王 飛， 李國玉， 馬 巍

（1.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000； 3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院大興安嶺凍土工程與環(huán)境觀測研究站，黑龍江加格達奇 165000）

0 前言

管道作為安全可靠且經(jīng)濟環(huán)保的運輸方式，是油氣資源長距離輸送的最佳選擇。全球99%的天然氣和70%的石油均依靠管道輸送，因此，其被稱為保障能源安全的生命線工程。由于特殊的地理位置和環(huán)境條件，寒區(qū)管道修建及運營面臨多年凍土與生態(tài)環(huán)境保護的雙重挑戰(zhàn)。然而，工程性質(zhì)的特殊性（輸送“冷/熱”介質(zhì)）、凍土工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性、凍土環(huán)境的脆弱性及氣候變化的不可預(yù)見性等綜合影響使得凍土成為制約寒區(qū)管道建設(shè)的重要瓶頸。為此，國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員就凍土及其與管道相互作用的一系列工程凍土學(xué)理論和實踐問題進行了大量卓有成效的研究，主要聚焦在輸冷/熱管道在多年凍土中的水熱效應(yīng)和管基土凍脹/融沉下管道的受力變形特征兩方面。本文首先梳理、分析和總結(jié)了過去近一個世紀凍土區(qū)典型輸油管道的工程實際，明確了管道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)、運營挑戰(zhàn)與防治對策；其次，就輸油管道-管周凍土熱力相互作用和管基凍土融沉防治措施及其適用性的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)進行了系統(tǒng)評述，以期為凍土區(qū)管道穩(wěn)定性及時準確判識、融沉災(zāi)害風險規(guī)避提供科學(xué)依據(jù)，同時提升我國乃至全球輸油氣管道和其他油氣儲運工程設(shè)計、施工、運營及維護水平。

1 凍土區(qū)典型輸油管道工程

西伯利亞和北美北部凍土區(qū)蘊藏著大量的油氣資源，1920 年就在加拿大諾曼井發(fā)現(xiàn)了油藏[1］。第二次世界大戰(zhàn)開辟了凍土區(qū)管道建設(shè)的歷史，為供應(yīng)戰(zhàn)爭需要，1943—1944 年美軍突擊建成了諾曼井至懷特霍斯的Canol 管道，由于戰(zhàn)事緊迫且未考慮季節(jié)凍融影響，將管道直接鋪設(shè)在地表，大約1年運營期內(nèi)，多次出現(xiàn)管道破裂和原油泄漏[2］。Nor?man Wells 管道是加拿大第一條穿越多年凍土區(qū)且完全溝埋敷設(shè)的“環(huán)境溫度”管道，為最大限度減小管道對凍土環(huán)境的擾動和影響，確保管道在潛在凍脹、融沉、斜坡失穩(wěn)下的完整性，采用了許多特殊設(shè)計和減災(zāi)措施，主要包括：（1）施工前一個冬季進行管權(quán)范圍內(nèi)植被清除（約25 m 寬），且最大限度利用已有施工作業(yè)帶；（2）1983—1985 年連續(xù)兩個冬季進行施工；（3）原油在進入管道之前冷卻至?1 ℃或接近地溫，減小管道和管周土之間的熱交換；（4）高溫凍土斜坡進行木屑保溫；（5）增加壁厚以提高管道的允許變形量，進而抵抗?jié)撛诓町悆雒?融沉變形[3-6］。該管道自運營以來出現(xiàn)了凍脹、融沉、管溝沉降、下沉管溝積水聚冰、坡面侵蝕、水土流失等病害，如現(xiàn)場觀測資料顯示在KP783 處管溝地表融沉量 大 于2 m[7］，KP5.2 處25 m 長 管 段 內(nèi) 發(fā) 生 高 達1.1 m（超出地表）的翹曲變形[5］。

1968年3月普拉德霍油田的發(fā)現(xiàn)促成了長距離大口徑管道——Trans Alaska 管道的建設(shè)[8］。該管道自1977年6月建成以來，源源不斷地將63 ℃的原油從普拉德霍灣輸運到阿拉斯加南部的天然不凍港瓦爾迪斯。高溫油流相當于一個熱源持續(xù)不斷放熱，勢必造成管周凍土融化下沉[9］，為避免管道產(chǎn)生過大縱向差異沉降，綜合考慮管道沿線凍土類型與含冰量差異，分別采用了傳統(tǒng)埋地、地表架空和地下特殊埋設(shè)3 種敷設(shè)方式[10］。地表架空式（即熱管+樁基）主要用于穿越融化不穩(wěn)定凍土區(qū)，為適應(yīng)由于氣溫及油流溫度變化導(dǎo)致的熱脹冷縮或地震造成的地面運動，管道敷設(shè)為Z 字形。盡管如此，管周凍土快速融沉造成部分管段基礎(chǔ)失穩(wěn)的事件仍時有發(fā)生，特別是埋地式區(qū)段，不得不進行維修或重新改線鋪設(shè)。如1979 年發(fā)現(xiàn)122 m 管段范圍內(nèi)管道沉降高達1.3 m，造成管道破裂、原油泄漏[11］。

我國于1977 年10 月建成的格拉成品油管道（格爾木至拉薩）全長1 076 km，其中約900 km 在海拔4 000 m 以上，670 km 穿越多年凍土區(qū)，是我國第一條高海拔長距離輸油管道。由于對管道沿線凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件情況知之甚少，在長達8 個月的凍結(jié)期內(nèi)，形成強烈凍害如冰堵、凍脹、融沉、凍脹丘、冰椎等，自投產(chǎn)以來造成多次“露管”，最大翹曲達1.9~2.1 m，至少發(fā)生30 次泄露、4 次破裂。在2001—2004 年，大 約337 km 的 管 段 進 行 改 線重鋪[12-15］。

俄羅斯輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模龐大，總里程超過71 000 km，且大多數(shù)通過多年凍土區(qū)[16］。其中，ES?PO（東西伯利亞-太平洋）石油管道是世界上最大的輸油工程，起自泰舍特，東至科濟米諾港，將東西伯利亞和西西伯利亞的原油輸送至太平洋海岸，出口亞太市場，年輸量最高可達8 000萬噸[17-20］。一期工程連接泰舍特與斯科沃羅季諾，該管段沿線基礎(chǔ)設(shè)施缺乏，凍土廣泛分布、地震活躍，建設(shè)及運營難度較大。二期基本與西伯利亞大鐵路平行，連接斯科沃羅季諾與科濟米諾[21-23］。典型點（Oleminsk 場地）監(jiān)測資料顯示管道施工、管溝積水、高溫油流等熱擾動下管周凍土顯著退化，融沉對管道安全運行構(gòu)成較大威脅[20］。如部分管段在周圍凍土融化形成熱喀斯特湖后漂浮于地表附近[16］。Hjort 等[24］預(yù)測2050 年該管道超過1/3 的管段（1 590 km）受凍土融沉威脅可能面臨相當大的風險。因此，部分管段不得不開挖重鋪，鋪設(shè)保溫層、安裝吊架和土體冷卻裝置（如熱管）等措施防治管周凍土過量融沉，進而確保管道完整性[20］。Kudryavtsev 等[25-26］建議該管道也應(yīng)采用樁基和季節(jié)制冷裝置組合的地上架空方式通過多年凍土區(qū)。

中俄原油管道（CRCOP）I線采用傳統(tǒng)溝埋敷設(shè)方式建成，起自俄羅斯阿穆爾州的斯科沃羅季諾，向南穿越518 km 的多年凍土和512 km 的深季節(jié)凍土到達中國大慶林源，系ESPO 管道支線。II 線線路與I 線基本并行敷設(shè)，間距約為10 m。但受制于地形地貌、伴行公路、保護區(qū)規(guī)劃、站場等客觀因素影響，II線與I線反復(fù)交叉約40 處。自運營以來，多年凍土區(qū)尤其高溫高含冰量區(qū)段管周凍土顯著融沉，管溝地表沉降明顯（高達1.0 m）且伴有縱向裂縫、管溝上方大量積水聚冰，水土流失造成警示帶，甚至管道出露地表[27-30］。作為承載管道基礎(chǔ)的多年凍土處于快速退化狀態(tài)，管道面臨嚴重的融沉災(zāi)害風險[31］。典型點監(jiān)測資料顯示，管基凍土融化進而固結(jié)沉降導(dǎo)致管道下沉可達1.4 m[32］。另外，其他凍害如凍脹丘、冰椎、冰丘等在管道沿線廣泛分布，對管道運行也造成潛在威脅[33］。為緩解上述凍害，采取了系列減災(zāi)措施，如冬季施工、增加壁厚、非凍脹敏感性土換填、管道保溫、熱管、通風管、鋪設(shè)石籠網(wǎng)等。

上述管道的運營經(jīng)驗，為低溫、敏感和復(fù)雜多變凍土環(huán)境下輸油管道的建設(shè)和運行積累了寶貴的現(xiàn)場資料和數(shù)據(jù)。表1匯總了上述文獻中提及的凍土區(qū)輸油管道工程基本信息，從表中可以看出凍土區(qū)管道以溝埋敷設(shè)方式為主，埋置深度處于活動層底部附近，受制于高溫油流（相對于管周土）影響，管基凍土處于持續(xù)升溫及退化狀態(tài)，融沉（差異性）是威脅管道安全服役最為普遍和突出的問題。為有效解決管道凍害，采用了土溫冷卻裝置（如熱管）和樁基組合的地表架空或地下懸掛系統(tǒng)、冬季施工、管道保溫、木屑護坡等系列防治技術(shù)，然而受制于復(fù)雜凍土環(huán)境條件、高溫油流持續(xù)熱擾動、水熱侵蝕等因素影響，部分措施難以發(fā)揮有效作用。

表1 凍土區(qū)典型輸油管道工程Table 1 Summary of the oil pipelines in permafrost regions according to the published literature

2 埋地管道-管周凍土熱力相互作用研究

2.1 管道-凍土熱傳遞過程研究

在多年凍土區(qū)修筑管道，管權(quán)范圍植被清除、管溝開挖、管內(nèi)冷/熱介質(zhì)擾動等勢必破壞凍土原有賦存狀態(tài)，加之作為承載管道的基礎(chǔ)——凍土，其物理力學(xué)性質(zhì)對溫度具有極強的依賴性，管基凍土的熱狀態(tài)直接決定著管道的基礎(chǔ)穩(wěn)定性。因此，在凍土區(qū)管道全壽命周期設(shè)計中，管道-凍土之間的熱傳遞過程研究顯得尤為必要。

管道作為“線性內(nèi)熱/冷源”，其與周圍土體熱互作用過程受輸運介質(zhì)溫度、管道埋深、土體熱物性參數(shù)、地表溫度周期性變化、地熱等條件的影響，是自然條件和介質(zhì)溫度引起的邊值條件較為復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)多區(qū)域傳熱問題[34］。國內(nèi)外學(xué)者就管-土非穩(wěn)態(tài)傳熱這一問題進行不同程度模型簡化、保形變換、分離變量等數(shù)學(xué)運算，獲得了溫度場的近似解或級數(shù)解。如Carslaw 等[35］在假定初始地溫為0 ℃，融化圈內(nèi)溫度分布處于穩(wěn)態(tài)且融化界面移動由界面處的瞬態(tài)熱平衡決定的條件下，利用準穩(wěn)態(tài)法估算了無限區(qū)域內(nèi)圓筒周圍土體的相變過程。之后，Porkhayev[36］和Thornton[37］將該方法應(yīng)用到半無限域內(nèi)埋地管道融化圈的計算，但是由于兩者所采用的關(guān)鍵參數(shù)——融化鋒面移動速率不同，導(dǎo)致Pork?hayev 的計算結(jié)果高估了融化深度（給定管道參數(shù)及地溫的淺埋管道），而Thornton 的計算結(jié)果偏低?；诖?，Hwang[38］對該方法進行了改進，并針對保溫措施管道給出了半無限區(qū)域內(nèi)管周溫度場的解析解，同時考慮軸向管土熱互作用擴展到三維空間[39-41］。Bronfenbrener 等[42］基于準穩(wěn)態(tài)方法建立了一個二維理論模型，分析了水平埋設(shè)在半無限凍土層中管道周圍的相變過程，并基于融化邊界的預(yù)測結(jié)果，建立了隨時間變化的管內(nèi)介質(zhì)溫度的解析方程。在我國，李長俊等[43］根據(jù)熱油管道和周圍半無限大土壤間的相互關(guān)系，推導(dǎo)出管道周圍溫度場隨管內(nèi)介質(zhì)和氣候變化的解析解；李南生等[44］利用雙坐標保角變換法將半無限土體空間轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)形域，基于熱力等效原理推導(dǎo)出凍結(jié)期輸油管道擬穩(wěn)態(tài)溫度的解析解，但其不能描述管道全年溫度場的變化過程；樊洪明等[45-46］基于保形映射、分離變量和邊界離散法給出了有/無保溫埋地管道溫度場的級數(shù)解。

由于該問題沒有封閉解，數(shù)值模擬成為管周溫度場計算的主要技術(shù)手段。Lachenbruch[9］假定Trans Alaska 管道輸送油溫為80 ℃，管周凍土均質(zhì)且地溫為一恒定值，基于有限差分法預(yù)測了管周融化圈的發(fā)展特征；Hwang 等[47］考慮相變潛熱對土體凍融過程中的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題進行了分析，在此基礎(chǔ)上又考慮地表與大氣熱交換、融沉導(dǎo)致的計算域變化，建立了凍土區(qū)輸熱管道傳熱數(shù)學(xué)模型[48］；Has?taoglu 等[49］利用隱式有限差分法和線性分割邊界求解了水平埋管-土體三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題；陳友昌等[50］對季節(jié)凍土區(qū)集油管線周圍土壤的二維非穩(wěn)態(tài)相變溫度場進行了計算；龐麗萍等[51］將半無限大區(qū)域簡化為有限矩形域，在考慮氣溫周期性變化和管周土熱物性非均勻的基礎(chǔ)上分析了輸熱直埋管道溫度場；崔秀國等[52］建立埋地熱油管道熱力影響范圍數(shù)學(xué)模型并進行參數(shù)敏感性分析，驗證這一簡化模型的合理性；基于有界域簡化，考慮管-土間熱傳導(dǎo)和冰水相變，何樹生等[53-54］模擬了不同假定油溫及不同凍土工程地質(zhì)條件下CRCOP 管周土的凍融過程；Yu 等[55］建立溫度-滲流耦合數(shù)學(xué)模型進一步分析了特定油溫條件下裸管和保溫管道的融化圈特征；Wang 等[56］等利用Neumann 隨機有限元法對管周土熱狀態(tài)進行分析；Zhang 等[57］等分析了不同敷設(shè)方式（地下埋設(shè)及路堤敷設(shè)）和有無保溫情況下管周溫度場差異，認為采用保溫及路堤敷設(shè)方式能有效減小融深；Oswell[8］認為需要對地表植被清除、管溝開挖及運營等熱擾動下管周溫度場的變化進行詳細預(yù)測，以確保設(shè)計的凍融災(zāi)害防治措施能夠發(fā)揮良好作用。

然而，以上研究均假定管內(nèi)介質(zhì)溫度恒定或周期性變化，著眼于管周溫度場的求解，而未考慮管內(nèi)流體的熱力和水力瞬變過程。管-土間的熱傳遞是管內(nèi)介質(zhì)熱力、水力耦合與管內(nèi)介質(zhì)與管外土體耦合的物理過程，故崔慧等[58］將該問題分解為管內(nèi)瞬變模型和管周土溫度場模型，采用雙特征線法求解管內(nèi)介質(zhì)溫度，有限單元法求解管周溫度場。考慮管周土凍融過程和油流沿程熱損失，Nixon等[59-60］建立準三維模型預(yù)測分析了管道沿線油溫，該模型將長距離線性工程三維問題轉(zhuǎn)化為縱向離散的二維模型，極大提高了計算效率。另外，輸熱/冷管道溫度場問題是凍土區(qū)管土相互作用研究的基礎(chǔ)和前提，在不同尺度的模型試驗[61-64］及現(xiàn)場監(jiān)測[7，11，20］中均對管周土溫度進行了詳細監(jiān)測。

2.2 管基土差異性凍脹/融沉下管道力學(xué)響應(yīng)分析

模型試驗?zāi)軌蛉?、真實地反映管基土凍?融沉下管道的受力、變形以及破壞的全過程，揭示管道凍害孕育演化過程，從而為凍土區(qū)管道工程設(shè)計、建設(shè)及凍害防治提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。因此，國內(nèi)外研究人員針對管道-凍土相互作用進行了大量模型試驗，其中典型大型現(xiàn)場試驗主要包括：加拿大Calgary[65-66］、法國Caen[67-68］和美國阿拉斯加Fairbanks[63］的輸冷管道凍脹試驗以及加拿大Inuvik 輸熱管道融沉試驗[61，69］。室內(nèi)試驗主要通過控制環(huán)境溫度、管內(nèi)介質(zhì)溫度、管周土類型等揭示管土相互作用過程中各參數(shù)的物理效應(yīng)并驗證一些凍害防治措施（如換填、保溫等）的工程效果[64，70-72］。另外，離心機技術(shù)也被用于管道凍脹問題的研究[73-74］。表2就上述文獻中提及的管道凍脹/融沉模型試驗進行了匯總，可以看出，已有模型試驗主要模擬特定情況下埋地管道的力學(xué)特性及管周溫度場變化情況，且以管道凍脹問題為主。管道凍脹試驗表明：管基土差異性凍脹變形引起管道變形甚至破壞，其最不利位置在凍結(jié)/融化或不同凍融敏感性土交界面處；管道發(fā)生變形過程中，抗拔力在達到最大值后減小至殘余值，即在管頂覆土出現(xiàn)裂縫時伴隨應(yīng)變軟化現(xiàn)象[8］。

表2 埋地管道-凍土相互作用模型試驗Table 2 Model tests of buried pipeline-permafrost interactions

基于大型現(xiàn)場試驗結(jié)果，研究人員結(jié)合已有凍脹、融沉模型，提出系列理論及數(shù)值模型進一步分析了凍脹/融沉過程中的管-土相互作用。如Mor?genstern 等[75］運用1971 年提出的一維融化固結(jié)理論[76］預(yù)測了Inuvik 輸熱試驗管道中心下土體的孔壓、沉降及融化圈發(fā)展速率；Palmer[77］基于隨機過程理論和統(tǒng)計模型，分析了差異性融沉條件下管道縱向彎曲特性；Konrad等[78］基于其1981年提出的分凝勢理論[79］，利用有限差分法對管道下凍脹量進行計算，并對Calgary 管道凍脹試驗結(jié)果進行評估和預(yù)測；Rajani 等[68，70］基于簡化的Winkler 地基模型預(yù)測了差異性凍脹條件下Cane 輸冷管道變形及應(yīng)力隨時間的變化情況；Selvadurai 等[80-81］將考慮熱傳導(dǎo)及水分遷移的三維凍脹模型與基于梁單元的管土相互作用模型進行耦合，對Caen輸冷試驗管道周圍土體不均勻凍脹導(dǎo)致的管-土相互作用進行了分析；Kim等[82］假設(shè)凍脹引起的管道位移為土體自由凍脹量，基于分凝勢概念建立了準二維顯式有限元模型，并利用Fairbanks 管道凍脹試驗結(jié)果對其進行驗證。

凍脹、融沉狀態(tài)下管-土相互作用是一個水、熱、力三場（且與時間相關(guān)）耦合問題，一般簡化為凍脹/融沉預(yù)測與管道力學(xué)響應(yīng)分析兩個方面[83］。目前，凍脹與融沉下管-土相互作用模型主要有土彈簧模型和連續(xù)介質(zhì)模型（針對管周土而言）。彈簧模型采用廣泛且行之有效，一般將管道簡化為Winkler地基梁，用一系列彈簧表示管道周圍土體提供的抗力。如Razaqpur等[68，70，84］基于該模型計算了差異性凍脹下埋地管道的應(yīng)力及變形；Rajani 等[85］基于Winker地基理論，提出了考慮內(nèi)壓和溫差共同作用的管道縱向受力計算模型。連續(xù)介質(zhì)模型一般以薄殼單元（能夠考慮材料非線性）劃分管道，較之彈簧模型更能體現(xiàn)管道的實際反應(yīng)狀態(tài)[86-89］。如Nixon 等[86］將管道視為被動結(jié)構(gòu)構(gòu)件，將管周土模擬為彈性和非線性黏性連續(xù)體，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)就凍脹-管道相互作用進行了一系列有限元分析；Selvadurai[81］用考慮熱傳導(dǎo)及水分遷移耦合作用的三維凍脹模型模擬管周土凍結(jié)圈發(fā)展過程，具有軸向剛度、剪切剛度及抗彎剛度的梁單元模擬管道，進而建立計算模型對差異性凍脹下管土相互作用進行分析。

凍土區(qū)管道翹曲的事件屢見不鮮，如Norman Wells[5］、Trans Alaska[90］和格拉管道[15］等都出現(xiàn)管道翹曲變形。管道隆起屈曲是凍土區(qū)管道典型失效模式，這主要是由于安裝及運行溫差過大引起的溫度應(yīng)力而導(dǎo)致的，一般認為與凍脹相關(guān)。Palmer等[91］對凍脹和翹曲變形相互影響以及兩者對北極管道安全性的危害進行了討論；考慮抗拔阻力峰后遞減和管材非線性應(yīng)力應(yīng)變特性，Hawlader 等[83］給出了差異凍脹下埋地管道與凍土相互作用分析的半解析解；Nixon 等[92］指出抗拔力峰值主要受管徑和地溫影響，而殘余抗拔力主要受埋深的影響。管基凍土融沉導(dǎo)致管道漂浮于地表的事件比比皆是，如ESPO 管道和俄羅斯西伯利亞Nadym-Pur-Taz 天然氣管道部分管段漂浮于地表，遭受強烈季節(jié)凍融作用[16，93］。浮管問題主要是由于管道周圍土體快速融化進而固結(jié)排水產(chǎn)生的浮力以及超孔隙水壓力導(dǎo)致的[8，93］。為掌握管道實際運營狀況，CRCOP、Trans Alaska 和Norman Wells 管道等對管周土地溫、管權(quán)地表變形、管道應(yīng)變及位移等進行了現(xiàn)場綜合觀測[7，11，29］。尤其Norman Wells管道，除上述常規(guī)監(jiān)測外，還利用內(nèi)檢測器對管道位置、曲率、內(nèi)徑變化等進行監(jiān)測[8］。

總的來說，目前關(guān)于管道-凍土熱力相互作用研究主要集中于模型和數(shù)值試驗及理論分析三個方面，較為完整時空序列的現(xiàn)場監(jiān)測相對較少，且由于儀器設(shè)備和監(jiān)測技術(shù)的限制，管土界面法向、切向接觸參數(shù)等未獲得。埋地管道-管周土熱傳遞過程研究聚焦于未考慮管內(nèi)流體熱力和水力瞬變過程，特定介質(zhì)溫度或周期變化條件下管周土溫度場理論及數(shù)值分析，而關(guān)于管周土地溫時空變化對管內(nèi)介質(zhì)溫度的影響研究相對比較薄弱。針對典型凍土區(qū)管道工程，開展系列模型試驗（現(xiàn)場、室內(nèi)模型及離心機）分析特定工況下埋地管道的變形和應(yīng)力特征及各參數(shù)（管周土類型、地溫、管內(nèi)介質(zhì)溫度等）的物理效應(yīng)，并對數(shù)學(xué)模型的準確性進行驗證。管基土差異凍脹/融沉下埋地管道力學(xué)特性數(shù)值研究較為深入，從簡單的梁-土彈簧模型過渡到更為精細的殼式接觸模型，然而這些模型是否與管道變形及破壞實際相符，尚需加以驗證。

3 多年凍土區(qū)管道工程融沉防治措施及其效果

針對多年凍土區(qū)管道工程融沉問題，科研及工程技術(shù)人員結(jié)合工程實際，提出系列防融沉措施，總結(jié)起來，主要分為：從“管道”角度出發(fā)，提高管材性能以增加其允許變形，控制油溫使其盡可能接近管道周圍土體地溫；從“管基土”角度出發(fā)，以保護凍土為原則，力求減小管道施工及運營對凍土環(huán)境熱擾動為宗旨，基于被動保護和主動冷卻技術(shù)減緩管基凍土融沉變形及該變形沿管道縱向變化的不均勻性。

3.1 調(diào)控管道參數(shù)

增加管壁厚度或提高鋼材等級能夠顯著改善管道抗變形和破壞的能力，即增加管材的許應(yīng)凍脹/融沉變形。如CRCOP 在一般地區(qū)采用壁厚11.9 mm 的X65 管材，在高溫高含冰量區(qū)段壁厚提高至12.5~17.5 mm[27］。Seligman[93］總結(jié)西伯利亞西北地區(qū)近30年管道-凍土相互作用長期變化模式發(fā)現(xiàn)：壓氣站安裝之前，天然氣負溫輸送，凍脹問題顯著；人工控溫（壓氣站）導(dǎo)致管道正溫輸送，管周土融沉引起管道位移、浮管等問題，即管內(nèi)介質(zhì)溫度是決定管土相互作用長期模式的關(guān)鍵因素?；诖?，Norman Wells 管道控制油溫在進入管道之前盡可能接近管周土地溫，以減小管道與土體間的熱交換，從而最大程度減小對凍土環(huán)境的擾動[5］。然而，實際運營中靠泵站控溫以使得管道全線運營油溫與管周土地溫保持一致幾乎是不可能的，這主要是由于管道沿線凍土工程地質(zhì)條件復(fù)雜且差異顯著、摩擦生熱等作用下油溫沿程變化。值得注意的是對于石蠟含量較高原油，降低油溫可能會導(dǎo)致其黏稠度增大，從而輸量減小，甚至堵塞管道[94］。因此，油溫控制措施需全面掌握管道沿線凍土工程地質(zhì)條件（地溫、含冰量等）、原油理化性質(zhì)（如凝固點等）、輸油工藝、泵站位置及油溫季節(jié)變化特征等。

3.2 調(diào)控管基土特性

管溝開挖直接破壞凍土，將大量的熱量帶入凍土層，還可能改變地表水及地下水徑流，導(dǎo)致管溝積水進而加速凍土退化。因此，為盡可能減小施工熱擾動，凍土區(qū)管道一般在冬季進行管權(quán)范圍植被清除和管道施工。如Norman Wells 管道為最大限度利用已有施工作業(yè)帶，造成管線總長度略有增加[95］；CRCOP 管道為減小管權(quán)范圍植被清除范圍，雙線并行敷設(shè)，同時在不良凍土工程地質(zhì)地段超挖0.3~0.5 m，利用非融沉敏感性土（如礫砂）換填管底細粒土（如粉質(zhì)黏土）以增加地基承載力和減小向管道的水分遷移量[27］。Trans Alaska 管道運營經(jīng)驗顯示：基于熱樁的架空敷設(shè)方式有效規(guī)避了凍害風險；而傳統(tǒng)溝埋敷設(shè)，由于管基凍土快速融化而導(dǎo)致管道產(chǎn)生過大差異沉降變形而發(fā)生損壞，造成原油泄漏[11］。另外，Kudryavtsev 等[25-26］認為ESPO管道的合理敷設(shè)方式為架空式。綜上，管道地表架空敷設(shè)穿越不穩(wěn)定多年凍土區(qū)可最大限度地避免凍土的影響，但其造價高[96］。

保溫法是一種傳統(tǒng)的防凍融措施，其利用保溫材料的低導(dǎo)熱性（熱阻）減小凍土與外界的熱交換，從而起到保護凍土的作用。目前，保溫法已廣泛應(yīng)用于凍土區(qū)道路、房建、機場跑道、隧道工程、輸電線路塔基等重大工程[97-100］，也應(yīng)用于管道工程，如Trans Alaska 管道約6 km 長的管段（高含冰量凍土區(qū)）鋪設(shè)聚氨酯材料防治融沉[11］；Norman Wells 管道在坡度較大、高含冰量斜坡采用木屑保溫防治熱融滑坡[3］；CRCOP 管道在凍土工程地質(zhì)不良地段采用了80 mm 厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料減小管道散熱。上述現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗及數(shù)值模擬均表明保溫材料能夠顯著縮小管周融化圈范圍，從而減小管基土融沉絕對值[54，64］。值得一提的是，保溫層防水工作至關(guān)重要，若處理不當可能會加速管道腐蝕[11］。

凍土區(qū)工程實踐表明：主動冷卻地基技術(shù)（如通風管、熱管、塊碎石等）可有效降低凍土地溫，保證工程構(gòu)筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定[10，96，101-103］。然而由于工程結(jié)構(gòu)形式限制，大多數(shù)主動冷卻措施不能直接應(yīng)用于埋地管道工程。熱管作為一種高效的對流換熱裝置，無需外加動力且安裝方便，已成功應(yīng)用于CRCOP 管道工程凍害防治工作[29］。通風管措施在埋地管道工程的應(yīng)用研究鮮有報道，范善智[104］就通風管措施的地溫冷卻效果進行數(shù)值分析，給出了通風管管口合理高差。防排水和截水措施也是凍土區(qū)管道工程凍害防治的主要方法，但是工程實際中沒有特別考慮管道周圍的防排水，埋地熱油管道運營后均發(fā)現(xiàn)普遍的沉降管溝積水聚冰現(xiàn)象，因此，應(yīng)修建完善的防排水系統(tǒng)，如及時回填管溝、修排水溝和盲溝等。

當管道穿越高溫、高含冰量地段時，單一措施并不能完全消除凍土快速退化對管道的影響，如Trans Alaska 管道，架空式管段采用“熱管+樁”，部分埋地式管段采用“保溫+主動冷卻”的復(fù)合措施來降溫地溫、穩(wěn)定管道[11］；CRCOP 管道局部地段采用“保溫+熱管”、“換填+保溫”、“換填+保溫+增加壁厚”等系列復(fù)合措施來穩(wěn)定管基，確保管道完整性?！盁峁?砂袋”措施目前盡管未得到運用，但研究人員利用離心機試驗?zāi)M了其工程效果，認為該措施能夠顯著減小管基土融沉及管道沉降，其中熱管用以冷卻管周土，砂袋主要起支撐作用[105］。

4 展望

自凍土區(qū)輸油管道工程問世以來，針對管道-凍土相互作用這一重點和難點問題，科研及技術(shù)人員開展了大量的研究工作，揭示了冷/熱輸埋地管道周圍凍結(jié)/融化圈形成、發(fā)展過程及管基土差異凍脹/融沉下管道力學(xué)響應(yīng)特性。然而，管道與凍土的相互作用極為復(fù)雜，涉及管內(nèi)流體的熱力和水力瞬變過程，管周凍土水-熱-力三場耦合問題以及管土界面接觸問題，相互作用機制尚不明確。今后應(yīng)在以下幾方面加強研究：

4.1 凍土區(qū)管道工程原位觀測數(shù)據(jù)的積累與完善

凍土區(qū)通常處于自然環(huán)境惡劣的寒冷地區(qū)，長期野外觀測難以維持，導(dǎo)致管道-凍土基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏，從而限制管周土凍脹/融沉過程中管土相互作用特征、過程和機制研究的深入開展。建議從以下兩方面進行完善：（1）加強管道本體的監(jiān)測，如管道變形、應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)等。已有現(xiàn)場監(jiān)測以管周凍土特征及其變化為主，少許管道自身測量主要利用定期管道內(nèi)檢測、電阻應(yīng)變片法等獲得，不能對管道進行實時、在線監(jiān)測。光纖傳感技術(shù)為凍土區(qū)地下管線變形監(jiān)測提供了新的可能，但受凍土區(qū)低溫環(huán)境下光纖傳感器的長期穩(wěn)定運行、布設(shè)及安裝工藝、監(jiān)測信號的計算處理等技術(shù)問題的嚴重制約。（2）開展系統(tǒng)原位觀測，除了監(jiān)測管道沿線基本氣象要素（氣溫、地表溫度、風速等）、管周凍土條件、管內(nèi)介質(zhì)溫度、管道變形情況等常規(guī)內(nèi)容外，還應(yīng)增加管道沿線次生凍融災(zāi)害（熱融溝、凍脹丘、冰椎等）形成發(fā)育過程、機制以及與管道相互作用相關(guān)的內(nèi)容，如地下水水位、水溫、水化學(xué)和同位素等。

4.2 提高管道-凍土相互作用模型的可靠性

目前，考慮材料非線性、幾何非線性、接觸非線性和管周凍土水熱力耦合作用的殼式管-土接觸模型研究剛剛起步，所建模型都對實際情況作了極度簡化處理，且這些模型往往基于單一數(shù)據(jù)進行校正，故難以用于管道實際破壞和變形的準確預(yù)測。關(guān)于埋地管道-凍土相互作用模型的優(yōu)化，有兩個方面值得注意：（1）查清管土界面特性演化規(guī)律，合理處理管道與管周土接觸面問題。隨著管周凍結(jié)/融化圈發(fā)展，凍土各組成成分之間復(fù)雜的水熱力相互作用勢必導(dǎo)致該圈層內(nèi)土體的工程性質(zhì)，尤其是管土接觸特性發(fā)生改變，使得管土接觸面的模擬較為困難，制約殼式管土接觸模型的優(yōu)化與改進，因此有必要深入研究管-土界面特性演化規(guī)律。如研發(fā)考慮溫度效應(yīng)的剪切儀進行不同土質(zhì)、不同溫度、不同含水量（含冰量）等多影響因素條件下的直接剪切試驗，并在剪切過程中借助數(shù)字圖像測量等技術(shù)對管土接觸面土顆粒（冰顆粒）細觀運動予以觀測，運用宏觀及細觀相結(jié)合的研究手段深入揭示管周土凍結(jié)、融化條件下管土接觸面力學(xué)形為的差異，以及管周凍結(jié)/融化圈發(fā)展過程中管土界面特性演化規(guī)律。（2）構(gòu)建更為合理的管土接觸面單元模型，將其與具有普適性的凍土模型基于二次開發(fā)功能植入有限元軟件以提高模擬精度。管周凍土本構(gòu)模型的正確選取是管土相互作用分析中的一個關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有的一些管土接觸模型盡管考慮了凍土的溫度強依賴性（假定凍土力學(xué)參數(shù)與溫度關(guān)系），但選用的本構(gòu)模型仍是M-C 或D-P 模型，因此，將合理描述凍土本構(gòu)關(guān)系的模型（如EP模型、凍土的多屈服面、非關(guān)聯(lián)的廣義彈塑性本構(gòu)模型[106-107］）應(yīng)用于管土相互作用分析是可能的一個突破方向。另外，參考常規(guī)融土與管道接觸面處理方法，考慮凍土特殊性質(zhì)，結(jié)合室內(nèi)試驗和理論推導(dǎo)對經(jīng)典接觸單元模型進行改進或重構(gòu)，將所構(gòu)建的接觸單元模型植入有限元軟件進行界面力學(xué)行為研究可能會是另一個突破方向。

4.3 管基凍土融沉變形控制措施適用性綜合評價

目前基于熱學(xué)角度（即管周土溫度場特征）對保溫層、熱管、通風管以及復(fù)合措施在凍土區(qū)埋地管道工程中的運用及融沉變形控制效果進行了分析，但就管道本身而言，其失效或破壞最終以應(yīng)力或變形表現(xiàn)出來，因此，為綜合評價上述措施的工程適用性，亟需對各融沉防治措施下管道的變形問題進行系統(tǒng)研究。