高永強(qiáng)

（新地能源工程技術(shù)有限公司，北京 102200）

1 概述

目前我國(guó)的天然氣長(zhǎng)輸管道工程已進(jìn)入高峰期，并配套建設(shè)了大量的輸氣站場(chǎng)，受到地形、土地性質(zhì)、地方規(guī)劃等限制，有些輸氣場(chǎng)站不可避免位于不良地質(zhì)上。其中，軟土地質(zhì)是比較典型的不良地質(zhì)條件，此類地質(zhì)條件易于沉降，按照常規(guī)工藝管道敷設(shè)方式不能滿足工藝管道的安全，對(duì)工藝管道有嚴(yán)重危害，表現(xiàn)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(yán)重時(shí)導(dǎo)致管道拉裂，產(chǎn)生安全威脅，造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。因此，研究軟土地質(zhì)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(wǎng)的鎮(zhèn)海天然氣末站為研究對(duì)象，鎮(zhèn)海天然氣末站地質(zhì)條件為典型的軟土地質(zhì)，主要功能是接收杭甬線來(lái)氣，過(guò)濾、計(jì)量后分輸給浙能鎮(zhèn)海熱電廠。主要功能分區(qū)為工藝區(qū)、放空區(qū)、構(gòu)筑物區(qū)（綜合用房，單層）。2013年11月開始鎮(zhèn)海天然氣分輸末站場(chǎng)區(qū)回填，在回填過(guò)程中場(chǎng)區(qū)地面一直在沉降，設(shè)計(jì)回填厚度為4m，實(shí)際回填近6m；2014年6月場(chǎng)區(qū)建設(shè)完成，建設(shè)完成后場(chǎng)地沉降仍在繼續(xù)；直至2015年7月工藝區(qū)地面仍在下陷，工藝管道的安全受到威脅，表現(xiàn)為地上管線發(fā)生傾斜，開挖發(fā)現(xiàn)地下管線彎曲、防腐層破壞等。

本文針對(duì)鎮(zhèn)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(zhì)下，沉降對(duì)工藝管道的影響，并提出了此類地質(zhì)條件下，工藝管道的敷設(shè)方式以及其他沉降治理措施，為其他類似工程提供技術(shù)方案支持。

2 自然地貌和地質(zhì)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(qiáng)度很低的呈軟塑～流塑狀態(tài)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(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、靈敏度高、擾動(dòng)性大、透水性差、土層層狀分布復(fù)雜、各層之間物 理力學(xué)性質(zhì)相差較大等特點(diǎn)，如表1所示。

表1 軟土的分類標(biāo)準(zhǔn)

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(xì)粒土，我國(guó)軟土主要分布在沿海地區(qū)，如東海、黃海、渤海、南海等沿海地區(qū)。內(nèi)陸平原以及一些山間洼地亦有分布，如表2所示。

表2 我國(guó)軟土主要分布區(qū)域

本文中的鎮(zhèn)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(zhèn)海天然氣末站位于寧波市鎮(zhèn)海區(qū)，原為濱海灘涂，經(jīng)2005年新泓口圍墾工程筑堤而成，場(chǎng)地勘察時(shí)為淺水養(yǎng)殖區(qū)域。地勢(shì)較平坦，高程為-0.80～-0.91m，相對(duì)高差為0.11m，如圖1所示。

圖1 場(chǎng)區(qū)原始地貌

2.3 地質(zhì)概況

鎮(zhèn)海天然氣末站場(chǎng)地勢(shì)低洼，地表層無(wú)地表硬殼層，直接露出淤泥，屬于典型的軟土地質(zhì)，土質(zhì)欠固結(jié)，具有含水量大、高壓縮性、強(qiáng)度低、透水性差等不良工程地質(zhì)性質(zhì)。具體地質(zhì)情況如表3所示。

表3 主要巖土層分布與特性簡(jiǎn)表

勘察主要結(jié)論：

（1）建設(shè)場(chǎng)地地勢(shì)低洼，需回填厚度較大。場(chǎng)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(jìn)行人工地基處理。

（2）擬建區(qū)域內(nèi)除存在軟弱土外，未發(fā)現(xiàn)斷層、泥石流、滑坡等不良地質(zhì)作用。

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

（4）場(chǎng)地大面積回填，為了確保該工程軟弱地基處理達(dá)到預(yù)期的效果，監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中地基的變形與固結(jié)情況，及時(shí)控制加載速率和進(jìn)程，防止地基的剪切破壞和滑動(dòng)，保證施工安全及施工質(zhì)量。

3 工藝區(qū)地基處理

由于預(yù)見到工藝區(qū)會(huì)沉降，需要進(jìn)行地基處理，鎮(zhèn)海天然氣末站的工藝區(qū)進(jìn)行了樁基處理，樁采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁，樁長(zhǎng)34m，對(duì)工藝區(qū)所有的管線及閥門支墩、設(shè)備基礎(chǔ)、污水池等均采取打樁處理。工藝區(qū)管道的口徑為DN800、DN500、DN250、DN100、DN80、DN50、DN40、DN25共計(jì)8種口徑，相關(guān)樁基情況如表4所示。

表4 管線與樁基布置表

鎮(zhèn)海天然氣末站工藝區(qū)進(jìn)行了樁基處理，但顯然沒(méi)有預(yù)計(jì)到沉降的規(guī)模如此之大，場(chǎng)區(qū)場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高為4.0m，由于其軟土地質(zhì)和高回填的特點(diǎn)，在2013年6月開始場(chǎng)區(qū)回填，在回填過(guò)程中場(chǎng)區(qū)地面一直在沉降，設(shè)計(jì)回填厚度為4m，實(shí)際回填近6m。同時(shí)軟土地質(zhì)條件下，由于淤泥具有高壓縮性和排水固結(jié)緩慢的特點(diǎn)，沉降持續(xù)的時(shí)間很長(zhǎng)，自場(chǎng)區(qū)開始回填至2a后（2015年7月）沉降才趨于平穩(wěn)，表5記錄了2015年工藝區(qū)3個(gè)月的地表沉降情況，在觀測(cè)期間沉降量最大為21.78mm，最小為1.25mm，同時(shí)可以看出未進(jìn)行地基處理的區(qū)域地面在2a后還是在繼續(xù)沉降。

表5 沉降觀測(cè)表

4 軟土沉降對(duì)工藝管道的危害

軟土地基具有強(qiáng)度低、變形歷時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)，且沉降量大，這種連續(xù)沉降對(duì)工藝管道產(chǎn)生了持續(xù)的危害，以鎮(zhèn)海天然氣末站工藝區(qū)為例，工藝區(qū)管道每隔6m進(jìn)行了樁基處理，但無(wú)樁基區(qū)域持續(xù)沉降，工藝區(qū)地面因此呈現(xiàn)波浪形態(tài)，在如此復(fù)雜的地質(zhì)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(qū)地面

4.1 地下管道變形

土壤持續(xù)下沉產(chǎn)生的力并不均勻，表現(xiàn)為管道受到的水平方向側(cè)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(cè)均受力下沉，支撐點(diǎn)處表現(xiàn)為隆起，管道的彈性形變可以在開挖后恢復(fù)，但塑性變形無(wú)法恢復(fù)，焊縫是脆弱點(diǎn)，更嚴(yán)重的情況下管道會(huì)折斷，發(fā)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(xù)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(zhǎng)時(shí)間不釋放管道應(yīng)力，管道會(huì)由彈性變形進(jìn)一步發(fā)展為塑性變形，管道的法蘭密封也受到持續(xù)的不均勻力，易產(chǎn)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(xiàn)在交接界面處：

（1）鎮(zhèn)海天然氣末站進(jìn)出站場(chǎng)的管道，存在站內(nèi)站外的交界點(diǎn)，站內(nèi)部分進(jìn)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(yán)重情況下管道被拉裂，造成天然氣泄漏，因?yàn)樘幱谡緢?chǎng)和站外的交界面，且位于地下，不易第一時(shí)間發(fā)覺(jué)，極易發(fā)生爆炸。

（2）進(jìn)出建筑物的管道，管道在室內(nèi)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(zhèn)海天然氣末站的放空火炬點(diǎn)火撬塊為例，其由于未設(shè)置在樁基承臺(tái)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(chǎn)生了塑性形變，法蘭連接處成為應(yīng)力集中點(diǎn)，易于發(fā)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(yǎng)護(hù)的重要環(huán)節(jié)，可以增加管道的使用壽命，管道由地下轉(zhuǎn)地上部分防腐一般由內(nèi)層無(wú)溶劑液體雙組分環(huán)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(nèi)層涂料破壞，容易發(fā)生腐蝕反應(yīng)，腐蝕之后的管道損壞極易造成安全隱患并引發(fā)事故，如圖6所示。

圖6 防腐剝離

5 工藝管道的敷設(shè)措施

軟土地質(zhì)的地基填筑和加固處理需要巨額花費(fèi)，有時(shí)一個(gè)小型天然氣站場(chǎng)全部地基處理費(fèi)用可達(dá)到1 000～3 000萬(wàn)元，大中型場(chǎng)站地基處理費(fèi)用可達(dá)5 000萬(wàn)元以上，且處理周期長(zhǎng)達(dá)0.5～2a，對(duì)一些實(shí)力不是很雄厚的甲方來(lái)說(shuō)，項(xiàng)目建設(shè)周期短的項(xiàng)目，就不會(huì)對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行全部處理，僅對(duì)建筑物、設(shè)備、工藝管線進(jìn)行局部地基處理。因此工藝管道敷設(shè)不能按照常態(tài)的思路進(jìn)行，應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)條件及地基處理方式靈活應(yīng)對(duì)，在鎮(zhèn)海天然氣末站的沉降治理過(guò)程中因地制宜，對(duì)工藝管道的敷設(shè)進(jìn)行處理。

5.1 架空敷設(shè)

5.1.1 低支架敷設(shè)

通常地質(zhì)條件下工藝區(qū)內(nèi)為整潔美觀、方便巡檢，管道多采用地下敷設(shè)方式，在軟土地質(zhì)條件下，工藝區(qū)會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降，為減少沉降對(duì)管道的影響，管道可以采用低支架方式進(jìn)行敷設(shè)，支架采用可調(diào)支架，敷設(shè)管道凈高建議不小于0.3m。管道在站內(nèi)其他區(qū)域通行時(shí)，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(shè)，建設(shè)費(fèi)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(qū)內(nèi)，易于在沉降的作用下出現(xiàn)彎曲變形，因此更適合于地上低支架敷設(shè)。

5.1.2 中支架（管架）敷設(shè)

在人行頻繁和非機(jī)動(dòng)車道通行地段可采用中支架敷設(shè)。管道底部?jī)舾卟灰诵∮?.2m。

鎮(zhèn)海天然氣末站有268m的外輸管線，進(jìn)站管線管徑為DN500，位于軟土中，原為埋地敷設(shè)，將此段由自然敷設(shè)改為地上管架敷設(shè)，地上管架采用單獨(dú)預(yù)樁基，樁基每隔16m設(shè)置1處，樁長(zhǎng)30m，管架長(zhǎng)約350m，架高2.5m。

5.1.3 高架敷設(shè)

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

圖7 高架敷設(shè)

5.2 淺埋敷設(shè)

工藝區(qū)內(nèi)部分中小口徑管線可不選擇地上低支架敷設(shè)，比如影響巡檢通道等原因，也可進(jìn)行淺埋處理，埋深為管頂250mm（結(jié)合凍土深度確定），管道2側(cè)各0.5m用細(xì)沙回填。對(duì)淺埋的管線，鎮(zhèn)海天然氣末站要求對(duì)原樁基承臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)高，管線與承臺(tái)接觸面墊10mm厚絕緣橡膠板。

5.3 樁基加固敷設(shè)

通過(guò)過(guò)對(duì)鎮(zhèn)海天然氣末站管線的開挖發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)，采取措施如下：

（1）換填：管道敷土改為細(xì)沙，細(xì)沙流動(dòng)性好，對(duì)管道的沉降力??；

（2）補(bǔ)樁：對(duì)管道出入土端增加預(yù)應(yīng)力管樁，對(duì)出入土端進(jìn)行支撐。

6 其他綜合措施

位于軟土地質(zhì)的場(chǎng)站，工藝管道的安全應(yīng)綜合考慮，不僅從管道的敷設(shè)、地基處理形式來(lái)考慮，還要建立長(zhǎng)效的觀測(cè)機(jī)制。以鎮(zhèn)海天然氣末站沉降治理為例，其后續(xù)建立了包括沉降觀測(cè)和應(yīng)力檢查的觀測(cè)機(jī)制。

6.1 沉降觀測(cè)

鎮(zhèn)海天然氣末站在工藝區(qū)地面、工藝管道、設(shè)備支墩設(shè)置了10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)持續(xù)地對(duì)沉降觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)，以發(fā)現(xiàn)沉降觀測(cè)點(diǎn)沉降量及其變化趨勢(shì)，分析土壤沉降變形速率及最終沉降量，作為重要的預(yù)防措施和方案，密切關(guān)于沉降差，如圖8所示。

圖8 沉降觀測(cè)曲線

6.2 應(yīng)力檢測(cè)

應(yīng)力測(cè)量方法包括機(jī)械方法、光學(xué)方法、電子測(cè)定法。每種方法都是考慮到物體的應(yīng)變，從幾何學(xué)角度上看表現(xiàn)為物體上兩點(diǎn)間距離的變化，從而進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)是對(duì)管道本體的直接檢測(cè)，能夠定期或?qū)崟r(shí)反饋管線的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，可以現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)，也可以上傳到調(diào)控中心，并設(shè)定報(bào)警值，對(duì)重要的管線進(jìn)行長(zhǎng)期的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控，是風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，為長(zhǎng)效治理提供持續(xù)的有效的數(shù)據(jù)支持。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測(cè)有長(zhǎng)足的發(fā)展，應(yīng)力監(jiān)測(cè)在西氣東輸、漠大線等工程中均有成熟運(yùn)用，如圖9所示。

圖9 應(yīng)力檢測(cè)圖

7 結(jié)束語(yǔ)

地質(zhì)災(zāi)害是以各種不良地質(zhì)環(huán)境為致災(zāi)體、以管道本體及其附屬設(shè)施為承災(zāi)體的“因果型”成災(zāi)過(guò)程，其識(shí)別與防治是管道完整性管理的三大核心任務(wù)之一，因此，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該加強(qiáng)不良地質(zhì)識(shí)別、并制定相應(yīng)的防治措施，要對(duì)不良地質(zhì)有充分的認(rèn)識(shí)。通過(guò)鎮(zhèn)海天然氣末站工藝管道沉降治理分析，選取軟土對(duì)工藝管道的危害這一個(gè)點(diǎn)，深入揭示不良地質(zhì)條件的識(shí)別和防治的重要性，并給出軟土地質(zhì)下工藝管道敷設(shè)的綜合方案。

在輸氣管道場(chǎng)站建設(shè)當(dāng)中，不良地質(zhì)的類型還有很多，比如高回填區(qū)、濕陷性黃土區(qū)等，均可導(dǎo)致站場(chǎng)工藝管道沉降，可采用大底板、樁基、堆載預(yù)壓等方式進(jìn)行地基處理，因此應(yīng)根據(jù)具體現(xiàn)場(chǎng)情況以及地基處理情況，對(duì)各種因素進(jìn)行綜合分析后，選擇合適的工藝管道敷設(shè)方法，防止工藝管道沉降的發(fā)生，確保工藝管道的安全。