高永强

（新地能源工程技术有限公司，北京 102200）

1 概述

目前我国的天然气长输管道工程已进入高峰期，并配套建设了大量的输气站场，受到地形、土地性质、地方规划等限制，有些输气场站不可避免位于不良地质上。其中，软土地质是比较典型的不良地质条件，此类地质条件易于沉降，按照常规工艺管道敷设方式不能满足工艺管道的安全，对工艺管道有严重危害，表现为管道弯曲、管道倾斜，影响管道的正常使用；管道防腐层剥离，加速腐蚀，影响管道使用寿命；严重时导致管道拉裂，产生安全威胁，造成生命财产的损失。因此，研究软土地质中工艺管道的沉降治理有重要意义。

本文以浙江省天然气管网的镇海天然气末站为研究对象，镇海天然气末站地质条件为典型的软土地质，主要功能是接收杭甬线来气，过滤、计量后分输给浙能镇海热电厂。主要功能分区为工艺区、放空区、构筑物区（综合用房，单层）。2013年11月开始镇海天然气分输末站场区回填，在回填过程中场区地面一直在沉降，设计回填厚度为4m，实际回填近6m；2014年6月场区建设完成，建设完成后场地沉降仍在继续；直至2015年7月工艺区地面仍在下陷，工艺管道的安全受到威胁，表现为地上管线发生倾斜，开挖发现地下管线弯曲、防腐层破坏等。

本文针对镇海天然气末站工艺管道的沉降治理方法以及治理效果，探讨软土地质下，沉降对工艺管道的影响，并提出了此类地质条件下，工艺管道的敷设方式以及其他沉降治理措施，为其他类似工程提供技术方案支持。

2 自然地貌和地质概况

2.1 软土的定义

软土是指天然含水量大、压缩性高、承载力低和抗剪强度很低的呈软塑～流塑状态的黏性土。具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物 理力学性质相差较大等特点，如表1所示。

表1 软土的分类标准

软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细粒土，我国软土主要分布在沿海地区，如东海、黄海、渤海、南海等沿海地区。内陆平原以及一些山间洼地亦有分布，如表2所示。

表2 我国软土主要分布区域

本文中的镇海天然气末站所在地属于滨海沉积软土，位于宁波。

2.2 自然地貌

镇海天然气末站位于宁波市镇海区，原为滨海滩涂，经2005年新泓口围垦工程筑堤而成，场地勘察时为浅水养殖区域。地势较平坦，高程为-0.80～-0.91m，相对高差为0.11m，如图1所示。

图1 场区原始地貌

2.3 地质概况

镇海天然气末站场地势低洼，地表层无地表硬壳层，直接露出淤泥，属于典型的软土地质，土质欠固结，具有含水量大、高压缩性、强度低、透水性差等不良工程地质性质。具体地质情况如表3所示。

表3 主要岩土层分布与特性简表

勘察主要结论：

（1）建设场地地势低洼，需回填厚度较大。场地直接出露（2a）层淤泥，天然地基不能满足回填层填筑的要求，需进行人工地基处理。

（2）拟建区域内除存在软弱土外，未发现断层、泥石流、滑坡等不良地质作用。

（3）软土是工程场地的特殊性土，表层的（2a）层淤泥及（4b）层淤泥质黏土为饱和、流塑、灵敏度高、压缩性大、渗透系数小的软土，平均层厚达15m左右，该二层土在沉桩时会引起较高的超孔隙水压和产生较大的土体位移。

（4）场地大面积回填，为了确保该工程软弱地基处理达到预期的效果，监测施工过程中地基的变形与固结情况，及时控制加载速率和进程，防止地基的剪切破坏和滑动，保证施工安全及施工质量。

3 工艺区地基处理

由于预见到工艺区会沉降，需要进行地基处理，镇海天然气末站的工艺区进行了桩基处理，桩采用PHC预应力管桩，桩长34m，对工艺区所有的管线及阀门支墩、设备基础、污水池等均采取打桩处理。工艺区管道的口径为DN800、DN500、DN250、DN100、DN80、DN50、DN40、DN25共计8种口径，相关桩基情况如表4所示。

表4 管线与桩基布置表

镇海天然气末站工艺区进行了桩基处理，但显然没有预计到沉降的规模如此之大，场区场地设计标高为4.0m，由于其软土地质和高回填的特点，在2013年6月开始场区回填，在回填过程中场区地面一直在沉降，设计回填厚度为4m，实际回填近6m。同时软土地质条件下，由于淤泥具有高压缩性和排水固结缓慢的特点，沉降持续的时间很长，自场区开始回填至2a后（2015年7月）沉降才趋于平稳，表5记录了2015年工艺区3个月的地表沉降情况，在观测期间沉降量最大为21.78mm，最小为1.25mm，同时可以看出未进行地基处理的区域地面在2a后还是在继续沉降。

表5 沉降观测表

4 软土沉降对工艺管道的危害

软土地基具有强度低、变形历时长的特点，且沉降量大，这种连续沉降对工艺管道产生了持续的危害，以镇海天然气末站工艺区为例，工艺区管道每隔6m进行了桩基处理，但无桩基区域持续沉降，工艺区地面因此呈现波浪形态，在如此复杂的地质条件下，工艺管道的安全受到了极大的威胁，如图2所示。

图2 工艺区地面

4.1 地下管道变形

土壤持续下沉产生的力并不均匀，表现为管道受到的水平方向侧向力不均匀，管道受到的垂直方向压力不均匀，小口径管道易于变形。排污管道（DN50）在桩基支撑两侧均受力下沉，支撑点处表现为隆起，管道的弹性形变可以在开挖后恢复，但塑性变形无法恢复，焊缝是脆弱点，更严重的情况下管道会折断，发生泄漏或爆炸如图3所示。

图3 地下管道

4.2 地上管道倾斜

由于地下软土持续下沉，管道地下部分受到土壤沉降力，并下沉，地上部分受力弯曲、倾斜，如长时间不释放管道应力，管道会由弹性变形进一步发展为塑性变形，管道的法兰密封也受到持续的不均匀力，易产生泄漏，造成安全事故，如图4所示。

图4 管道沉降

4.3 管道拉裂

管道拉裂易出现在交接界面处：

（1）镇海天然气末站进出站场的管道，存在站内站外的交界点，站内部分进行了桩基处理，站外地下管道随土壤下沉，不均匀沉降量不一致，剪切力非常大，管道在此处集中受力，严重情况下管道被拉裂，造成天然气泄漏，因为处于站场和站外的交界面，且位于地下，不易第一时间发觉，极易发生爆炸。

（2）进出建筑物的管道，管道在室内部分固定于建筑物上，管道在室外部分随土壤不均匀沉降，受到剪切力的作用，易拉裂。

4.4 法兰泄漏

以镇海天然气末站的放空火炬点火撬块为例，其由于未设置在桩基承台上，随地面沉降，支架悬空，由于其自身管径很小，为DN25，在自身组件重力和支墩重力下已产生了塑性形变，法兰连接处成为应力集中点，易于发生泄漏，如图5所示。

图5 塑性形变

4.5 出入土端防腐层剥离

管道防腐是管道养护的重要环节，可以增加管道的使用寿命，管道由地下转地上部分防腐一般由内层无溶剂液体双组分环氧涂料和外缠热收缩带组成，在土壤的沉降作用下，部分外防腐层剥离，内层涂料破坏，容易发生腐蚀反应，腐蚀之后的管道损坏极易造成安全隐患并引发事故，如图6所示。

图6 防腐剥离

5 工艺管道的敷设措施

软土地质的地基填筑和加固处理需要巨额花费，有时一个小型天然气站场全部地基处理费用可达到1 000～3 000万元，大中型场站地基处理费用可达5 000万元以上，且处理周期长达0.5～2a，对一些实力不是很雄厚的甲方来说，项目建设周期短的项目，就不会对场区进行全部处理，仅对建筑物、设备、工艺管线进行局部地基处理。因此工艺管道敷设不能按照常态的思路进行，应该结合地质条件及地基处理方式灵活应对，在镇海天然气末站的沉降治理过程中因地制宜，对工艺管道的敷设进行处理。

5.1 架空敷设

5.1.1 低支架敷设

通常地质条件下工艺区内为整洁美观、方便巡检，管道多采用地下敷设方式，在软土地质条件下，工艺区会出现不均匀沉降，为减少沉降对管道的影响，管道可以采用低支架方式进行敷设，支架采用可调支架，敷设管道净高建议不小于0.3m。管道在站内其他区域通行时，在不影响通行的情况下，可沿围墙或平行于道路低支架敷设，建设费用低，易于检修，不受土壤沉降、腐蚀的影响。

其中小口径管线自身的刚度较低，且大多位于工艺区内，易于在沉降的作用下出现弯曲变形，因此更适合于地上低支架敷设。

5.1.2 中支架（管架）敷设

在人行频繁和非机动车道通行地段可采用中支架敷设。管道底部净高不宜小于2.2m。

镇海天然气末站有268m的外输管线，进站管线管径为DN500，位于软土中，原为埋地敷设，将此段由自然敷设改为地上管架敷设，地上管架采用单独预桩基，桩基每隔16m设置1处，桩长30m，管架长约350m，架高2.5m。

5.1.3 高架敷设

需要通行车辆处，管底的净高视车辆的类型有所不同，通过小型检修机械或车辆时不宜小于3m，通过大型检修机械或车辆时不应小于4.5m。镇海天然气末站进站管线为DN800，站外穿越公路，原为埋地敷设，通过治理改为高架敷设，公路有大型设备通过，所以相应增加管廊支架跨路时架高至7m，跨距14m，如图7所示。

图7 高架敷设

5.2 浅埋敷设

工艺区内部分中小口径管线可不选择地上低支架敷设，比如影响巡检通道等原因，也可进行浅埋处理，埋深为管顶250mm（结合冻土深度确定），管道2侧各0.5m用细沙回填。对浅埋的管线，镇海天然气末站要求对原桩基承台进行补高，管线与承台接触面垫10mm厚绝缘橡胶板。

5.3 桩基加固敷设

通过过对镇海天然气末站管线的开挖发现，DN300以上口径的管线（每隔6m打桩），由于口径大、壁厚大，抗土壤沉降能力强，采取措施如下：

（1）换填：管道敷土改为细沙，细沙流动性好，对管道的沉降力小；

（2）补桩：对管道出入土端增加预应力管桩，对出入土端进行支撑。

6 其他综合措施

位于软土地质的场站，工艺管道的安全应综合考虑，不仅从管道的敷设、地基处理形式来考虑，还要建立长效的观测机制。以镇海天然气末站沉降治理为例，其后续建立了包括沉降观测和应力检查的观测机制。

6.1 沉降观测

镇海天然气末站在工艺区地面、工艺管道、设备支墩设置了10个观测点，通过持续地对沉降观测点的观测，以发现沉降观测点沉降量及其变化趋势，分析土壤沉降变形速率及最终沉降量，作为重要的预防措施和方案，密切关于沉降差，如图8所示。

图8 沉降观测曲线

6.2 应力检测

应力测量方法包括机械方法、光学方法、电子测定法。每种方法都是考虑到物体的应变，从几何学角度上看表现为物体上两点间距离的变化，从而进行测量。应力应变监测是对管道本体的直接检测，能够定期或实时反馈管线的应力应变状态，可以现场采集信号，也可以上传到调控中心，并设定报警值，对重要的管线进行长期的应力应变监控，是风险监测预警系统的重要组成部分，为长效治理提供持续的有效的数据支持。目前国内应力监测有长足的发展，应力监测在西气东输、漠大线等工程中均有成熟运用，如图9所示。

图9 应力检测图

7 结束语

地质灾害是以各种不良地质环境为致灾体、以管道本体及其附属设施为承灾体的“因果型”成灾过程，其识别与防治是管道完整性管理的三大核心任务之一，因此，在设计之初就应该加强不良地质识别、并制定相应的防治措施，要对不良地质有充分的认识。通过镇海天然气末站工艺管道沉降治理分析，选取软土对工艺管道的危害这一个点，深入揭示不良地质条件的识别和防治的重要性，并给出软土地质下工艺管道敷设的综合方案。

在输气管道场站建设当中，不良地质的类型还有很多，比如高回填区、湿陷性黄土区等，均可导致站场工艺管道沉降，可采用大底板、桩基、堆载预压等方式进行地基处理，因此应根据具体现场情况以及地基处理情况，对各种因素进行综合分析后，选择合适的工艺管道敷设方法，防止工艺管道沉降的发生，确保工艺管道的安全。