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1、凍土地段長輸管道大開挖施工工法1前言中俄原油管道漠河-大慶段起于漠河首站，終于大慶末站，線路全長 926 km，管線規格為813。沿線多年凍土可分為連續多年凍土區、不連續多年凍土區和島狀多年凍土區及季節性凍土區。由于 位于高寒地段，冬季極端氣溫達-50，冬季積雪時間長達 35 個月，積雪厚度 0.1m0.5m，局部 達 1m 以上，季節性凍土凍層厚度為 2.5m，永凍土地段地表 0.5m 以下均為凍層。為避免管道施工對 周圍環境的影響，造成多年凍土被人為損壞，避免凍土融化對管線造成影響，這些地段需要安排在 冬季進行施工。凍土施工沒有成功的經驗，此項目被列為局重點科技項目進行攻關，項目組成員通過2、研究決定： 開挖施工中采用液壓單鉤挖掘機松動表層凍土，單斗挖掘機配合清理；其中凍土沼澤地段采用分層 凍沉方法進行施工，即在上層腐殖土凍結后具備一定的承載力，采用挖掘機將上層土剝離至含水的 砂礫層位置，深度一般為 1.2-1.5m，進行凍沉，待第二層砂礫石層沒有完全凍結時，進行二次開挖， 達到設計埋深要求，大大提高了施工質量和施工進度。通過第二次成功的實施，編制了本工法。2 工法特點2.1 該工法的層次清楚，操作簡便，便于掌握。2.2 管溝開挖采用大功率單斗挖掘機配合單鉤挖掘機分段、分層開挖，采取人休機不休連續施 工，加快施工進度，局部特堅硬地段采用爆破松動法進行開挖，綜合效益明顯。2.3 季節3、性凍土沼澤地段采用分層凍沉開挖，使管溝開挖成型。3 適用范圍用于連續多年凍土區、不連續多年凍土區、島狀多年凍土區和季節性凍土區等高寒地段長輸管 道冬季大開挖施工。4 工藝原理凍土地段管溝開挖因地表凍結厚度較厚且較堅硬，施工中利用大馬力單鉤挖掘機凍土松動，然 后采用單斗挖掘機配合清理進行開挖管溝，采取人休機不休連續施工。季節性凍土沼澤段在 11 月初作業帶地表水降低后，地表土開始凍結，施工作業帶具備一定的承 載力，開始進行施工。管溝開挖采取分層凍沉開挖，即在上層腐殖土凍結后具備一定的承載力，采 用挖掘機將上層土剝離至含水的砂礫層位置，深度一般為 1.2-1.5m，然后進行凍沉，待第二層砂礫 石層4、沒有完全凍結時，進行二次開挖，達到設計埋深要求。5 施工工藝流程及操作要點5.1 施工工藝流程，見圖 5.1-1。圖 5.1-1施工工藝流程圖5.2 操作要點5.2.1 施工準備1 設備機具配備及保溫改造1）施工機具配備 根據施工寒季施工特點，地表凍層較厚，管溝開挖困難，施工前應提前準備開挖凍土的專用設備，即單鉤液壓挖掘機，將液壓挖掘機單斗換成單鉤，可以勾松堅硬的強風化巖石、凍結土等，單 鉤用 16 錳鋼材制作而成。2）多年凍土地區嚴寒的氣候條件和惡劣的施工環境，以及凍土的特殊工程性質，施工機械必需 具有良好技術性能。3）寒季平均溫度-20，為保證設備的正常冷啟動，必須采用相應措施。5.2.25、 多年凍土區和季節性凍土地段管溝開挖1 機械開挖1）根據施工寒季施工特點，地表凍層較厚，管溝開挖困難，凍土管溝開挖可以采用單鉤液壓挖 掘機、液壓鑿巖機進行破碎、松動，液壓挖掘機配合清理管溝。管溝開挖后溝槽內凍結速度較快， 如果不能一次成型，二次清溝、開挖凍土將非常困難，應盡量避免發生二次修溝，因此單鉤液壓挖 掘機及液壓鑿巖機應選擇功率在 360KW 以上為宜，確保一次開挖成功。見圖 5.2.2-1。圖 5.2.2-1大馬力單溝挖掘機松動管溝地表凍土2）管溝開挖首先采用單鉤挖掘機直接騎在管溝中心線倒退法開挖，以充分提高液壓單鉤挖掘機 松動和清理能力。利用接觸點的作用力將凍土層切成塊并翻松，因管溝6、深度較深，松動工作應分兩 層進行，第一層松動后馬上采用液壓挖掘機將凍塊清理出管溝，然后進行第二層松動和清理工作，直至到達設計挖深要求。見圖 5.2.2-2。圖 5.2.2-2挖掘機松動清理凍土3）管溝開挖出的表層凍土塊應該堆放至熟土堆放側，下層凍土塊清理應堆放至生土堆放側，為 保證管道下溝正常進行，熟土堆放及生土堆放側凍塊采用液壓鑿巖機破碎后，采用液壓挖掘機進行 平整，保證下溝設備行走通道平整及清理管溝設備的行走通道。4）個別凍土地段因周邊地下水位較高，尤其是林區地段，分布著很多冰錐和凍脹丘，周邊地下 水沿開挖管溝邊側的縫隙滲漏及周邊地下水涌入管溝形成凍層，施工中應每隔 1-2 天，采用單鉤挖7、 掘機或者挖掘機進行松動，避免造成溝內積水完全凍結，給管溝清理帶來麻煩。見圖 5.2.2-3。圖 5.2.2-3清理管溝5）因冬季施工氣溫較低，設備啟動較為困難，設備一旦熄火，啟動相當困難，因此管溝開挖應 采取設備連續運轉，實行人休機不休，設備操作人員進行三班倒班作業，確保整體施工進度。6）管道下溝前采用單溝挖掘機配合液壓挖掘機清除管溝內的積雪和積冰，保證管溝的深度和寬 度，確保管道敷設安全。見圖 5.2.2 -4。圖 5.2.2-4下溝前清理2 爆破開挖1）一般要求 凍土地段管溝凍土爆破開挖，用挖掘機快速速清理，以滿足凍土管道“連續作業，快速施工”的要求。 管溝爆破施工應保證施工帶以外的地表8、植被不因爆破施工而破壞。 管溝凍土爆破，可采用淺孔松動爆破。為提高爆破破碎效果，降低爆破對多年凍土環境的影響，多排、多孔爆破時，宜采用毫秒微差爆破。開挖管溝凍土所用炸藥，可采用黑色炸藥或硝銨炸藥或 TNT 炸藥。冬季施工時， 嚴禁使用甘 油類炸藥（在低溫條件下，甘油炸藥凝固時，稍微震動即能引起爆炸），雷管可使用電雷管或導爆管雷管。2）爆破參數確定凍土爆破的單位耗藥量 q 值，與凍土巖性成分和溫度有關，可參考表 5.2.2.3-1 選取。表 5.2.2-1：凍土單位耗藥量 q 值表巖石名稱淺孔、深孔爆破 q 值（kg/m3）松動加強松動粘性土0.300.400.600.75全風化泥灰巖0.4009、.500.801.00砂、頁巖0.500.651.01.2石灰巖0.600.751.11.3炮眼直徑 d、深度 L炮眼直徑 d 采用38mm 的標準鉆孔，眼深 L=（1.11.15）H，管溝挖深 H 按 3.0m 考慮，L=1.13.0=3.3m。最小抵抗線= (0.60.8) H=0.63.0=1.80m。 炮眼間距 a 和排距 b炮眼間距 a：一般取 a=(0.82.0)=0.81.80=1.44m； 炮孔排距 b：一般取 b(0.81.2)=0.81.80=1.44m； 炮孔間距應根據凍土凍結松軟程度，隨時調整，當凍層堅硬時，孔距小一些，當凍層松軟時，孔距大一些，以便達到滿意效果。 炮眼10、布置：采用梅花形布置。 單孔裝藥量計算 Q=qabL=0.31.441.443.3=2.05kg3）鉆孔 為了克服基底凍土或基巖底板的夾制作用，避免欠爆或超爆，爆破鉆孔的深度應一次鉆到管溝基底（包括換填部分）標高。為防止因塌孔、回淤、回凍等造成鉆孔深度的減少，在實際鉆孔中， 可考慮增加 2050cm 的附加超鉆量。4）起爆起爆網絡可采用非電導爆管網絡和導爆索網絡。對非電導爆管網絡，宜采用 雙層耐寒型導爆管。 為提高網絡的可靠性，宜采用閉合網絡。為防止雷電對起爆網絡的影響，可采用火雷管起爆導爆索 或非電導爆管網絡。采用電雷管起爆網絡時，應采取預防雷電引起早爆的可靠安全措施。5.2.3 凍土沼澤地11、段管溝開挖1 凍土沼澤地段機械開挖凍土沼澤地段在管溝開挖前，進行了多次的管溝試驗段開挖，在試驗中發現，常規開挖管溝的 方式無法將管溝開挖成型，管溝開挖必須分兩次開挖，才能滿足設計要求。管溝開挖應集中力量搶 挖搶下，每 500m 為一個分段開挖，一旦具備下溝條件，立即組織下溝、穩管、回填。 具體施工程 序如下：1）在上層土壤沒有完全凍結前并具備一定的承載力時進行開挖，第一層管溝開挖上口寬度為8m，以保證挖掘機在第二層開挖過程中能夠自由旋轉，管溝開挖的土石方盡可能堆到較遠的位置， 便于堆放第二層開挖出的土石方。2）第一層管溝開挖完成后，待第二層砂礫石層沒有完全凍結前進行第二次開挖，管溝開挖過程 中12、因砂礫層滲水性較好，淤溝、塌方嚴重，在管溝開挖過程中應對管溝開挖深度適當加深，根據現 場試驗段管溝開挖發現，管溝開挖深度需進行超挖 1.5m，用于彌補砂礫層快速淤溝造成的管溝挖深 不足缺陷。3）第二層管溝開挖時挖掘機靠近管道一側進行開挖，開挖的砂礫石層堆放在第一層開挖后的平臺上，直至挖深滿足設計要求。具體施工布置見圖 5.2.3-1 和圖 5.2.3-2。管 下 溝 溝 開 設 挖 管 備 堆 溝 行 土 位 走 位 置 通 置 道12m10m1.5m8.5m圖 5.2.3-1 凍土沼澤地段管溝開挖平面圖1.5m第一次開挖土方第二次開挖土方3.0m12m6m4m1.5m8.5m圖 5.2.3-13、2 凍土沼澤地段管溝開挖斷面圖6材料與設備本工法沒有需要特別說明的材料，采用的機具設備見表 6-1。表 6-1材料設備圖序號設備名稱規格型號單位數量備注1設備冷啟動裝置/套18設備低溫啟動2設備保溫裝置/套22設備保溫3單鉤液壓挖掘機CAT360臺20管溝開挖4單斗液壓挖掘機CAT360臺20管溝開挖5液壓鑿巖機CAT360臺4管溝開挖6液壓鑿巖機配件/套40管溝開挖7機油 C F 級10W-30T2設備運轉8重負荷齒輪油CL-5 75WT2設備運轉9低凝抗磨液壓油HV32#T5設備運轉10防凍液-45T3設備運轉11燃油-35T100設備運轉12燃油特-35#T30設備運轉7質量控制7.1 14、施工中嚴格執行相關技術標準、規范。7.2 為了確保冬季凍土管溝開挖作業達到標準要求，進入冬季后組織各施工機組技術質量人員 將冬季施工方案、技術質量交底進行逐層交底，宣傳到人、落實到位；7.3 管溝開挖過程中將管溝邊側各 1m 范圍內的土塊及石方清除干凈，防止土塊凍結砸傷管線防 腐層；7.4 管溝開挖過程中加強“三檢制”，做好凍土管溝的驗溝工作，確保管溝開挖的深度、平直度、 順直度符合設計及標準規范要求。7.5 凍土沼澤地段為保證溝內積水不完全凍結，需要采用挖掘機或單鉤定期進行松動，減小管 溝清理難度，確保施工質量。8安全措施8.1 設備停用時，一定要先將防凍液放出，啟動時再重新加入，防止水箱爆15、裂。8.2 運輸車輛、施工設備在坡上行駛時一定要注意安全，防止滑車事故發生。車輛設備不得在 坡上停放。冰、雪天車輛外出時車輪要裝防滑鏈或雪地輪胎。8.3 在設備駕駛室內加裝取暖設施，確保設備操作人員工作環境的溫度8.4 在低溫條件下，作業人員對使用的設備應每天進行例行檢查，對螺栓、銷子、操作系統、 制動系統、安全裝置等部位進行重點檢查。在操作過程隨時關注設備的狀況，發現問題及時維修， 嚴禁設備帶病作業。8.5 高寒地區冬季冰雪覆蓋，履帶設備易發生側滑、下滑現象，設備行使中應有專人監護，設 備停止時應用三角木塞實。8.6 山地施工前，仔細檢查機械設備的剎車、制動系統是否可靠有效。機械設備周圍 116、 米范圍 內不得有人停留、休息。操作手啟動機械設備時，要檢查設備周圍是否有人方可啟動，行走前要鳴 笛示警。8.7 機械、車輛不得停放在上下坡段，應停放在坡頂（坡底），否則要修筑平臺，以便設備停放。8.8 管溝凍土爆破作業，應遵守中華人民共和國民用爆炸物品管理條例和爆破安全規程（GB6722-86）。參加爆破施工作業的工程技術人員和其他爆破作業人員應持 國家主管部門頒發的 安全作業證上崗，并經過凍土爆破施工技術的短期培訓。9環保措施9.1 環境保護措施9.1.1 多年凍土環境保護應貫徹“預防為主，保護優先，建設與保護并重”的原則。9.1.2 多年凍土地區管道施工，注意對多年凍土區自然環境和生態環17、境的保護，盡量減少對多 年凍土環境的人為破壞。9.1.3 多年凍土區域的植被是多年凍土的良好隔熱屏障，也是多年凍土地區生態環境的重要組 成部分，施工中為了避免對現場外附近環境資源和財產的過度干擾，所有施工人員應當在指定的作 業帶范圍、臨時性工作場地、輔助施工場地和施工便道之內從事活動，保護地表植被。9.1.4 施工過程中按照當地文明施工要求，嚴禁破壞工地周圍原有綠化和環境。9.1.5 全體員工應采取切實有效的措施，在施工過程中最低限度的減少泄漏事故及其對環境的 影響；9.1.6 在施工過程中，表層土的堆放必須與下層土的堆放隔離開來；9.1.7 施工現場的工業垃圾和生活垃圾每天應分類及時清除回收18、；垃圾應運到施工場地以外適 當的垃圾處理場，并妥善處理；9.2 環境保護設施9.2.1 配備垃圾、施工廢棄物回收車輛和機具；9.2.2 設置臨時垃圾存放場地；9.2.3 配備足夠的垃圾或施工廢棄物回收桶；9.2.4 配備可清除泄漏的工具或材料。10 效益分析通過本工法的實施，解決了永凍土地段、季節性凍土地段、凍土沼澤地段管道大開挖工序的施 工技術難題，提高了管道施工整體質量，加快了管道施工進度。經濟效益顯著：施工進度提前 2 個 月，節約大量的人工費用和機械租賃費用；工程質量大大提高，節約了工程返修費用。共計節約成 本 295.5 萬元，包括：節約人工費 60 萬元，節約機械設備租賃費 200 萬元，技術措施費 30 萬元， 其它費用 5.5 萬元。11 工程實用實例中俄原油管道工程漠大線第八標段從 2009 年 7 月開工，線路全長 68Km，工程經過永凍土高寒 地段長度為 16Km，其余為季節性凍土及凍土沼澤地段，凍土地段管道施工分兩期進行，一期工程于2009 年 10 月底開始，2009 年 12 月底完成；二期工程從 2010 年 1 月初開始，3 月末完成，通過運 用本工法，解決了高寒永凍土地段、季節性凍土地段將、凍土沼澤地段管溝大開挖、管溝回填等重 要工序的施工技術難題，保證了管道施工整體質量和進度。