1、冻土地段长输管道大开挖施工工法1前言中俄原油管道漠河-大庆段起于漠河首站，终于大庆末站，线路全长 926 km，管线规格为813。沿线多年冻土可分为连续多年冻土区、不连续多年冻土区和岛状多年冻土区及季节性冻土区。由于 位于高寒地段，冬季极端气温达-50，冬季积雪时间长达 35 个月，积雪厚度 0.1m0.5m，局部 达 1m 以上，季节性冻土冻层厚度为 2.5m，永冻土地段地表 0.5m 以下均为冻层。为避免管道施工对 周围环境的影响，造成多年冻土被人为损坏，避免冻土融化对管线造成影响，这些地段需要安排在 冬季进行施工。冻土施工没有成功的经验，此项目被列为局重点科技项目进行攻关，项目组成员通过2、研究决定： 开挖施工中采用液压单钩挖掘机松动表层冻土，单斗挖掘机配合清理；其中冻土沼泽地段采用分层 冻沉方法进行施工，即在上层腐殖土冻结后具备一定的承载力，采用挖掘机将上层土剥离至含水的 砂砾层位置，深度一般为 1.2-1.5m，进行冻沉，待第二层砂砾石层没有完全冻结时，进行二次开挖， 达到设计埋深要求，大大提高了施工质量和施工进度。通过第二次成功的实施，编制了本工法。2 工法特点2.1 该工法的层次清楚，操作简便，便于掌握。2.2 管沟开挖采用大功率单斗挖掘机配合单钩挖掘机分段、分层开挖，采取人休机不休连续施 工，加快施工进度，局部特坚硬地段采用爆破松动法进行开挖，综合效益明显。2.3 季节3、性冻土沼泽地段采用分层冻沉开挖，使管沟开挖成型。3 适用范围用于连续多年冻土区、不连续多年冻土区、岛状多年冻土区和季节性冻土区等高寒地段长输管 道冬季大开挖施工。4 工艺原理冻土地段管沟开挖因地表冻结厚度较厚且较坚硬，施工中利用大马力单钩挖掘机冻土松动，然 后采用单斗挖掘机配合清理进行开挖管沟，采取人休机不休连续施工。季节性冻土沼泽段在 11 月初作业带地表水降低后，地表土开始冻结，施工作业带具备一定的承 载力，开始进行施工。管沟开挖采取分层冻沉开挖，即在上层腐殖土冻结后具备一定的承载力，采 用挖掘机将上层土剥离至含水的砂砾层位置，深度一般为 1.2-1.5m，然后进行冻沉，待第二层砂砾 石层4、没有完全冻结时，进行二次开挖，达到设计埋深要求。5 施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程，见图 5.1-1。图 5.1-1施工工艺流程图5.2 操作要点5.2.1 施工准备1 设备机具配备及保温改造1）施工机具配备 根据施工寒季施工特点，地表冻层较厚，管沟开挖困难，施工前应提前准备开挖冻土的专用设备，即单钩液压挖掘机，将液压挖掘机单斗换成单钩，可以勾松坚硬的强风化岩石、冻结土等，单 钩用 16 锰钢材制作而成。2）多年冻土地区严寒的气候条件和恶劣的施工环境，以及冻土的特殊工程性质，施工机械必需 具有良好技术性能。3）寒季平均温度-20，为保证设备的正常冷启动，必须采用相应措施。5.2.25、 多年冻土区和季节性冻土地段管沟开挖1 机械开挖1）根据施工寒季施工特点，地表冻层较厚，管沟开挖困难，冻土管沟开挖可以采用单钩液压挖 掘机、液压凿岩机进行破碎、松动，液压挖掘机配合清理管沟。管沟开挖后沟槽内冻结速度较快， 如果不能一次成型，二次清沟、开挖冻土将非常困难，应尽量避免发生二次修沟，因此单钩液压挖 掘机及液压凿岩机应选择功率在 360KW 以上为宜，确保一次开挖成功。见图 5.2.2-1。图 5.2.2-1大马力单沟挖掘机松动管沟地表冻土2）管沟开挖首先采用单钩挖掘机直接骑在管沟中心线倒退法开挖，以充分提高液压单钩挖掘机 松动和清理能力。利用接触点的作用力将冻土层切成块并翻松，因管沟6、深度较深，松动工作应分两 层进行，第一层松动后马上采用液压挖掘机将冻块清理出管沟，然后进行第二层松动和清理工作，直至到达设计挖深要求。见图 5.2.2-2。图 5.2.2-2挖掘机松动清理冻土3）管沟开挖出的表层冻土块应该堆放至熟土堆放侧，下层冻土块清理应堆放至生土堆放侧，为 保证管道下沟正常进行，熟土堆放及生土堆放侧冻块采用液压凿岩机破碎后，采用液压挖掘机进行 平整，保证下沟设备行走通道平整及清理管沟设备的行走通道。4）个别冻土地段因周边地下水位较高，尤其是林区地段，分布着很多冰锥和冻胀丘，周边地下 水沿开挖管沟边侧的缝隙渗漏及周边地下水涌入管沟形成冻层，施工中应每隔 1-2 天，采用单钩挖7、 掘机或者挖掘机进行松动，避免造成沟内积水完全冻结，给管沟清理带来麻烦。见图 5.2.2-3。图 5.2.2-3清理管沟5）因冬季施工气温较低，设备启动较为困难，设备一旦熄火，启动相当困难，因此管沟开挖应 采取设备连续运转，实行人休机不休，设备操作人员进行三班倒班作业，确保整体施工进度。6）管道下沟前采用单沟挖掘机配合液压挖掘机清除管沟内的积雪和积冰，保证管沟的深度和宽 度，确保管道敷设安全。见图 5.2.2 -4。图 5.2.2-4下沟前清理2 爆破开挖1）一般要求 冻土地段管沟冻土爆破开挖，用挖掘机快速速清理，以满足冻土管道“连续作业，快速施工”的要求。 管沟爆破施工应保证施工带以外的地表8、植被不因爆破施工而破坏。 管沟冻土爆破，可采用浅孔松动爆破。为提高爆破破碎效果，降低爆破对多年冻土环境的影响，多排、多孔爆破时，宜采用毫秒微差爆破。开挖管沟冻土所用炸药，可采用黑色炸药或硝铵炸药或 TNT 炸药。冬季施工时， 严禁使用甘 油类炸药（在低温条件下，甘油炸药凝固时，稍微震动即能引起爆炸），雷管可使用电雷管或导爆管雷管。2）爆破参数确定冻土爆破的单位耗药量 q 值，与冻土岩性成分和温度有关，可参考表 5.2.2.3-1 选取。表 5.2.2-1：冻土单位耗药量 q 值表岩石名称浅孔、深孔爆破 q 值（kg/m3）松动加强松动粘性土0.300.400.600.75全风化泥灰岩0.4009、.500.801.00砂、页岩0.500.651.01.2石灰岩0.600.751.11.3炮眼直径 d、深度 L炮眼直径 d 采用38mm 的标准钻孔，眼深 L=（1.11.15）H，管沟挖深 H 按 3.0m 考虑，L=1.13.0=3.3m。最小抵抗线= (0.60.8) H=0.63.0=1.80m。 炮眼间距 a 和排距 b炮眼间距 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； 炮孔间距应根据冻土冻结松软程度，随时调整，当冻层坚硬时，孔距小一些，当冻层松软时，孔距大一些，以便达到满意效果。 炮眼10、布置：采用梅花形布置。 单孔装药量计算 Q=qabL=0.31.441.443.3=2.05kg3）钻孔 为了克服基底冻土或基岩底板的夹制作用，避免欠爆或超爆，爆破钻孔的深度应一次钻到管沟基底（包括换填部分）标高。为防止因塌孔、回淤、回冻等造成钻孔深度的减少，在实际钻孔中， 可考虑增加 2050cm 的附加超钻量。4）起爆起爆网络可采用非电导爆管网络和导爆索网络。对非电导爆管网络，宜采用 双层耐寒型导爆管。 为提高网络的可靠性，宜采用闭合网络。为防止雷电对起爆网络的影响，可采用火雷管起爆导爆索 或非电导爆管网络。采用电雷管起爆网络时，应采取预防雷电引起早爆的可靠安全措施。5.2.3 冻土沼泽地11、段管沟开挖1 冻土沼泽地段机械开挖冻土沼泽地段在管沟开挖前，进行了多次的管沟试验段开挖，在试验中发现，常规开挖管沟的 方式无法将管沟开挖成型，管沟开挖必须分两次开挖，才能满足设计要求。管沟开挖应集中力量抢 挖抢下，每 500m 为一个分段开挖，一旦具备下沟条件，立即组织下沟、稳管、回填。 具体施工程 序如下：1）在上层土壤没有完全冻结前并具备一定的承载力时进行开挖，第一层管沟开挖上口宽度为8m，以保证挖掘机在第二层开挖过程中能够自由旋转，管沟开挖的土石方尽可能堆到较远的位置， 便于堆放第二层开挖出的土石方。2）第一层管沟开挖完成后，待第二层砂砾石层没有完全冻结前进行第二次开挖，管沟开挖过程 中12、因砂砾层渗水性较好，淤沟、塌方严重，在管沟开挖过程中应对管沟开挖深度适当加深，根据现 场试验段管沟开挖发现，管沟开挖深度需进行超挖 1.5m，用于弥补砂砾层快速淤沟造成的管沟挖深 不足缺陷。3）第二层管沟开挖时挖掘机靠近管道一侧进行开挖，开挖的砂砾石层堆放在第一层开挖后的平台上，直至挖深满足设计要求。具体施工布置见图 5.2.3-1 和图 5.2.3-2。管 下 沟 沟 开 设 挖 管 备 堆 沟 行 土 位 走 位 置 通 置 道12m10m1.5m8.5m图 5.2.3-1 冻土沼泽地段管沟开挖平面图1.5m第一次开挖土方第二次开挖土方3.0m12m6m4m1.5m8.5m图 5.2.3-13、2 冻土沼泽地段管沟开挖断面图6材料与设备本工法没有需要特别说明的材料，采用的机具设备见表 6-1。表 6-1材料设备图序号设备名称规格型号单位数量备注1设备冷启动装置/套18设备低温启动2设备保温装置/套22设备保温3单钩液压挖掘机CAT360台20管沟开挖4单斗液压挖掘机CAT360台20管沟开挖5液压凿岩机CAT360台4管沟开挖6液压凿岩机配件/套40管沟开挖7机油 C F 级10W-30T2设备运转8重负荷齿轮油CL-5 75WT2设备运转9低凝抗磨液压油HV32#T5设备运转10防冻液-45T3设备运转11燃油-35T100设备运转12燃油特-35#T30设备运转7质量控制7.1 14、施工中严格执行相关技术标准、规范。7.2 为了确保冬季冻土管沟开挖作业达到标准要求，进入冬季后组织各施工机组技术质量人员 将冬季施工方案、技术质量交底进行逐层交底，宣传到人、落实到位；7.3 管沟开挖过程中将管沟边侧各 1m 范围内的土块及石方清除干净，防止土块冻结砸伤管线防 腐层；7.4 管沟开挖过程中加强“三检制”，做好冻土管沟的验沟工作，确保管沟开挖的深度、平直度、 顺直度符合设计及标准规范要求。7.5 冻土沼泽地段为保证沟内积水不完全冻结，需要采用挖掘机或单钩定期进行松动，减小管 沟清理难度，确保施工质量。8安全措施8.1 设备停用时，一定要先将防冻液放出，启动时再重新加入，防止水箱爆15、裂。8.2 运输车辆、施工设备在坡上行驶时一定要注意安全，防止滑车事故发生。车辆设备不得在 坡上停放。冰、雪天车辆外出时车轮要装防滑链或雪地轮胎。8.3 在设备驾驶室内加装取暖设施，确保设备操作人员工作环境的温度8.4 在低温条件下，作业人员对使用的设备应每天进行例行检查，对螺栓、销子、操作系统、 制动系统、安全装置等部位进行重点检查。在操作过程随时关注设备的状况，发现问题及时维修， 严禁设备带病作业。8.5 高寒地区冬季冰雪覆盖，履带设备易发生侧滑、下滑现象，设备行使中应有专人监护，设 备停止时应用三角木塞实。8.6 山地施工前，仔细检查机械设备的刹车、制动系统是否可靠有效。机械设备周围 116、 米范围 内不得有人停留、休息。操作手启动机械设备时，要检查设备周围是否有人方可启动，行走前要鸣 笛示警。8.7 机械、车辆不得停放在上下坡段，应停放在坡顶（坡底），否则要修筑平台，以便设备停放。8.8 管沟冻土爆破作业，应遵守中华人民共和国民用爆炸物品管理条例和爆破安全规程（GB6722-86）。参加爆破施工作业的工程技术人员和其他爆破作业人员应持 国家主管部门颁发的 安全作业证上岗，并经过冻土爆破施工技术的短期培训。9环保措施9.1 环境保护措施9.1.1 多年冻土环境保护应贯彻“预防为主，保护优先，建设与保护并重”的原则。9.1.2 多年冻土地区管道施工，注意对多年冻土区自然环境和生态环17、境的保护，尽量减少对多 年冻土环境的人为破坏。9.1.3 多年冻土区域的植被是多年冻土的良好隔热屏障，也是多年冻土地区生态环境的重要组 成部分，施工中为了避免对现场外附近环境资源和财产的过度干扰，所有施工人员应当在指定的作 业带范围、临时性工作场地、辅助施工场地和施工便道之内从事活动，保护地表植被。9.1.4 施工过程中按照当地文明施工要求，严禁破坏工地周围原有绿化和环境。9.1.5 全体员工应采取切实有效的措施，在施工过程中最低限度的减少泄漏事故及其对环境的 影响；9.1.6 在施工过程中，表层土的堆放必须与下层土的堆放隔离开来；9.1.7 施工现场的工业垃圾和生活垃圾每天应分类及时清除回收18、；垃圾应运到施工场地以外适 当的垃圾处理场，并妥善处理；9.2 环境保护设施9.2.1 配备垃圾、施工废弃物回收车辆和机具；9.2.2 设置临时垃圾存放场地；9.2.3 配备足够的垃圾或施工废弃物回收桶；9.2.4 配备可清除泄漏的工具或材料。10 效益分析通过本工法的实施，解决了永冻土地段、季节性冻土地段、冻土沼泽地段管道大开挖工序的施 工技术难题，提高了管道施工整体质量，加快了管道施工进度。经济效益显著：施工进度提前 2 个 月，节约大量的人工费用和机械租赁费用；工程质量大大提高，节约了工程返修费用。共计节约成 本 295.5 万元，包括：节约人工费 60 万元，节约机械设备租赁费 200 万元，技术措施费 30 万元， 其它费用 5.5 万元。11 工程实用实例中俄原油管道工程漠大线第八标段从 2009 年 7 月开工，线路全长 68Km，工程经过永冻土高寒 地段长度为 16Km，其余为季节性冻土及冻土沼泽地段，冻土地段管道施工分两期进行，一期工程于2009 年 10 月底开始，2009 年 12 月底完成；二期工程从 2010 年 1 月初开始，3 月末完成，通过运 用本工法，解决了高寒永冻土地段、季节性冻土地段将、冻土沼泽地段管沟大开挖、管沟回填等重 要工序的施工技术难题，保证了管道施工整体质量和进度。