摘 要：我国湿陷性黄土约占黄土总面积的60%。主要分布在陇西、陇东、陕北晋西等地区。国内西气东输油气管道建设，有2/3的管线途径黄土地区，黄土湿陷给油气管道施工带来了很大困难。管道施工中，在管道挖沟、下沟、回填、管道地基以及水工保护的处理都需要选择正确、高效、切合实际的施工方案。兰州地区湿陷性黄土较多，以当地的油气管道施工为例，分析油气管道施工在湿陷性黄土地质中采用的基本措施。
关键词：湿陷性黄土 油气管道 处理措施 水工保护
中图分类号：p641.4+62 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（b）-0114-03
1 湿陷性黄土的特质
1.1 湿陷性黄土湿陷的原因
1.1.1 湿陷性黄土的结构
湿陷性黄土其结构具有肉眼可见的针状小孔，松散，天然刨面具有垂直节理。含水溶性盐，其中硝酸盐和硫酸盐居多。雨水及地表水的浸湿下可溶盐溶解，从而使小土颗粒向大孔隙中滑移，导致地面沉陷。
1.1.2 湿陷性黄土的颗粒组成
我国湿陷性黄土主要以粉状颗粒组成，占总重量约50%～70%。常见为0.05mm～0.01 mm之间的颗粒较粗，占总重约40.60%。小于0.005 mm的颗粒较细，可视为粘土，占总重约14.28%。大于0.1mm的细砂颗粒占总重在5%以内。大于0.25mm的中砂颗粒几乎没有。兰州地域已0.01～0.05 mm的粗颗粒最为常见，湿陷程度较为严重见表1。
1.1.3 湿陷性特征
（1）黄土的形成时间与其湿陷性成反比，黄土形成时间越久，湿陷性越小甚至不具湿陷性。反之特性相反。
（2）黄土的孔隙率、孔隙比愈大，土质越松散，湿陷性越大，反之，湿陷性越小。兰州地区黄土孔隙比大，一般在1.0左右。
（3）黄土中粘土颗粒多少决定着含水率的大小。粘土颗粒多，含水率越大，密实度愈高，黄土的自重湿陷压力就越大。[1]
1.2 黄土地基湿陷类型与等级的划分
1.2.1 湿陷类型划分
按照《湿陷性黄土地区建筑规范》用自重湿陷量Δzs来划分两种湿陷性类的地基。当Δzs>7 cm时，为自重湿陷性黄土地基。当Δzs≤7 cm时，为非自重湿陷性黄土地基。
1.2.2 湿陷性黄土等级的判定
按照《湿陷性黄土地区建筑规范》用Δs来表示总湿陷量。总湿陷量最大，其危害越大。见表2，兰州地区Ⅳ级（很严重）的自重湿陷性黄土分布较广泛。管道沿线分布的黄土普遍具有自重湿陷性，河谷、盆地等平原地貌单元地基湿陷等级为Ⅰ级（轻微）-Ⅱ级（中等），台地及少量丘陵地貌单元地基湿陷等级为Ⅲ级（严重），其余丘陵地貌单元地基湿陷等级均为Ⅳ级（很严重）。
2 湿陷性黄土地基的处理方法
目前我国采用的垫层法、重锤夯实法、强夯法、挤密桩复合地基、预浸水、化学加固和桩基础法等经验比较丰富，对于其他的处理方法则应用较少，或未使用过。
2.1 垫层法
（1）灰土垫层。灰土垫层法常用于管道在湿陷性黄土地质的条件下的基础处理。一般适用于处理3～10 m厚的湿陷性黄土层。油气管道的基础呈长条状，作用于地基上的力也比其他建筑物小。我国多地工程通常采用灰土（或素土）垫层法处理湿陷性地区的输气管道基础施工，以提高承载力，减少沉降力。通常可采取含灰率较好的2∶8和3∶7灰土，但与石灰的等级也有关，以CaO+MgO所含总量达到8%左右为最佳。
3∶7灰土垫层，经过人工夯实，夯实系数控制在0.97，干土重度≥14.5～15.0 kN/m3时，其容许承载力可达300 kPa以上。2：8灰土垫层，夯实系数控制在0.97，干土重度≥14.8～15.5 kN/m3时，其容许承载力可达300 kPa。可取样只见，质检情况，夯实系数一般为0.93～0.95。管道基础压实系数一般采用0.95，不得小于0.9。
（2）素土垫层。素土垫层主要应用处在非自重湿陷性黄土中，管径不大的管道基础处理。主要是先挖去基坑底部软弱土，然后回填素土并分层夯实。素土垫层采用一般粘性土，回填时，必须避免管沟内有水。对素土进行夯（压）实时，应分层进行，使回填土的含水量接近于最佳含水量。
（3）砂和砂石垫层。油气管道基础垫层以粗砂为好，砂和砂石垫层的材料透水性大，可做排水面，避免地基土塑性破坏。砂垫层的宽度有两个要求：①要满足应力扩散;②要满足垫层侧面的容许承载力，防止垫层向两边挤动。若垫层宽度不足，侧面土层又比较软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中，使基础沉降增大。
2.2 重锤表层夯实法、强夯法
（1）重锤表层夯实法。多用于非自重湿陷性黄土，可减少或消除黄土地基的湿陷变形。湿陷性黄土地基的饱和度尽量不大于60%。通常采用2.5～3.0 t的重锤，落距4.0～4.5 m，可消除基底以下1.2～1.8 m黄土层的湿陷性。处理效果显著，使土质密度增大，压缩性降低，透水性减弱，承载力明显提高。
（2）强夯固基法。管道施工中，具有经济易行和节省材料等优点。强夯法是将一定重量重锤以一定落距瞬间对地基土体反复施加巨大的冲击能量，产生的压缩波、剪切波和瑞利波等对地基发挥综合作用，使土体发生一系列的物理变化，从而增大土体压实度，改善土的振动液化条件，消除湿陷性黄土的湿陷性等目的。[2]在湿陷性黄土地基土上进行强夯，当夯击力为1000～2000 kN时，一般可消除夯面下5～8 m深内黄土底湿陷性，5 m深度内的土的压缩模量可提高到150 MPa，容许承载力可提高到200 kPa以上。
（3）挤密桩法。挤密桩法用冲击或振动方法，把圆柱形钢质桩管打入原地基，拔出后形成桩孔，然后将备好的素土或灰土（石灰和土体积比例2∶8或3∶7搅拌）在最优含水量下分层填入桩孔内，进而分层夯实至设计标高止，达到形成增大直径的桩体，并同原地基一起形成复合地基。[4]适用于地下水位以上含水量14%～22%的湿陷性黄土和人工黄土和人工填土，处理深度可达5～10 m。特点在于不取土，挤压原地基成孔，回填物料时，夯实物料进一步扩孔。
（4）化学加固法和预浸水法：①化学加固法。多用于应急补救措施，可采用硅化加固法和碱液加固法，将硅酸钠溶液或氢氧化钠溶液注入黄土孔隙中，使其与土壤发生化学反应，从而提高土体承载力;②预浸水法。预浸水法则是在施工前，现将湿陷性黄土区域大面积浸水，使土体在饱和自重应力作用下，先发生湿陷产生压密，以消除全部黄土层的自重湿陷性和深部土层的外荷湿陷性。
3 油气管道施工主要工序的应对措施
兰州地区的油气输气管道工程沿线通过的黄土地区，其黄土具自重和非自重湿陷性。湿陷性黄土的湿陷性可能导致管道变形，甚至破坏。尤其黄土湿陷性在管道上、下坡段的危害较大，处理不善，将因其湿陷在管道上下弯头处产生应力集中而危及管道安全。
3.1 湿陷性黄土地段管沟开挖
湿陷性黄土土质疏松柔软，易开挖管沟，建议挖沟时超挖0.3 m，以便回填时采用灰土垫层。黄土立壁性强，管沟开挖边坡坡值可较小，以减小对原始地貌的破坏范围。开挖的方式可采用人工结合机械，陡坎地段应优先采用人工开挖，以来减少机械行走困难，和对湿陷性黄土地质的震动，避免滑坡、塌方现象。
放坡开挖或内支撑开挖，考虑施工造价、成本以及湿陷性土质等因素，在实际工程施工过程中管沟开挖方式通常采用放坡开挖的方法。管沟开挖前应制定切实的施工安全措施，并加以落实。湿陷性软土地段、地下水位小于沟深地段及深度超过5 m的管沟坡比，可采用明渠排水、井点降水、管沟加支撑等方法。
3.1.1 管沟开挖对放坡的要求
管沟开挖时，放坡应该从垫层的上表面开始。管线土方工程定额，对计算挖沟槽土方放坡系数规定如下：（1）挖土深度在l以内，不考虑放坡;（2）挖土深度在1.0l～2 m，按l：0.5放坡;（3）挖土深度在2.0l～4 m，按l：0.7放坡;（4）挖土深度在4.01～5 m，按1：1放坡;（5）挖土深度大于5 m，按土体稳定理论计算后的边坡进行放坡。[3]
3.1.2 放坡与土质的影响
根据《地基与基础验收规范》GB50202-2002土方开挖要求，临时边坡值（高宽比）根据土质来确定：（1）沙土（不含细沙和粉沙）为1∶1.25～1∶1.5;（2）一般性粘土：硬性1∶0.75～1∶1.硬塑性1：1～1.25，软性1∶1.5;（3）碎石类：充填坚硬及硬塑粘性土1∶0.5～1∶1，充填沙土1∶1～1∶1.5。根据以上要求，自重湿陷性黄土开挖最好不大于4 m，硬性土开挖不大于8 m。[3]超过允许开挖深度的根据场地情况，可采取坡度放缓或进行支护。一般1.5 m以内深的基坑为浅基坑，不计算放坡，可根据土质情况进行相应措施。超过此深度计算挖土放坡量，可采取坡度放缓或进行支护，但根据现场及土质情况验算坡顶承载力计算放坡坡度，从而节省土方工程费用，避免管沟塌方现象。
3.2 湿陷性黄土地段布管、组焊
3.2.1布管
在坡度大于15 °时，组焊时应随用随布，山沟或山谷中布管尽可能缩短布管和组焊的时间。
3.2.2 组焊
由于受地质影响，大型机械行走困难，可将施工队伍分成几个台班分段进行施工作业，焊接作业中要采取不留头，不留口，不回头的原则，尽可能是管道、弯管、弯头一次组焊到位，待焊接后续工序完成尽快回填。
3.3 湿陷性黄土地段的管线下沟回填
湿陷性黄土地段的管沟开挖应与管道组装，下沟、回填等工序协调一致。回填时，建议将管沟两侧各6 m内的陷穴、溶洞及动物洞穴等用2∶8灰土或灰土草袋回填夯实，防止聚水，引发陷穴、溶洞的继续发育而危及管道安全。
对于湿陷性（很严重）黄土层的管沟，回填前将管沟内积水要排净，建议超挖0.3 m，并用3∶7灰土或2∶8垫层，回填并夯实，夯完垫层厚度0.3 m，夯实系数不小于0.9。为了保证灰土夯实系数，管道现场应制作滚轮在垫层上进行来回碾压，直至达到夯实要求。
对10 °以上的陡坡，以及冲沟地段，可采用3∶7灰土或者2∶8灰土垫层，在最优含水量条件下夯实做垫层。夯完垫层厚度0.3 m，压实系数不小于0.9，分层夯实回填至管顶，压密系数不小于0.85，从而增强管沟顶部抗冲蚀能力。
为了保证对超挖0.3 m，并用3∶7灰土或2：8灰土回填夯实该垫层过程中，保证沟上管子不下滑，对沟下人员的安全带来隐患，挖沟时应每隔50 m处，打一土堆防止沉管时，管子滑到沟里，待管沟具备整体下沟时，再把土堆挖开。施工灰土垫层过程，安排专人监护，以防管沟塌方。
3.4 站场、阀室的地基处理
湿陷性黄土地段输气站场、阀室的地基可采用3∶7或2∶8灰土换填，灰土厚度不小于2 m，每边超出垫层边缘不小于2 m，灰土分层厚度不大于300 m，系数不小于0.97，也可以采用强夯固基法。
强夯处理适用于本项目湿陷性土层厚度大于4 m的Ⅱ级和Ⅱ级以上自重湿陷性黄土路基。采用强夯法有几点要求：（1）要查明强夯范围内地下物体，以免施工造成损坏;（2）将周围的陷坑，洞穴等进行填埋，消除地基质量隐患;（3）尽可能远离周围居住民宅及邻近的建筑物，（距离民宅应大于200 m，距离建筑物应大于50 m）。避免设备对其造成有害影响;（4）当不能保障对周围环境及建筑物的安全时，必须采取挖减振沟等隔振或防振措施，隔震沟开挖宽度应不小于1 m，深度不小于3 m。
3.5 湿陷性黄土地段水工保护
在湿陷性黄土地质下管道施工，水工保护工作不容忽视。一般线路段的水工保护措施包括管沟回填土保持和地表水导水措施。管沟回填土保持措施主要指挡土墙、截水墙、管沟夯填、人工植草等;地表水导水措施指地表条形截水墙、挡水墙、排水沟等。河流、冲沟穿越段的水工保护措施主要砌石护岸、护底、混凝土现浇、压重块稳管和设置地下防冲墙等。
3.5.1 挡土墙
湿陷性黄土地质的挡土墙，主要有加筋灰素土夯筑（用于高差小地段）和不加筋灰素土填筑（用于高差大地段）、草袋装灰素土叠垒（用于高差小地段与高差大地段相间，如阶梯地、山坡等）、砌浆块毛、卵石等（用于高差大且有洪水地段）形式。
3.5.2 截水墙、排水沟
多采用砌浆毛石，混凝土浇筑，砌浆毛抗冲击力较强，混凝土浇筑用于水流急、流量大的地方，二者造价都较高，其中混凝土浇筑的施工工艺复杂，难度高。
3.5.3 护坡、护岸
采用石灰拌土夯筑、袋装叠码、浆砌石砌筑、混凝土或钢筋混凝土浇筑护坡、护岸。护坡应于截水墙、排水沟、挡土墙相结合。灰土夯筑应用于坡地管沟回填，谨防水土流失。
浆砌石砌筑、混凝土多用于复杂地形、冲刷严重地段，混凝土护坡、护岸造价高，很少用。一般用于河床条件较好时，采用连续浇筑混凝土保护管道。护岸则用于地质承载力不够且水流冲刷力强的河流、冲沟。
4 结语
通过对湿陷性黄土的特质、湿陷级别、湿陷性黄土的结构以及变形机理的了解。结合目前我国成熟应对湿陷性黄土施工方法，用于兰州地区湿陷性黄土地段油气管道施工中的可行性。针对不同湿陷级别的土质，油气管道施工可采用相应的措施进行施工，防止水土流失，预防土质湿陷。但实际操作中，还要充分结合现场地质情况以及现场实际情况，制定出有针对性并切实可行的施工方案。
参考文献
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[2] 席剑，缪长平.湿陷性黄土地区管道基础处理与施工[J].水力采煤与管道运输，2003（2）：18-20.
[3] 王锴，梁晶，李永明，等.湿陷性黄土地区管道的水工保护[J].油气田地面工程，2008，27（12）.