长输管道穿越湿陷性黄土时斜井充填技术研究

许福兴，张永祥(甘肃工程地质研究院，甘肃　兰州　735000)



长输管道穿越湿陷性黄土时斜井充填技术研究

许福兴，张永祥
(甘肃工程地质研究院，甘肃兰州735000)

摘要：西北黄土高原地区生态脆弱，如果被破坏则需要很长的时间才可以恢复，如果严重甚至是难以恢复。管道穿越技术相对来讲不用开挖沟槽，施工进度较快、成本较低，较为适合黄土高原地区，但是长输管道在采用这种技术时会时常遇到斜井塌陷的问题。在这里主要就长输管道穿越湿陷性黄土时的斜井填充技术进行分析。

关键词：管道穿越技术；黄土；斜井

随着经济高速发展，输油、输气、热力等管道大规模建设，管道施工建设已成为当今社会发展不可或缺的重要支柱。由于管道穿越不用开挖沟槽，施工进度快、成本低，同时也减少了征地等环节。西北黄土高原由于生态脆弱，一旦破坏，需要很长时间才能恢复，甚至根本无法恢复。黄土高原黄土层厚，管道穿越所需的斜井，利用现代钻孔设备施工具有成孔快、不易坍塌的特点，在长输管道工程施工的中被大量采用。

在湿陷性黄土中管道穿越施工完成后，雨水等地表层水会顺管道进入斜井内，造成斜井内支持管道的黄土湿陷性塌陷，致使管道悬空。管道一旦悬空在高压介质的作用下，会产生共振，严重的使管道断裂。管道一旦断裂会造成巨额经济损失，更重要的是威胁当地居民和环境安全。

受中石油管道公司委托，2011年、2012年我们通过排查发现兰郑长输油管道，甘肃、陕西、河南境内的斜井均存在不同程度的塌陷，有部分原孔径不足1m，塌陷成有6～7m大的空洞，经过与业主充分沟通，我们采用化学泥浆充填的工艺治理塌陷。经过中石油管道公司组织专家论证，认为方法可行。

2011年本公司在甘肃段施工10处斜井，2012年施工1年后挖井检查与我们预期目标基本一致，达到了治理的目的。由于管道在黄土层穿越施工起步较晚，对湿陷性黄土塌陷形成的危害还没有引起足够的重视。斜井充填施工工艺的研究和应用在国内还是比较少，本文结合实际工程探讨斜井充填材料和施工工艺，便于类似工程参考。

1　方案设计

1.1湿陷性黄土特性

黄土是干旱或半干旱气候条件下的沉积物，而遇水时，水对各种胶结物的软化作用，土的强度突然下降便产生湿陷。

1.2设计原理

黄土在充分湿润的条件下，各种胶结物完全软化，并充填到相对牢固的较粗颗粒之间，提高黄土的密实度降低孔隙比。充填方案就是利用黄土加水，在黄土充分浸水的情况下，破坏黄土中的空隙结构，黄土失水后形成密实的结构，消除湿陷性。添加化学添加剂，提高泥浆稳固性和流动性，泥浆充填到斜井中，泥浆经过一段时间失水固结，还原为黄土并消除了湿陷性。

1.3添加腐殖酸钠

采用天然含腐植酸的优质低钙低镁风化煤经化学提炼而成，具有很大的内表面积，有较强的粘结能力，黄土充填施工中,泥浆会发生失水,特别是在温度和压力较高、地层渗透率大的井段,泥浆失水量会明显蹭加。泥浆失水较快不但影响黄土流动速度和流动距离,使黄土流不到井底就固结，在斜井下部形成空洞。且泥浆失水过快，上部井壁吸水过多而造成井壁塌陷。腐殖酸钠是良好的泥浆处理剂，其分子具有更多能吸附粘土颗粒表面、带有负电荷、水化能力强的基团，能提高粘土颗粒的电动电位，增加水化膜的厚度，从而增加粘土颗粒的聚结稳定性，起到分散和护胶作用。且腐植酸钠只会促进植物生长，不会破坏环境。

1.4添加水玻璃

水玻璃采用石英粉（SiO2）加上纯碱（Na2CO3），在1300～1400℃的高温下煅烧生成固体，水玻璃具有速凝、稳固和增稠的作用。在建筑行业中用于制造快干混凝土。而且在泥浆中使用不会对土壤造成污染。我们就是利用水玻璃的上述性质，按一定比例添加到黄土泥浆中，提高泥浆的稳定性，在泥浆灌注到位后又能快速凝固，减少间断时间、提高灌浆效率。

2　施工工艺设计

2.1探测斜井井内情况

长输管道穿越山坡、河谷、道路、村庄等地段时井内情况复杂，出现坍塌、悬空等现象。在灌浆之前需要我们探明井内情况，根据实际设计可行方案，以防盲目注浆引发次生灾害或再次埋下隐患。探测我们首先使用移动摄像头，摄像头安装在遥控电动车上，从上井口开始顺管道至上而下行进，工作人员利用井口的显示屏观察。并根据电动车的位置确定斜井堵塞及坍方位置，详细记录井内情况。

2.2灌浆工艺设计

挖开斜井的上下井口，使用三七灰土夯实下井口。从上井口灌泥浆，每灌满4～5m停顿24h，以便泥浆固结，直到灌满为止。

2.3出现斜井堵塞处理

利用管道探测仪及电动车确定的斜井位置，经过计算在地面确定位置，垂直掘进竖井，竖井掘进到管道位置后疏通竖井以下斜井，并在竖井内安装导管从上井口灌浆。灌满后使用三七灰土夯实竖井，将竖井作为下井口，再在上井口灌浆。

2.4出现悬空位置

大面积出现空洞时不能直接使用泥浆罐填，否则大量泥浆罐填到空洞中不仅浪费材料增加成本，更重要的是大量泥浆聚集增加下井口压力，增加下井口喷浆风险。一旦喷浆不仅前功尽弃。所有泥浆倾泻而出给下井口附件村庄及农田造成极大威胁。因此在灌浆之前要先处理空洞，如空洞不大且据上井口较近，可采用导管搭桥的方法，直接跨越空洞，先罐填空洞以下部位。等罐填到空洞位置时停一段时间，等罐填的泥浆固结后再罐填上面部分。如空洞较大或距上井口较远，无法利用导管架桥时，在空洞上面掘进竖井先罐填下半部分斜井，再利用竖井在空洞出夯填三七灰土。填满空洞和竖井后再罐填上半部分斜井。

2.5泥浆对黄土的要求

黄土要选用纯黄土，不得含有砂石、草木等杂质，以防罐填时损伤管道防腐层。黄土要过筛，黄土颗粒不大于3mm，这样保证黄土在搅拌的过程中充分湿润，比重均匀，泥浆流动时匀速进行。也不至于堵塞充填管路和充分消除湿陷性。

3　泥浆配合比的确定

罐填泥浆利用泥浆搅拌罐充分搅拌，加入腐植酸钠，其目的就在于保证泥浆的稳定性，泥浆在流动过程中不发生离析现象。利用其保水性使泥浆不在流动过程中大量失水，破坏井壁。加入水玻璃的目的就在于利用其增稠作用，保障泥浆在流动过程中保持稳定，到位置后使泥浆快速固结。加快充填速度，减少停留时间。

在工程施工之前，我们模拟斜井环境，在不同坡度的斜坡上挖沟槽，根据不同配合比做试验。最后根据泥浆流速、固结时间确定最佳配合比、每次罐填高度和间断时间，见表1。

表1　不同条件下泥浆流动长度（m）

试验根据这次10处斜井实际工程，最大坡度35°，最小坡度8～10°，选用上述不同条件下5条沟槽进行试验，配合比3组，第一组选用水28%、腐植酸钠4%、水玻璃1%。第二组水30%、腐植酸钠3%、水玻璃2%。第三组水31%、腐植酸钠1%、水玻璃3%。

根据试验，泥浆凝固时间和腐植酸钠含量成反比，与水玻璃含量成正比。而泥浆流动速度和流动距离与腐植酸钠含量成正比，与水玻璃含量成反比。因此在斜井充填之前首先根据斜井坡度，斜井距离设计泥浆配合比，这样才能使泥浆流到底，并在合理的时间内固结。上述试验是在露天地表开挖沟槽得出的结论，在斜井内井壁充分湿润的条件下，泥浆流动距离会大于露天的沟渠。

4　结论

施工中石油兰郑长输油管道甘肃段10处斜井充填治理工程，在施工中组织技术骨干成立精干的项目部，斜井施工之前由项目经理组织技术人员在野外黄土坡面上模拟斜井做试验，再根据设计要求和试验结论确定泥浆配合比等数据，经过10处斜井施工我们总结出以下结论供同仁参考。

根据斜井坡度、距离确定泥浆配合比。泥浆配合比对斜井充填工程至关重要，如泥浆太稠，水玻璃含量过大，泥浆流不到底就已固结，尤其在斜井瓶颈地段固结堵塞，在斜井中形成空洞，给管道埋下重大隐患。如泥浆含水多、腐植酸钠含量高，水玻璃含量少就会造成泥浆凝固太慢，影响施工效益。更为严重的是泥浆凝固太慢，长时间成胶体状态，随斜井充填量增加，下井口压力增大，可能造成下井口及薄弱井壁破裂而造成喷浆。一旦喷浆会给周边居民、农田造成严重威胁。根据我们经验在大于35°的斜井充填时，可先用含腐植酸钠的泥浆湿润井壁后，在大量充填时可不再加腐植酸钠，水玻璃的含量加大至4%，减少含水量。在大量充填之前用含腐植酸钠的稀泥浆湿润井壁也很重要，含腐植酸钠的泥浆会在斜井井壁形成一层光滑的薄膜层，增强泥浆流动，阻止泥浆失水，防止斜井井壁浸水塌陷。为了使腐植酸钠更好的溶解，要提前浸泡。黄土一定要过筛粒度符合要求，泥浆要经过充分搅拌，如果有大块混入，就有可能形成堵塞斜井，在井内形成空洞。坡度越缓泥浆流动距离越短，因此充填距离不宜太长，如斜井太长超过试验泥浆流动距离要在中间设置竖井分段充填。

参考文献：

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中图分类号：TE832