[发明专利]一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统及其施工方法

说明书

本发明涉及一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统及其施工方法，该冷垫系统包括蓄能冷却箱体以及设在该箱体顶部与之相连通的进风通道和出风通道；所述蓄能冷却箱体用于设在冻土层、置于待保护埋设对象下方，并且其顶部不低于冻土上限；所述进风通道和出风通道位于所述待保护埋设对象两侧且两者顶部均高于地表、与自然大气相连通。本发明冷垫系统应用时，形状大小与待保护埋设对象相适应，仅利用自然环境中的天然资源就能为待保护埋设对象提供整体、均匀的温控效果，使待保护埋设对象周围冻土始终处于稳定的低温状态，有效防止冷季冻胀和暖季融沉现象的发生，从根本上解决了冻土区埋设对象特别是线性工程中差异性冻胀融沉的问题。

技术领域

本发明涉及多年冻土区冷垫技术领域，尤其涉及一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统及其施工方法。

背景技术

冻土的力学强度会随着温度的变化而发生巨大的改变：温度越低其强度越大，温度低于-1.5℃时，其瞬时抗压强度与一般岩石相当；而温度高于-0.5℃至0℃时，其抗压强度相当于一般土块、甚至基本丧失。

我国从俄罗斯、哈萨克斯坦进口的原油和天然气正在以前所未有的速度增长，然而输送这些油气资源的管道必须穿越多年和季节冻土区，而多年冻土区油气管道工程是个全球性工程难题，其中，差异性冻胀融沉是制约输油管线工程设计和运行中最重要的问题。

由于多年冻土区长距离输油管线地基下部及其周围多年冻土的温度状态和含冰量对岩土工程的性质有很大影响，融化后土体的承载力严重降低，导致局部排水、土壤条件、地质条件发生显著改变，进而使管道周围土体的冻胀敏感性、冻结条件、水分迁移条件发生改变，给管道造成显著的冻胀和融沉破坏。

例如，从美国阿拉斯加北坡穿越低温多年冻土区抵达阿拉斯加南部瓦尔迪斯港的1280km长的输油管线，由于最初采用的是传统埋地式设计，导致管道沿线3/4长度产生显著的融沉；加拿大罗曼井到克努尔的输油管道，由于管道基础稳定措施不到位，导致运营中冻胀、融沉问题突出，虽然后期采取了油料经地表冷却再输送等措施，冻融区过渡带的冻胀融沉以及多年冻土边坡的稳定性问题仍时有发生；在我国，格尔木至拉萨成品油管道工程全长1076km，其中560km穿越青藏高原多年冻土区，由于管线基础处理不到位，自运行以来冻胀融沉造成多处管线暴露、管道翘曲变形，严重影响该输油管线的安全运营和西藏区域经济的发展。再则，寒区的道路工程(公路、铁路等) 均由于基础底部不稳定而造成工程的服役性能严重降低、严重影响道路的行车安全。

由此可见，在冻土区线性工程基础的稳定与否直接关系到道路运输、管道输送等油气资源的顺利开采、输运成本以及沿线生态环境的安全。但是现有技术中的措施仍然没能有效处理好冻土区线性工程基础的稳定性问题，比如仍然存在以下几方面的问题：

(1)实际上，在冻土区所有的线性工程均存在不均匀沉降问题，尤其对于埋藏式输油(气)管线工程，为了避免剧烈的冻胀或融沉，通常采用间隔式支撑、或在管线两侧间隔插设热管，而热管的特点在于点式降温，即在插埋热管的位置降温效果显著，有措施管段的土体冻胀融沉相对缓和，而没有热管措施的管段土体冻融仍较为强烈，这种差异性沉降导致整个管线的变形、翘曲现象更为普遍和严重，由此对工程稳定性构成严重影响。

(2)虽然多年冻土区岩土工程和管道材料以及施工技术日新月异，但油/气在管道输运过程中由于自身携带热量和摩擦产生的热量导致的管道周围冻土融化造成的基础失稳问题至今仍未得到较好的解决，相应的技术发明应用尚处于空白。