CN103266591A - 一种海底油气管道铺设采砂区地基的治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底油气管道铺设采砂区地基的治理方法，包括采砂区海床及地层自身稳定性分析，管道在采砂区地基稳定性计算分析，管道在施工期及运营期的沉降量分析，采砂区海底管道应力分析，管道现设计地基的边坡稳定性分析，通过地基沉降分析、管道应力分析、边坡稳定性分析综合考虑，确定需要进行地基处理的区域，进行地基治理。

Description

一种海底油气管道铺设采砂区地基的治理方法

技术领域

本发明涉及海底管道铺设的技术领域，具体涉及一种海底油气管道铺设采砂区地基的治理方法。

背景技术

随着石油工业的迅速发展，海洋石油的勘探开发面向的范围越来越广，海底油气管道作为输送的主要方式，需要适应各种地质情况。目前海底管道桌面路由研究时，面对有采砂区存在的海域，由于其地下空穴、软硬地基交错、土壤扰动严重等因素，导致地质情况异常复杂，及容易引起管道破坏，传统管道路由选择避开绕行，但面对特殊海域条件，无法避开时需要采取有效的地基治理措施。管道穿越采砂区的地基治理，管道规范无明确规定和推荐做法，且大面积的采砂区地基治理，在国内外都没有先例。

针对以上情况，我们在查阅国内外资料的基础上，通过大量分析，开发出一套满足采砂区复杂地基治理技术要求的方法，该方法基于欠固结土地基沉降分析，研究出了采砂区不均匀沉降对管道强度影响的评估方法，实现了对采砂区地基沉降指标的控制，解决了沉降过大区域的处理难题。该方法首次提出了采砂区海底管道分析，保障了运营期间管道的安全。首次突破了传统的治理方式，将打砂桩技术成功应用在西气东输二线香港支线海底管道国家重点项目中。

该方法具有经济、高效、无污染、操作性强等特点，满足施工要求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明目的是基于欠固结土地基沉降分析，提出了采砂区不均匀沉降对管道强度影响的评估方法，实现对采砂区地基沉降指标的控制，解决沉降过大区域的处理难题。在海底管道采砂区工程地质勘察的基础上，对土壤不均匀沉降、海床的稳定性和不均匀沉降引起的管道应力等方面进行深入分析，综合考虑控制投资、缩短工期、方便现场施工等方面因素，形成适用于海底管道采砂区地基处理的技术方案。

为了实现上述发明目的，本申请提供了以下技术方案：

一种海底油气管道铺设采砂区地基的治理方法，包括如下步骤

步骤一采砂区海床及地层自身稳定性分析

通过勘察场区和分析海底地形，判断海床表层的流泥、淤泥是否稳定，评价场地整体是否稳定，是否存在未发现有其它危害场地整体稳定性的不良地质作用，分析是否存在采砂引起的地下空穴现象，进行海床及地层自身稳定性评价；

步骤二管道在采砂区地基稳定性计算分析

根据地质资料进行地基承载力计算和分析，判断各区域满足管道承载力要求，以及是否需要地基处理；

步骤三管道在施工期及运营期的沉降量分析

欠固结土地基沉降分析和挤密砂桩复合地基沉降分析；

步骤四采砂区海底管道应力分析

考虑管道沟形成后碎石层、块石层，对自然回淤荷载和回淤至原始标高两种工况进行考虑，根据不均匀沉降分析的结果，对沉降后的海底管道沟底剖面形状进行操作工况下粗糙度分析；

步骤五管道现设计地基的边坡稳定性分析

通过地基沉降分析、管道应力分析、边坡稳定性分析综合考虑，确定需要进行地基处理的区域，进行地基治理。

其中，所述步骤三中的欠固结土地基沉降分析，基于欠固结土地基沉降分析，采用分层总和法进行计算，即在地基沉降计算深度范围内划分为若干层，计算各分层的压缩量，然后求其总和，计算中考虑沉降的时间效应，根据太沙基固结理论计算软土固结速率，按照双向排水计算固结度的时间因子，计算按基础荷载、基底形状和尺寸、以及土的有关指标确定地基沉降计算深度，且在地基沉降计算深度范围内进行分层，然后计算地基最终沉降量。

其中，所述步骤三中的挤密砂桩复合地基沉降分析，考虑挤密砂桩复合地基的应力折减效应，分别对低置换率挤密砂桩复合地基、高置换率挤密砂桩复合地基的沉降进行分析，得到复合地基承载力的特征值，通过调整挤密砂桩的间距、长度、置换率等参数，并与管道应力分析相结合，得到符合管道规范要求的允许沉降值，实现对采砂区地基沉降指标的控制，解决沉降过大区域的处理的问题。

其中，所述步骤四中进行操作工况下粗糙度分析时，管道截面特性按实际的钢管壁厚、涂层、混凝土配重层模拟，管道顶抛石上覆块石重力影响通过调整钢管密度实现，施加设计温度和设计压力，完成考虑管道不均匀沉降影响的不平整度分析，通过地基沉降分析和管道应力分析，保障运营期间管道的安全。

（1）采砂区海床及地层自身稳定性

海床稳定性评价：场区由于采砂原因，海床呈现凹凸不平，地形起伏较大。根据钻探揭示泥面的标高数据，另外局部钻孔可揭示厚度不均的流泥层，由此可初步推断为表层的流泥、淤泥是否趋于稳定。另外，通过勘察可以发现由于采砂引起的地下空穴，场地整体是否稳定。

（2）管道在采砂区地基承载力及稳定性

通过岩土工程勘探得到各层岩土物理力学性质指标及评价，得到场区各岩土层地基承载力特征值。并根据钻探结果，可初步推断该区域内基本进行采砂活动的区域，并进行地基沉降计算以确定是否需要地基处理。

（3）管道在施工期及运营期的沉降量分析

计算模型和参数

主要模型内容包括：管道外径，壁厚，钢管外敷的防腐涂层，海底管道外侧涂敷混凝土的密度、厚度，堆石保护层的类型、石块粒径、厚度等。计算模型如示意图3所示。计算沉降时，各岩土层参数根据勘察报告得到。

管道沉降量计算

根据岩土工程勘探报告，首先判定流泥、淤泥、淤泥质土及淤泥质砂是否为欠固结土，如为欠固结，则需根据《工程地质手册》中考虑应力历史的地基沉降计算公式：

$s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_i}{1+e_{0i}}\left[c_{\mathrm{vi}}\log {\left(\frac{p_{\mathrm{cz}}+p_z}{p_c}\right)}_i\right]$

另外，考虑沉降的时间效应，根据太沙基固结理论计算软土固结速率。由于软土层上部为透水性较好的碎石层，软土层下部为透水性好的砂土层，故按照双向排水计算固结度的时间因子，即：

$T_V=\frac{4C_{V}t}{H^2}$

首先根据管道埋深及地层分布情况计算出管道底部以下软土的最终沉降量，然后，针对海底管道的设计寿命为30年，分别计算了1年、3年、5年、10年、20年、30年软土地基对应的固结度及沉降量。

（4）采砂区海底管道应力分析

计算模型

计算模型主要考虑参数包括管道外径、壁厚、钢管外敷、防腐涂层、海底管道外侧混凝土的涂敷密度、厚度、堆石层的类型、保护层厚度等参数。由于管道运行过程中对外部压力极小，计算沉降时忽略其影响，主要考虑管道沟形成后碎石层、块石层，对自然回淤至原始标高进行考虑，计算模型示意图如图3所示。

管道沉降量计算

沉降量计算方法参见上述“管道在施工期及运营期的沉降量分析”，区别为泥面高度为自然回淤至原始标高进行计算。

管道管沟粗糙度分析(设计现状回淤至原海床面)

对不均匀沉降后的海底管道沟底剖面形状采用应力分析软件进行操作工况下粗糙度分析。分析时，管道截面特性按实际的钢管壁厚、涂层、混凝土配重层模拟，管道顶抛石上覆块石重力影响通过调整钢管密度实现，施加设计温度和设计压力，完成考虑管道不均匀沉降影响的不平整度分析，提取纵向弯曲应力值示意如图8所示。

(5)管道现设计地基的边坡稳定性分析

通过有限元方法进行分析，主要原理为在外荷载保持不变的情况下，边坡土体所能提供的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同时，抗剪强度的折减系数即相当于传统意义上的边坡稳定性安全系数。

采用有限元软件建立模型示意如图9所示，由于管沟为对称截面，分析仅考虑了一半截面。图10为网格划分示意。图11为有限元计算结果，图12为提取的计算安全系数曲线。通过有限元计算得到边坡稳定的安全系数。

有益效果:

1、采砂区沉降指标控制海上采砂作业导致管道路由上出现大面积的软、硬地基交错区域，地下空穴情况不明，水深随土壤沉降继续发生变化，极容易引起管道应力过大发生破坏，本方法可有效控制复杂地基的沉降指标，解决海底大面积采砂导致的复杂地基处理技术难题;

2、为国内首次管道穿越采砂区的地基治理，管道规范无明确规定和推荐做法，且大范围使用挤密砂桩技术治理海管地基，在国内外都没有先例;

3、经济、高效、操作性强可有效解决工程所在海域功能区划复杂、船舶活动频繁、项目投资控制严、计划实施工期紧的要求。

4、采砂区的地质情况复杂，地基承载力低、沉降不均匀，极容易造成管道的破坏。该地基治理方案能够满足该工程所在海域功能区划复杂、项目投资控制严、计划实施工期紧的特点，满足现场工程要求。

5、挤密砂桩方案进行地基处理，能在工程中取得了良好的效果，可解决复杂地质问题和工期紧张的实际情况。相比常规的大开挖方案，节省投资，产生明显的经济效益。

6、管道穿越采砂区的地基治理，在国内外都没有先例，因此，该项技术的突破，对填补国内空自、解决我国海底软弱地基的处理技术难题等具有重要的意义。为同行业海底管道的软弱地基治理提供有力的借鉴参考价值。

附图说明

图1采砂区地基治理方案流程图；

图2采砂区侧扫声纳原始图谱;

图3承载力分析计算模型示意图；

图4地基沉降分层计算;

图5地基处理砂桩典型断面图；

图6地基处理砂桩平面布置图；

图7地基处理方案三砂桩典型剖面图；

图8管道不均匀沉降纵向弯曲应力；

图9有限元软件建立模型;

图10为网格划分示意;

图11为有限元分析等效塑形应变的计算结果;

图12为提取的计算安全系数曲线;

图13砂桩治理实施流程图。

具体实施方式

采砂区地基治理的方式就是打砂桩，即砂桩治理，采砂区打砂桩地基治理方案:

挤密砂桩方案:海底管沟先挖至-18.0m，然后施打挤密砂桩，挤密砂桩顶标高为-21.0m，其中-18.0～-21.0m施打空桩，待挤密砂桩施打完成后，开挖(包括清理隆起淤泥)至-22.0m标高，并铺设2.0m中粗砂垫层至-20.0m。挤密砂桩直径为1.6m，桩间距采用1.8m×1.8m和1.8m×2.7m两种规格。砂桩置换率分别为61.9%、41%。挤密砂桩主要施工工序如下:

下沉套管，入水后加压排水，管内保持压力0.15-0.2Mpa;

套管依靠自重下沉，套管进入泥面以下0.5m;

恒压0.l5Mpa，开振动锤下沉套管;

套管入土一定深度，当管内泥柱大于5米时加砂;

加压上拔，压力控制在0.2Mpa，排除管内泥柱进行端部处理;

调节压力，振动锤下沉套管至预定处理标高；

恒压0.15Mpa、振动拔管使套管下部形成砂桩；

恒压0.15Mpa，振动回打一定距离，使挤密砂桩扩径，形成挤密砂桩。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种海底油气管道铺设采砂区地基的治理方法，其特征在于：包括如下步骤

步骤一采砂区海床及地层自身稳定性分析

通过勘察场区和分析海底地形，判断海床表层的流泥、淤泥是否稳定，评价场地整体是否稳定，是否存在未发现有其它危害场地整体稳定性的不良地质作用，分析是否存在采砂引起的地下空穴现象，进行海床及地层自身稳定性评价；

步骤二管道在采砂区地基稳定性计算分析

根据地质资料进行地基承载力计算和分析，判断各区域是否满足管道承载力要求，以及是否需要地基处理；

步骤三管道在施工期及运营期的沉降量分析

欠固结土地基沉降分析和挤密砂桩复合地基沉降分析；

步骤四采砂区海底管道应力分析

考虑管道沟形成后碎石层、块石层，对自然回淤荷载和回淤至原始标高两种工况进行考虑，根据不均匀沉降分析的结果，对沉降后的海底管道沟底剖面形状进行操作工况下粗糙度分析；

步骤五管道现设计地基的边坡稳定性分析

通过地基沉降分析、管道应力分析、边坡稳定性分析综合考虑，确定需要进行地基处理的区域，进行地基治理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三中的欠固结土地基沉降分析，基于欠固结土地基沉降分析，采用分层总和法进行计算，即在地基沉降计算深度范围内划分为若干层，计算各分层的压缩量，然后求其总和，计算中考虑沉降的时间效应，根据太沙基固结理论计算软土固结速率，按照双向排水计算固结度的时间因子，计算按基础荷载、基底形状和尺寸、以及土的有关指标确定地基沉降计算深度，且在地基沉降计算深度范围内进行分层，然后计算地基最终沉降量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三中的挤密砂桩复合地基沉降分析，考虑挤密砂桩复合地基的应力折减效应，分别对低置换率挤密砂桩复合地基、高置换率挤密砂桩复合地基的沉降进行分析，得到复合地基承载力的特征值，通过调整挤密砂桩的间距、长度、置换率等参数，并与管道应力分析相结合，得到符合管道规范要求的允许沉降值，实现对采砂区地基沉降指标的控制，解决沉降过大区域的处理的问题。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤四中进行操作工况下粗糙度分析时，管道截面特性按实际的钢管壁厚、涂层、混凝土配重层模拟，管道顶抛石上覆块石重力影响通过调整钢管密度实现，施加设计温度和设计压力，完成考虑管道不均匀沉降影响的不平整度分析，通过地基沉降分析和管道应力分析，保障运营期间管道的安全。

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