管道的危害

軟土地基具有強度低、變形歷時長的特點，且沉降量大，這種連續沉降對工藝管道產生了持續的危害，以鎮海天然氣末站工藝區為例，工藝區管道每隔6m進行了樁基處理，但無樁基區域持續沉降，工藝區地面因此呈現波浪形態，在如此復雜的地質條件下，工藝管道的安全受到了極大的威脅，如圖2所示。

圖2 工藝區地面

4.1 地下管道變形

土壤持續下沉產生的力并不均勻，表現為管道受到的水平方向側向力不均勻，管道受到的垂直方向壓力不均勻，小口徑管道易于變形。排污管道（DN50）在樁基支撐兩側均受力下沉，支撐點處表現為隆起，管道的彈性形變可以在開挖后恢復，但塑性變形無法恢復，焊縫是脆弱點，更嚴重的情況下管道會折斷，發生泄漏或爆炸如圖3所示。

圖3 地下管道

4.2 地上管道傾斜

由于地下軟土持續下沉，管道地下部分受到土壤沉降力，并下沉，地上部分受力彎曲、傾斜，如長時間不釋放管道應力，管道會由彈性變形進一步發展為塑性變形，管道的法蘭密封也受到持續的不均勻力，易產生泄漏，造成安全事故，如圖4所示。

圖4 管道沉降

4.3 管道拉裂

管道拉裂易出現在交接界面處：

（1）鎮海天然氣末站進出站場的管道，存在站內站外的交界點，站內部分進行了樁基處理，站外地下管道隨土壤下沉，不均勻沉降量不一致，剪切力非常大，管道在此處集中受力，嚴重情況下管道被拉裂，造成天然氣泄漏，因為處于站場和站外的交界面，且位于地下，不易第一時間發覺，極易發生爆炸。

（2）進出建筑物的管道，管道在室內部分固定于建筑物上，管道在室外部分隨土壤不均勻沉降，受到剪切力的作用，易拉裂。

4.4 法蘭泄漏

以鎮海天然氣末站的放空火炬點火撬塊為例，其由于未設置在樁基承臺上，隨地面沉降，支架懸空，由于其自身管徑很小，為DN25，在自身組件重力和支墩重力下已產生了塑性形變，法蘭連接處成為應力集中點，易于發生泄漏，如圖5所示。

圖5 塑性形變

4.5 出入土端防腐層剝離

管道防腐是管道養護的重要環節，可以增加管道的使用壽命，管道由地下轉地上部分防腐一般由內層無溶劑液體雙組分環氧涂料和外纏熱收縮帶組成，在土壤的沉降作用下，部分外防腐層剝離，內層涂料破壞，容易發生腐蝕反應，腐蝕之后的管道損壞極易造成安全隱患并引發事故，如圖6所示。

圖6 防腐剝離

5 工藝管道的敷設措施

軟土地質的地基填筑和加固處理需要巨額花費，有時一個小型天然氣站場全部地基處理費用可達到1 000～3 000萬元，大中型場站地基處理費用可達5 000萬元以上，且處理周期長達0.5～2a，對一些實力不是很雄厚的甲方來說，項目建設周期短的項目，就不會對場區進行全部處理，僅對建筑物、設備、工藝管線進行局部地基處理。因此工藝管道敷設不能按照常態的思路進行，應該結合地質條件及地基處理方式靈活應對，在鎮海天然氣末站的沉降治理過程中因地制宜，對工藝管道的敷設進行處理。

5.1 架空敷設

5.1.1 低支架敷設

通常地質條件下工藝區內為整潔美觀、方便巡檢，管道多采用地下敷設方式，在軟土地質條件下，工藝區會出現不均勻沉降，為減少沉降對管道的影響，管道可以采用低支架方式進行敷設，支架采用可調支架，敷設管道凈高建議不小于0.3m。管道在站內其他區域通行時，在不影響通行的情況下，可沿圍墻或平行于道路低支架敷設，建設費用低，易于檢修，不受土壤沉降、腐蝕的影響。

其中小口徑管線自身的剛度較低，且大多位于工藝區內，易于在沉降的作用下出現彎曲變形，因此更適合于地上低支架敷設。

5.1.2 中支架（管架）敷設

在人行頻繁和非機動車道通行地段可采用中支架敷設。管道底部凈高不宜小于2.2m。

鎮海天然氣末站有268m的外輸管線，進站管線管徑為DN500，位于軟土中，原為埋地敷設，將此段由自然敷設改為地上管架敷設，地上管架采用單獨預樁基，樁基每隔16m設置1處，樁長30m，管架長約350m，架高2.5m。

5.1.3 高架敷設

需要通行車輛處，管底的凈高視車輛的類型有所不同，通過小型檢修機械或車輛時不宜小于3m，通過大型檢修機械或車輛時不應小于4.5m。鎮海天然氣末站進站管線為DN800，站外穿越公路，原為埋地敷設，通過治理改為高架敷設，公路有大型設備通過，所以相應增加管廊支架跨路時架高至7m，跨距14m，如圖7所示。

圖7 高架敷設

5.2 淺埋敷設

工藝區內部分中小口徑管線可不選擇地上低支架敷設，比如影響巡檢通道等原因，也可進行淺埋處理，埋深為管頂250mm（結合凍土深度確定），管道2側各0.5m用細沙回填。對淺埋的管線，鎮海天然氣末站要求對原樁基承臺進行補高，管線與承臺接觸面墊10mm厚絕緣橡膠板。

5.3 樁基加固敷設

通過過對鎮海天然氣末站管線的開挖發現，DN300以上口徑的管線（每隔6m打樁），由于口徑大、壁厚大，抗土壤沉降能力強，采取措施如下：

（1）換填：管道敷土改為細沙，細沙流動性好，對管道的沉降力小；

（2）補樁：對管道出入土端增加預應力管樁，對出入土端進行支撐。

6 其他綜合措施

位于軟土地質的場站，工藝管道的安全應綜合考慮，不僅從管道的敷設、地基處理形式來考慮，還要建立長效的觀測機制。以鎮海天然氣末站沉降治理為例，其后續建立了包括沉降觀測和應力檢查的觀測機制。

6.1 沉降觀測

鎮海天然氣末站在工藝區地面、工藝管道、設備支墩設置了10個觀測點，通過持續地對沉降觀測點的觀測，以發現沉降觀測點沉降量及其變化趨勢，分析土壤沉降變形速率及最終沉降量，作為重要的預防措施和方案，密切關于沉降差，如圖8所示。

圖8 沉降觀測曲線

6.2 應力檢測

應力測量方法包括機械方法、光學方法、電子測定法。每種方法都是考慮到物體的應變，從幾何學角度上看表現為物體上兩點間距離的變化，從而進行測量。應力應變監測是對管道本體的直接檢測，能夠定期或實時反饋管線的應力應變狀態，可以現場采集信號，也可以上傳到調控中心，并設定報警值，對重要的管線進行長期的應力應變監控，是風險監測預警系統的重要組成部分，為長效治理提供持續的有效的數據支持。目前國內應力監測有長足的發展，應力監測在西氣東輸、漠大線等工程中均有成熟運用，如圖9所示。

圖9 應力檢測圖

7 結束語

地質災害是以各種不良地質環境為致災體、以管道本體及其附屬設施為承災體的“因果型”成災過程，其識別與防治是管道完整性管理的三大核心任務之一，因此，在設計之初就應該加強不良地質識別、并制定相應的防治措施，要對不良地質有充分的認識。通過鎮海天然氣末站工藝管道沉降治理分析，選取軟土對工藝管道的危害這一個點，深入揭示不良地質條件的識別和防治的重要性，并給出軟土地質下工藝管道敷設的綜合方案。

在輸氣管道場站建設當中，不良地質的類型還有很多，比如高回填區、濕陷性黃土區等，均可導致站場工藝管道沉降，可采用大底板、樁基、堆載預壓等方式進行地基處理，因此應根據具體現場情況以及地基處理情況，對各種因素進行綜合分析后，選擇合適的工藝管道敷設方法，防止工藝管道沉降的發生，確保工藝管道的安全。