中俄二线管道工程多年冻土区冻害问题分析

大庆油田工程有限公司

中俄原油管道二线工程（简称“中俄二线”）与中俄原油管道漠河—大庆段工程（简称“漠大线”）并行敷设，一般地段并行间距为10 m[1]。但多年冻土作为岩土热状态对外界气温的一种响应，其分布和工程地质特性空间异质性很大，在地气热量交换过程中受到地形地貌、地表覆被、地层性质等多种非地带性因素的影响，呈现出保存状态、地温、厚度、含冰量等主要特征的空间异质性[2]。而大兴安岭地区的多年冻土极易在包括漠大线及加漠公路等工程的施工热扰动下产生衰退和融化，其物理性质被改变，导致地表植被、地下水等发生变化[3]，造成冻土退化及引发新的冻胀丘、冰椎等冻土次生灾害的发生[4]。

制定科学的冻害研究技术路线，合理、全面地利用漠大线冻土区建设的成功经验，是保障中俄二线建设更加安全、顺利、可靠的基础。在中俄二线设计前期，通过收集、整合漠大线冻土资料，收集漠大线在运营以来主要存在的工程问题及检测、监测所取得的基础数据，进行野外调查，以及通过野外勘查获取基础资料，采取原状土样供室内测试、分析使用等方法[5]，提出相应的措施和建议。

1 冷生病害问题调查分析

冷生现象是寒冷地区由于地表和地下水冻结，或者地层材料在温度应力作用下，促使水分、表层土颗粒发生位移的一种现象。漠大线管道经过地区冷生病害主要为冰锥、冰幔、冻胀、冻拔、季节性冻胀丘、地表裂缝等病害。虽目前对于管道并没有造成明显的影响，但是已经对沿线附属设施造成了严重的破坏。且表层土层循环冻融及其引起的水分、土颗粒的迁移、集聚等现象在长期作用过程中可能会逐年累计恶化，最终影响管道运营。

1.1 冰椎

冰椎是寒区比较常见的一类冷生现象（病害），主要发生在地下水溢出带内，一般发育在山前缓坡前缘。

在管道施工中，由于管沟的开挖，有可能阻断原来地下水的径流通道，使得管沟沟壁成为地下水出露点，或者在冬季发生回冻时，由于管沟填料比较松散，含水量较大，导致回冻速度较慢，从而形成地下水溢出的薄弱地带。在冬季，地下水从管沟中溢出后随即冻结，在管沟及其附近可以形成大面积的冰椎。这种情况下，形成次生冰椎（图1）。

图1 漠大线管道某处的冰椎Fig.1 Ice cone somewhere along the Mo-Da Line

冰椎本身对于有基础支撑的管道来说不会造成管道破坏，但是管道地基下的多年冻土发生融沉，使管道失去支撑，在管道自身重力及附加上面的冰体重力作用下，则有可能加剧管道变形或破坏[6]。

1.2 冰幔

冬季在河床较宽、河水较浅的河道上，由于冰凌的阻塞或者水层较薄的地方首先冻透，冰层直接冻结在河床上，河流上游来水被冰层阻挡，向两侧河漫滩满溢，有时甚至满溢到岸上，形成大面积河道冰幔（图2）。另外，管沟填料由于自然压实和固结而塌陷，地表水向管沟中汇集并在冬季冻结，也可以形成大面积冰体，这些地表的聚冰现象是在人类工程活动影响下形成的，属于次生病害。会对管道巡检、维护、抢修等作业造成不利影响。并且如果因管道建设改变当地水文条件而形成聚冰，则可能诱发导致管下多年冻土融化。

图2 河道冰幔形成过程示意图Fig.2 Schematic diagram of the formation process of river ice mantle

1.3 差异冻胀

多年冻土区表层在冬季会发生地层冻结，地层中的水分因为相变而发生体积增大。当增大的这部分体积不能由土颗粒之间的孔隙容纳时，就会发生冻胀[7]。一般地区地面的冻胀量是厘米级的，对于深埋在地面以下2 m 左右的管道几乎没有影响。目前，在漠大线布设的各类检测剖面中所埋设的线缆还没有发现由于差异冻胀造成的拉断现象。但是，在中俄二线建设中，遇到表层土质、水分条件差异较大的地段布设检测线缆时，应该注意避免线缆在土层中张得太紧，需留有变形余量。

1.4 季节性冻胀丘

季节性冻胀丘一般发生在山坡坡脚和沟谷底部等汇水部位，根据水分迁移的动力来源可分为封闭性冻胀丘和开放型冻胀丘两类。从管道巡查资料看，目前管道管沟上部或附近还没有发现季节性冻胀丘。但季节性冻胀丘具有移动性，不排除以后会在管沟上形成冻胀丘的可能。季节性冻胀丘发生水分吸附、产生冻胀的部位一般较浅，因此中俄二线管道埋深足够（2.0 m 左右）时，季节性冻胀丘对管道的影响也较小。

另外，由于漠大线管道油温的加热作用使管道周围存在一定厚度的融化圈，在管道周围没有发生急剧温度变化的条件，可以抑制冻拔及地表裂缝等问题对管道产生影响[8]。但是对于埋设在地表的各类管道附属物，如沿管道布设的里程桩、管道变形监测桩、埋在地中的管道监测系统集线箱等仍具有很大破坏作用（图3）。因此中俄二线变形监测桩采用衬套方式与周围土体接触，使冻拔只作用在外部的衬套管上。

图3 漠大线管道里程桩受不均匀冻拔而倾斜Fig.3 Mileage pile of the Mo-Da Line inclines due to uneven frost lifting

2 冻害相关问题

（1）埋深不足和露管。在施工过程中，管沟挖掘深度不足或者施工质量问题可能导致部分管段悬空埋入。短期内此类地段不影响管道的正常运营，但综上分析可知，如果在冬季满足冻胀条件，外界气温对浅层填土的冷却超过管道油温对周围土体的加热，使管下土体发生冻结，则冻胀作用可能影响到管道，强大的冻胀力可以使管道发生变形。

（2）填料沉陷。管沟填料沉陷的后果是管沟中积水，甚至可以成为地表水流通道。地表水下渗所携带的热量会促进管多年冻土的融化，加剧管沟底部的融沉风险[9]。

（3）冻融破坏。在管道沿线修筑的大量混凝土构筑物和浆砌石挡墙在寒冻风化作用下会发生严重的破坏。且这些材料本身含有大量水分，在经历冻融循环时，其内部产生的温度应力或水分冻结产生的冻胀力使这些构筑物发生开裂、掉块，甚至完全破坏[10]。

为防止中俄二线管道出现此类问题，应在夏季施工，严格参照有关寒区混凝土施工规范，在冬季到来之前使其内部水分和水泥成分充分反应和散失，保证构筑物内部没有自由水；并且注意防止外界水分通过表面缝隙进入构筑物内部。

3 结论

（1）根据现场调查及各类病害的形成机理分析，目前发现的各类病害对正常埋深为2.0 m 管道的安全运营几乎不构成威胁。

（2）原生或次生的冷生病害对沿线的一些监测、通信、防护等附属设施会造成严重破坏，影响正常管道的维护、检测等活动[11]。针对中俄二线工程不同管道附属物面临的不同形式的破坏，应采取相应措施加以预防。

（3）寒区浅地表及地表发生的冷生病害主要控制因素是水分迁移、汇集及相变。因此在中俄二线管道线路选线时避开水分充足的地段，在施工时加强排水及适当建设排水、挡水设施；在低洼的汇水地段，适当加深管道埋设深度，避免这些现象发生在管道埋深范围内。