李巍 王林 潘志遠 趙增琳 婁斌 馬霖

中石油管道西安輸油氣分公司

摘要： 通過(guò)對蘭鄭長(cháng)陜西段輸油管道26處斜井病害基本特征、 成因分析以及對斜井病害整治方案進(jìn)行論證， 綜合提出斜井病害整治方案： 斜井井內采用黃土泥漿灌填穩固管道， 采用二八灰土分層夯實(shí)回填封堵斜井上、 下井口防水止水。 通過(guò)黃土泥漿配合比現場(chǎng)試驗及斜井大面積施工取得的良好效果， 驗證了斜井病害整治方案的可行性、 經(jīng)濟性及安全性。 總結斜井病害整治施工中的兩大關(guān)鍵工序及黃土泥漿灌漿的四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)， 并提出存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題， 為此類(lèi)斜井病害整治作了有益的探索。

引言

蘭鄭長(cháng)輸油管道橫跨我國中西部五省69個(gè)縣市， 主要穿越黃土塬、 梁、 溝壑地貌區， 地形起伏較大。 在蘭鄭長(cháng)輸油管道建設中， 采取斜井開(kāi)挖法開(kāi)挖管溝和溜管穿越法安裝管道相結合的斜井穿越法進(jìn)行管道施工， 成功地解決了在地勢陡峭的黃土梁上進(jìn)行管道施工的難題[1-3]。 該方法避免了傳統的“大開(kāi)挖”方法對坡面環(huán)境與植被破壞大、 施工進(jìn)度緩慢及施工土方量過(guò)多等問(wèn)題， 并且克服了在坡度較大的黃土邊坡和沖溝等黃土地區地貌恢復、 水土流失和水工保護的困難 [4]。

由于受黃土地區水文、 地質(zhì)和施工工藝等諸多因素的影響， 管道沿線(xiàn)的斜井工程不同程度的出現了病害， 可能導致管體發(fā)生彎曲或管體局部應力集中發(fā)生疲勞受損， 甚至可能發(fā)生斜井所在邊坡失穩， 嚴重威脅到輸油管道的安全營(yíng)運。

斜井病害基本特征

在蘭鄭長(cháng)輸油管道斜井踏勘調查， 結合26處斜井施工過(guò)程資料調查， 可總結出蘭鄭長(cháng)輸油管道斜井病害主要具有以下基本特征： 1、 斜井內未填充， 井內管周均為空洞， 管道和光纜均處于“裸露”狀態(tài)。 2、 井內管道局部懸空、 有擺動(dòng)。 3、 斜井上、 下井口均未采取有效的防水止水措施， 地表水順管溝流入井內， 導致斜井井底、 井壁遭受水流侵蝕， 井內壁垮塌。 4、 斜井上、 下井口地表出現塌陷坑、 落水洞， 管道直接裸露地表。

斜井病害成因分析

1、 井周黃土特殊性質(zhì)。 首先， 黃土具有點(diǎn)棱接觸支架多孔結構及濕陷性， 黃土顆粒膠結主要靠碳酸鈣， 可被慢慢溶解， 水易于滲入其與土粒的接觸面， 故黃土遇水易于碎裂、 崩解。 另外黃土在堆積加厚過(guò)程中受重力的影響， 垂直管狀孔隙造成黃土垂直節理發(fā)育。

2、 斜井開(kāi)挖后， 所在黃土邊坡土體原始應力得到一定程度上的釋放， 而其內部未進(jìn)行回填，且亦未進(jìn)行襯砌支護。

3、 斜井上、 下井口均未采取有效的防水止水措施， 而且井口周?chē)�大多為農耕地， 造成地表水沖刷、 淘蝕斜井井壁、 底， 導致斜井井內管道懸空。

4、 輸油管道內輸送的原油具有較大壓強和重度， 可能導致管道發(fā)生彎曲或管體局部應力集中發(fā)生疲勞受損、 斷裂災害。

斜井病害整治方案論證

通過(guò)對蘭鄭長(cháng)輸油管道斜井病害基本特征及病害成因分析， 可以看出， 斜井病害整治的關(guān)鍵原則有三點(diǎn)： 1、 整治措施所用材料對管道不能有腐蝕性； 2、 斜井內為空洞， 管道局部懸空， 必須穩固管道， 對空洞斜井填充密實(shí)， 防止管道擺動(dòng)、 損傷， 甚而斷裂， 造成漏油污染生態(tài)環(huán)境；3、 斜井上、 下井口封口必須具有防水止水功能，能有效攔截井周地表水流， 確保地表水流不流入斜井井內。

遵循以上原則， 綜合分析比較， 確定斜井病害整治方案： 斜井井內采用摻加外加劑（腐植酸鈉、 水玻璃） 的黃土泥漿灌填懸空管道的四周用以穩固管道， 斜井上、 下井口管道四周均采用二八灰土分層夯實(shí)回填， 其頂部鋪設防水土工布止水， 形成“止水塞”結構， 表部采用原耕植土復耕。

為驗證方案的可行性， 四川省地質(zhì)工程勘察院進(jìn)行了黃土泥漿配合比現場(chǎng)試驗及斜井試點(diǎn)施工。

根據黃土的特性， 黃土泥漿是采用試驗場(chǎng)地附近的天然黃土、 水和適量的外加劑拌和而成的流體。 所需的外加劑選用腐植酸鈉和水玻璃。 腐植酸鈉（HA－NA） 極易溶于水， 在漿體中用作降粘、 降濾試劑， 可增加漿體的流動(dòng)性； 水玻璃作為外加劑時(shí)可提高材料的強度， 提高漿體硬化速度。 黃土泥漿呈流塑——軟塑態(tài)， 不會(huì )對管道造成損害。 黃土泥漿凝固后具有較好的強度， 管道將處于均質(zhì)柔性環(huán)境中， 近似于原黃土， 可有效達到穩固管道防止其擺動(dòng)的目的。

流動(dòng)試驗和固結試驗結果表明， 當黃土泥漿含水量不超過(guò)27%時(shí)， 泥漿流動(dòng)性較差， 基本不能流動(dòng)或流動(dòng)緩慢， 無(wú)法滿(mǎn)足對斜井灌注要求。當黃土泥漿含水量大于30％時(shí)， 泥漿流動(dòng)性好，但在固結過(guò)程中析出的水較多， 固結時(shí)間較長(cháng)。而介于前兩者之間的泥漿流動(dòng)性較好， 固結過(guò)程中析水較少， 固結4天（96小時(shí)） 后具有一定強度。 也就是說(shuō)， 含水量28～30%的黃土泥漿流動(dòng)性及固化效果均較好， 能夠滿(mǎn)足斜井灌注要求。黃土泥漿的配合比建議值： 黃土68％、 水28％、水玻璃1％、 腐植酸鈉3％。

試點(diǎn)斜井施工完兩個(gè)月后挖開(kāi)試點(diǎn)斜井下井口檢查黃土泥漿與管道、 井壁黃土接觸情況， 發(fā)現斜井內部黃土泥漿充填密實(shí)， 與四周的斜井井壁及管道均接合良好， 未發(fā)現有收縮縫存在， 同時(shí)泥漿并未完全固化， 略具彈性， 呈硬塑狀。 說(shuō)明黃土泥漿在斜井內部的固化時(shí)間相對較長(cháng)。 造成這種現象的原因主要是因為斜井內部空間為密封狀態(tài)， 黃土泥漿在固結過(guò)程中析出的水分完全依靠斜井四周土體自然吸收， 當土體吸收的水分達到一定程度時(shí)， 其吸水能力便會(huì )減弱， 同時(shí)密封空間內的溫度較低， 黃土泥漿的固化時(shí)間便進(jìn)一步延長(cháng)。 可以推測， 隨著(zhù)時(shí)間的增長(cháng)， 管道周?chē)�的黃土泥漿強度會(huì )逐漸增大， 管道的穩定性得到了極大的保證。

綜上可知， 采用黃土泥漿灌填病害斜井穩固管道， 采用二八灰土分層夯實(shí)回填封堵斜井上、下井口防水止水的斜井病害整治方案可行， 既經(jīng)濟又安全。

斜井病害整治的工程實(shí)踐

1、 蘭鄭長(cháng)輸油管道主要穿越坡度較陡的黃土陡坎時(shí)選擇斜井穿越法， 主要采用人工開(kāi)挖斜井。 斜井長(cháng)度20~250m不等， 坡度15°~35°， 斜井斷面上部為半圓形， 下部為矩形， 其形態(tài)似拱形門(mén)， 高度1~1.5m， 寬度0.9~1.8m。

斜井病害整治施工一般工序： 做好病害斜井上、 下井口周邊臨時(shí)排水的前提下以臺階形式打開(kāi)斜井上、 下井口， 采用井下攝像或其它可視系統探查斜井內部垮塌黃土堵塞情況（根據實(shí)際情況選擇性使用） ； 如存在堵塞情況， 進(jìn)行水力通井工作。 如水力通井無(wú)法貫通斜井， 則采取在斜井中部開(kāi)挖豎井或斜井或水平井等對病害斜井分段進(jìn)行水力通井； 確保斜井暢通后， 采用二八灰土對斜井下井口分層夯實(shí)回填直至封口。 按試驗配合比拌制黃土泥漿， 并從上口灌注黃土泥漿；灌注過(guò)程中密切觀(guān)察并記錄黃土泥漿在井內的流動(dòng)情況及攤鋪過(guò)程， 并據此及時(shí)調整黃土泥漿配合比， 滿(mǎn)足灌注充實(shí)的要求。 灌填完畢后采用二八灰土對斜井上井口、 豎井、 斜井和水平井井口分層夯實(shí)回填封口， 鋪設防滲土工布， 并做好地表地貌恢復工作。

2、 施工質(zhì)量控制兩大關(guān)鍵工序

關(guān)鍵工序一： 斜井上、 下井口的開(kāi)挖按0.5m×0.5m臺階形式從地面向下開(kāi)挖， 使斜井井口下口順管道方向長(cháng)4m， 垂直管道方向長(cháng)3m。斜井井口地面開(kāi)挖尺寸根據管道具體埋深確定，開(kāi)挖深度至管底0.5m為準。 確保井口采用二八灰土分層夯填形成的“止水塞”能完全封堵斜井井口， 有效攔截地表水及順管溝的潛流。

關(guān)鍵工序二： 經(jīng)斜井整治工程施工反饋，將黃土泥漿的基本配合比調整為： 黃土65％、 水28％、 水玻璃4％、 腐植酸鈉3％。 但各斜井長(cháng)度、 坡度、 黃土性質(zhì)及施工氣候等均不同， 灌漿時(shí)實(shí)際黃土泥漿配合比應根據黃土泥漿配合比現場(chǎng)試驗及現場(chǎng)實(shí)際情況調整確定。 黃土泥漿原則應保證泥漿呈流態(tài)， 能順利往下輸送， 使其與井壁及管道緊密結合， 確保其固結后與井壁及管道均能緊密接觸， 達到穩固管道的工程目的。

黃土泥漿灌漿的四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)

關(guān)鍵點(diǎn)一：拌制質(zhì)量。 黃土過(guò)篩篩孔大小， 水玻璃、 腐植酸鈉質(zhì)量， 拌制順序， 拌制均勻度等均影響黃土泥漿拌制質(zhì)量。

關(guān)鍵點(diǎn)二：漿液配比。 漿液的配比應參考設計配比， 但應根據各斜井現場(chǎng)漿液配比試驗進(jìn)行合理調整配比。 其稀稠度應考慮斜井的長(cháng)度、坡度、 施工季節氣候及拌料的技術(shù)參數等， 以確保拌制漿液既能順利流入斜井井底， 又不至于漿液過(guò)稀對斜井下井口井底壓力過(guò)大而導致漏漿或脹底現象發(fā)生。

關(guān)鍵點(diǎn)三：一次灌漿量。 斜井一般較長(cháng)，坡度一般大于20°， 井壁均為原生黃土， 斜井下井口埋深一般2-5m， 灌漿后對斜井下井口壓力較大， 故應控制一次灌漿量。 原則上一次灌漿長(cháng)度不超過(guò)10m， 坡度較大時(shí)不超過(guò)5m。

關(guān)鍵點(diǎn)四：間歇時(shí)間。 黃土泥漿凝結時(shí)間較長(cháng)， 施工過(guò)程相對較短， 現場(chǎng)黃土泥漿試驗表明， 黃土泥漿初凝時(shí)間20h以上， 故采取灌漿間歇24h～36h后再進(jìn)行下一次灌漿為宜， 既保證前一次灌注的黃土泥漿具有一定的強度， 又不耽誤施工工期。

存在的主要工程技術(shù)問(wèn)題

1、 黃土泥漿的配合比受斜井長(cháng)度、 斜井坡度、 斜井井壁黃土特殊性狀、 拌合料技術(shù)指標、拌制工藝、 施工季節氣候等諸多因素的影響， 合適的配合比才能達到穩固管道的工程效果， 目前還沒(méi)有這方面成熟的研究。 另外黃土泥漿外加劑（如摻入石灰、 水泥、 快凝劑等） 也是日后的一個(gè)研究方向。

2、 調查及施工過(guò)程中均發(fā)現部分斜井存在穿越廢棄窯洞未做任何工程防護處理的情況， 此類(lèi)隱蔽病害的工程治理也需進(jìn)一步的探討研究。

3、 部分斜井下井口位于沖溝內， 為保護輸油管道安全而不得在管道周?chē)鷦?dòng)用機械， 井口淤泥土的開(kāi)挖、 支護及降排水成了工程難題。

結論

通過(guò)對蘭鄭長(cháng)輸油管道斜井病害整治的設計與施工， 得出以下結論：

1、 今后的管道建設在大力推廣斜井穿越法的同時(shí)， 應在管道鋪設過(guò)程中及時(shí)采取有效的工程措施處理安全隱患， 可有效減少管道運營(yíng)過(guò)程中斜井病害對管道安全運營(yíng)的影響。

2、 通過(guò)對斜井病害基本特征、 成因的分析以及對斜井病害整治方案進(jìn)行論證， 綜合提出斜井病害整治方案： 斜井井內采用黃土泥漿灌填穩固管道， 采用二八灰土分層夯實(shí)回填封堵斜井上、下井口防水止水，

3、 通過(guò)黃土泥漿配合比試驗及蘭鄭長(cháng)輸油管道陜西段26處斜井大面積施工的效果， 有力地驗證了斜井病害整治方案的可行性、 經(jīng)濟性及安全性。

4、 設計為施工服務(wù)， 并指導施工， 而施工反饋信息優(yōu)化完善設計， 兩者相輔相成。 ◢

參考文獻

[1] 孫毅力,王芝銀等. 穿越黃土陡坡管道斜井支護方式[J].油氣儲運.2009.28(4) ：67～70．

[2] 王怡,王芝銀等. 管道穿越黃土陡坡斜井工程穩定性分析[J].巖土力學(xué). 2008，29(5)：267～271．

[3] 梁國儉. 黃土塬地區管道施工方法—斜井穿越法[J].石油工程建設. 2007，33(3)：23～25．

[4] 王芝銀,袁鴻鵠等. 管道穿越土質(zhì)邊坡斜豎井設計參數的確定方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2010，1(4)：105～108．

[5] 胡道華. 陜京輸氣管道建設中水工保護的研究與實(shí)踐[J].油氣儲運. 1998，17(10)：24～28．