1中缅油气管道特点
中缅管道被认为是国内建设难度最大的管道，主要呈现9大特点：（1）管道线位受沿线地理和社会环境制约严重。管道沿线81％为山区，近年来经济发展快速，平坦地带大多被城镇占据，规划范围大，基本农田分布广泛；基础设施建设活动多，高速公路、铁路等线形工程与管道频繁交叉；山区有限的有利地形，与城镇规划和基础设施建设矛盾突出，严重制约了管道线位。（2）管道沿线具有“三高四活跃”不良地质特点。管道途经横断山脉、云贵高原、喀斯特地区等复杂地貌单元，具有高地震烈度、高地应力、高地热，活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡再造过程等不良地质特点，表现为滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害多发，地震活跃，岩溶发育，矿区密布。复杂地质条件为设计、施工、运行带来严峻挑战。（3）沿线地震活动频繁，地震烈度高。云南省地处欧亚地震带，是我国地震最活跃的地区之一，沿线断裂带密布，管道穿越活动断裂带5条，在地震加速度0.3g地段敷设184km，0.4g地段连续敷设56km，为国内在0.4g以上地区敷设长度最长的管道。（4）沿线地形起伏剧烈。原油管道高差变化剧烈，工艺系统落差超过1000m以上有10段，最大落差达到1800m；全线陡坡段近100处。油气管道试压分段多，施工难度前所未有。（5）为国内首次天然气、原油与成品油长输管道长距离并行敷设。其中干线三管并行敷设段占天然气管道线路总长的23％，两管并行段占天然气管道线路总长的41％，且存在并行但不同期建设的情况，油气管道线路及站场的建设协调关系复杂。（6）复杂山区管道大量采用山体隧道穿越方式。隧道总长占山区线路长度的5％，其中60％为Ⅴ、Ⅵ级围岩，50％为强富水隧道，72％处于高地应力区，66％处于地震Ⅶ度区以上，断层破碎带最长占隧道长度达29％，5处隧道发现岩溶现象，9条隧道穿越煤层区。隧道地质条件异常复杂、施工风险大，是国内最复杂的管道隧道工程。（7）沿线河流深切，山川峡谷并行，多处采用跨越方式通过，创国内管桥跨越主跨最长、多管同跨、荷载最大、桥隧直连、地质条件最复杂、跨越国际河流等多项之最。（8）沿线生态与自然环境优美。管道途经地域山高林密、环境优美，环境保护区、风景名胜区、水源地等多有分布；管道穿跨越瑞丽江、澜沧江、怒江等多条国际河流。（9）沿线为少数民族聚居区。全国55个少数民族中，云贵两省涉及51个，仅云南省境内，管道经过的少数民族聚居地即达26个，管道建设的社会要求较高。
2设计创新
中缅管道建设难度空前，很多问题以往的管道建设从未涉及，首先进行重点、难点识别，对识别出的重难点问题开展了9项专题研究和11项专题评价，根据专题研究和评价成果，在以下方面开展了创新设计。
2.1大落差原油管道输送工艺设计中缅管道（国内段）途经横断山脉、云贵高原、黔中峰林谷地、黔南中低山盆谷区等，沿线山势险峻、峡谷纵横、地形起伏剧烈，全线海拔最高达2624m，整体高差逾2500m，工艺系统落差超过1000m的有10段，堪称中国管道建设史上工艺落差最大的管道。在起伏如此剧烈的地形建设管道，主要存在以下问题：①翻越点多且落差大，管道能耗高；②管道内原油存在不满流运行的可能，流速突然变化时造成液柱分离和撞击，可能激增水击压力，对安全运行产生威胁；③管道试压过程中存在水击破坏的可能；④作为高含硫、高含盐原油，复杂流态可能加剧管道内壁的腐蚀。基于此，对高含硫、高含盐原油管道连续大落差地形下的输送工艺、不满流运行以及腐蚀影响进行研究。根据研究成果，对不同工况进行了动态仿真模拟，优化了输油工艺方案设计，采用了变频泵与固定频率泵相结合、串联泵与并联泵相结合的工艺方案；在落差高达1800m、静压将达17.7MPa的贵州盘县及落差高达1600m、静压将达15.7MPa的贵州丁山设置两座减（静）压站，节省了投资，保证了安全。该研究是中国管道设计史上首次对管道在大落差工况下不满流运行进行工程应用研究，分析了在管道末端采用不满流运行的可行性，为管道运行方式的革新提供了重要的技术依据；形成了一套能够计算输油管道不满流、水联运模拟的软件，可作为连续大落差管道的输送工艺设计手段和模拟方法；针对大管径、高落差的特点，研究了投产中管内存气的各种可能，得出了积气点位置的计算方法，提高管道投产排气效率；通过理论分析和多工况试验，表明在各种运行工况下不会出现明显的内腐蚀。
2.2并行管道设计中缅管道工程沿线地形条件复杂，地质灾害发育，矿产资源丰富，风景名胜、自然保护区众多，因上述各种因素的制约，选择一条合理的线路非常困难。基于此，采用油气管道并行敷设的总体方案，即可以发挥并行敷设所具有的节约土地、资源共享、减少运维费用等优点，又可减少对社会的干扰，降低对环境的影响。据统计，仅节约占地一项，油气管道并行比各自单独敷设节约临时占地约1500×104m2。中缅天然气管道与原油管道并行1101km，其中并行但不同期建设管段为268km，中缅油气管道与云南成品油管道三管并行366km，中缅原油与中贵天然气管道并行243km。很多问题在现行规范Q/SY1358―2010《油气管道并行敷设技术规范》中属于空白。为此，对北美和欧洲类似并行管道进行了调研，结合近期西二线等相关研究成果，确定了并行管道设计方案。结合中缅管道地形地貌情况，并行管道总体设计原则是：隧道、涵洞及跨越管桥共用；伴行道路和施工作业带共用；原则上不允许油气管道同沟敷设，特别是三管同沟。在以下方面可考虑同沟方案：①受地形限制，管道沿窄沟、窄脊敷设；②管道沿道路敷设或是横坡敷设劈方量较大；③管道线位受规划限制或是受环境敏感点限制；④林区、拆迁房屋地段、高赔偿的经济作物地段；⑤油气管道同沟敷设段（图1），净间距要求不小于1.5m，原油和成品油管道同沟间距不小于1.2m。对于同沟敷设段管道，除了保持一定的距离之外，还要求采取其他措施，以保证管道安全。包括：提高管道的韧性要求；管道之间采用沙袋隔离；加密管道标识；加强钢管的工厂质量检查；对焊缝进行双百探伤；合理组织施工等。
2.3油气站场合建在油气两条管道长距离并行的条件下，油气站场合并建设可以统筹考虑站内公用设施，具有减少占地、节约投资、便于运维等诸多优点。因此，在满足工艺要求和保证安全的前提下，油气站场合建是必要的。①在火灾危险类别方面，根据GB50183―2004《石油天然气工程设计防火规范》的规定，中缅原油管道、天然气管道的输送介质均属于甲B类，火灾危险类别相同，因此，从防火安全和规范规定的角度分析，这两种类型的站场合建是可行的。②从站场等级的角度考虑，合建站场整体等级取两者中的较高级别，站场与周界环境的区域安全距离及站场内部设施的安全距离均依该等级确定。③从原油、天然气两种输送介质的物性考虑，原油是液体，天然气是比空气轻的气体，总体布局上将原油部分布置在较低处，天然气部分布置在较高处，并处于原油部分的最小频率风向的下风侧，以避免相互之间的事故干扰及事故蔓延。从已有工程实例看，油气管道站场合建在利比亚管道项目上已经得到成功应用，该项目轻质油和天然气管道并行，所有站场（包括阀室和清管站）均为合并建设。因此，中缅油气管道并行段11座站场中，有9座为油气管道合建站场（图2）。油气合建站场布局总体原则是：油气生产区分别设置，辅助动力区在兼顾油气需求前提下尽量合并设置，值班办公设施合并设置。王学军，等：中缅油气管道工程建设难点与创新设计通过站场用地面积与用地指标的对比分析，合建站用地较用地指标减少17％~46％，据计算，9座合建站较分别单独建设共计节省用地130715m2，这在山多地少的云贵地区具有明显的生态和社会效益。
2.4抗震设计[2-3]中缅管道通过长度约56km的地震9度区，是国内连续通过9度区最长的管道；管道穿越全新世活动断裂5条；处于地震8度区和9度区的站场3座，昆明东站处于地震9度区。针对该特点，开展了9度区专项评价和研究，并依据其结果进行管道抗震专题设计。9度区管道线路设计按设防标准为50年超越概率5％考虑；采用X70HD1大变形钢管，通过活动断层采用X70HD2大变形钢管，均为管道建设首次应用；合理选择穿越断裂带的位置，优化管道与断层交角，满足管道应变要求；管道穿越断层两侧各400m范围内，采用宽大管沟，采用非黏性土回填，增大管道适应变形的能力。站场抗震设计针对地震作用工况，进行应力分析，校核工艺管道设计方案；对单体设备、橇装设备采用抗震设计，对处于9度区的昆明东站，燃气发电机等主要设备提出明确抗震性能要求；站场建筑物采取隔震设计方案（图3）；在地震峰值加速度为0.3g和0.4g地段每2km增加1个用于盘留通信光缆的人孔，单侧盘留长度加长，采用抗震性能好的卫星通信作为数据传输备用信道；光缆穿越活动断裂带处用D114钢管保护。管道地震监测和报警系统由19个强震动预警台和3个GPS连续形变测量站组成（图4）：2个强震动台布设在油气站场中，11个强震动台布设于阀室内，其余6个强震动台和3个GPS观测台沿断裂带布设。图2瑞丽油气管道站场合建站鸟瞰图图3综合值班室隔震设计模拟图图强震动台实时传送地震观测数据至云南省强震动台网中心，由数据处理软件系统（图5）对发生的地震事件进行实时处理，并依据GPS的观测结果综合判断是否向管道公司发出地震预警信息。管道公司接到地震预警信息后，立即启动相应的应急预案。
2.5地质灾害防治设计中缅管道处于险峻山区，地质条件复杂，地质灾害频发，对此开展了管道地质灾害防治专题研究，并对管道沿线地质灾害进行了深入细致、系统全面的识别和评价[4-8]，对于无法绕避的地质灾害开展了治理工程设计（图6），这在国内管道建设中尚属首次。根据现场地质灾害调查成果，共查出460处地质灾害点，线路调整避让的以及经评价后不需治理的有287处，受条件限制无法避让需治理的有173处。沿线地质灾害主要包括崩塌、滑坡、泥石流、不稳定斜坡、岩溶塌陷5种类型。针对这些地灾点开展了有针对性的治理工程设计，满足了地灾防治的要求。同时，由于部分站场如龙陵合建站、禄丰合建站、都匀分输站等位于高差大的山区，大削方和大填方形成的高陡边坡，以及河流跨越两岸的高陡边坡也纳入地灾专业进行专门评价，并依据评价结果采取防护措施，确保站场和管道安全。除了地质灾害治理工程外，中缅管道工程在通过地质灾害区段采用X70大应变钢管，以提高管道本体抗变形能力，保证管道的本质安全。对4处规模较大的地质灾害点，除了采取治理措施外，还提出了运行期监测的要求。地质灾害具有复杂性、突发性和隐蔽性的特点，根据上述特点，开展了动态设计，并提出群测群防的管道地质灾害防治理念。对管道施工可能诱发的地质灾害进行了预评价，确定了高风险地段，针对这些地段，要求合理选择施工时机，快速施工通过，施工过程中加强监测，防止诱发地质灾害；对施工诱发的地质灾害要进行应急处置，必要时进行永久性治理；对于建设期和运行期的管道还要充分依托地方的地质灾害管理部门以及地质灾害防治体系，充分发动群众，保证管道的长治久安。
2.6水工保护设计针对中缅管道沿线地形、地貌的复杂性，根据兰成渝、忠武线等以往山区管道工程的经验和教训，结合中缅管道实际情况，采用了新的水工保护形式，主要体现在以下3个方面：（1）高陡边坡采用混凝土截水墙、实体护面墙。为解决峡谷沟内带水作业和陡坡段石料无法进场的问题，中缅管道首次使用混凝土截水墙结构形式，这种形式可带水作业、稳定性高、施工方便。对于沿线多处沿高差数十米且坡度大于60°高陡边坡敷设的管道，普通的挡土墙和护坡无法满足防护要求，结合公路、铁路和以往工程的成功经验，中缅管道采用实体护面墙的结构形式，极好地解决了高陡边坡的防护问题。（2）顺河沟敷设管道采用稳管式截水墙新结构形式（图7）。对于管道顺河沟底敷设地段，通常采用压重块或连续浇筑的防护方式，但在中缅管道长距离河沟底敷设段使用，会造成工程量大、施工不便等问题，同时不能完全解决沟床下切问题。稳管式截水墙能够起到稳管和防止管沟汇水冲刷的双重防护作用。（3）深基础式堡坎的推广应用（图8）。针对管道穿越坡耕地地段时，管沟回填土易受降雨和农田灌溉水冲刷而下沉的问题，结合以往工程的经验教训，采用在管沟内砌筑基础的堡坎措施，从而确保管道的设计埋深。通过总结多年水工保护设计经验，创新了初设阶段水工保护工程量计算方法。依据影像图和地形图，结合现场踏勘和调查成果，采用量化计算模式，分地貌、分县市、分标段逐层进行工程量的计算，并将此方法编制成电子表格进行自动计算。这种方法以现场调查为基础，采用科学细致的统计方法，极大地提高了工程量的准确度，在项目实施阶段得到了印证。
2.7石方无细土段管道敷设中缅管道工程沿线75％为石方地段。沿线部分地区地表仅有少量的一层覆土，有些地段甚至大段岩石裸露，寸土不见，石漠化现象严重，细土资源稀缺，云贵交界和贵州省段尤为突出。这些地段地表少量的土是植被和作物生存的稀缺资源，利用之后会对当地的地表植被造成严重破坏，恶化当地生态环境，严重影响农业生产，管沟的细土回填面临很大困难。鉴于此，针对石方无细土段回填难题，通过调研，提出了4种方案进行比选：拉运方案、粉石方案、“石夹克”方案、“管道外衣”方案。拉运方案需要从附近地区寻找细土资源，或在附近河床内寻找细沙，用汽车或船只运往管道沿线，由于运距较长，经济性很差。粉石方案是将爆破管沟的石块用小型粉碎机粉碎成石渣粉，然后装袋，管道下沟前先铺垫一层袋装石渣粉，下沟后用袋装石渣粉对管道四周及顶部进行充填后再回填原装土。该方案可以就地取材，费用最低，综合造价约149元/延米。“石夹克”起源于北美的管道防腐公司，是在防腐管外面做一层1in（1in=25.8mm）厚的用轻质镀锌金属网增强的混凝土保护层，在国外管道工程中有成功应用的案例。“石夹克”可以直接在管沟内埋设并用爆破出来的土石方回填，不需要额外的细土，但投资很高（约250元按面积计算），且使管道自身质量增大（一根管约增加1t），因而增加了施工难度，不适合在复杂山区大规模使用。“管道外衣”是国内一些公司开发研制的类似“石夹克”的产品，目前已通过国家有关部门的检验。此外衣是为了防止管道在倒运、布管、下沟过程中防腐层损坏而包裹的防护层，其基本解决了大量细土回填问题，但未解决管底的细土回填问题，且需对回填土石进行筛选，石块粒径需控制在50~70mm。综合经济性、施工难易、技术成熟度等方面综合考虑，中缅管道工程采用了粉石方案。
2.8原油管道试压分段对于中缅原油管道，由于地形起伏剧烈、高差大，若按常规方法进行试压段落划分，即使强度试压分段最低点按环向应力不大于0.95SYMS控制，试压分段允许高差也仅为102~202m，全线1631km原油管道至少需划分为575个试压段，最短试压段长0.21km，平均每段仅为2.84km。如此多的试压分段，将导致成本大量增加和工期延长，是项目所不能接受的。为此，对国内外试压规定和试压方案进行研究，将以往的基于管材强度的试压分段理念，变更为基于系统试压的分段理念。该方法从管道运行压力角度考虑，根据沿线各点的实际运行压力，推算确定试压压力，并结合现场情况进行试压段落划分，不同壁厚管道可划分为同一试压段（图9），有效减少了试压分段数量。按照新的试压分段方法，中缅原油管道仅需划分为201个试压段，比原分段方法减少了374个，仅相当于原分段数量的1/3。试压段的减少，可以大大降低在设备调遣、试压材料、人力资源、上水倒水排水等多个方面的投入，确保了中缅管道紧张的建设工期。根据中缅项目地形及交通条件、工期等因素，试压段每减少一段，费用节省40％~50％，总计节省试压费用约为2070×104元。这种试压分段新方法从分段原理上创新，并与现场实际紧密结合，使得管道试压目的更加明确，也使试压分段大大减少、工期缩短、投入降低。该试压方法为国内首次正式使用，且经现场实践证明可靠有效，在今后的山区管道建设中，具有很大的推广空间和应用前景。根据中缅管道设计和施工实践，已形成中国石油天然气管道局企业标准Q/SYGDJSJJC0411110―2012《山区输油管道试压技术规定》，为今后原油管道试压分段提供了新的理念和方法。
2.9隧道设计中缅管道地处横断山脉和云贵高原，地形复杂，有大量山体隧道穿越，共计74条，总长81km，其中长度1.5km以上的隧道17条。隧道特点突出，类型多样：有原油、天然气、成品油三管共用隧道，油气共用隧道，天然气管道隧道，通车隧道等；隧道附近的岩溶发育，有17条隧道穿越附近山体发现岩溶现象；隧道围岩差，Ⅴ级、Ⅵ级围岩占隧道总长50％以上；断层破碎带多且宽，定西岭隧道（2341.9m）断层影响区域3处，总宽度680.6m，最宽达375m；围岩较富水、中等富水和强富水隧道超过90％；70％以上隧道处于高地应力区；大多隧道处于高地震烈度区，65.6％隧道处于Ⅶ度区及以上。根据上述特点，充分借鉴了铁路、公路隧道的做法，在很多设计细节方面加以改进和创新，尤其是在隧道断面形式及衬砌结构方面，进行了大胆尝试，首次在管道隧道中采用曲墙仰拱的断面形式（图10），且得到成功实施。
2.10河流跨越设计中缅管道沿线山高谷深、山川峡谷并行，河流多呈V字形，经论证，采用跨越方式通过[9]。跨越工程设计面临诸多难点，包括：跨越跨度大，油气多管同跨，主索运输，桥隧直连（澜沧江），国际性河流跨越的安全保障、环保要求高，复杂峡谷风影响，地质构造复杂，边坡稳定性差，地质灾害严重，电站蓄水和泄洪影响（澜沧江、怒江、北盘江）等。在中缅管道不得不采用跨越形式的情况下，尤其在面临如此多问题时，设计如何能够保证跨越安全，一定程度上决定着中缅管道建设的可行性。针对这些问题，开展了一系列的跨越专题研究、图10隧道断面Ⅵ级围岩曲墙仰拱示意图（m）专题评价、风洞试验等，攻克了管道建设史上空前的跨越工程难题。（1）油气双管（或三管）共同跨越。在悬索跨越中采用油气双管（或三管）同桥尚属国内首例。从安全、经济等方面对柔性桥面上下和左右两种布置方案进行了研究，推荐采用管道上、下层布置方案（图11）；对具有特殊地形、风环境的澜沧江跨越采用刚性桥面，管道采用单层桥面水平布置的方案。（2）主索制作、运输和安装难度大。由于跨度和荷载大，主索的质量和尺寸超限，运输和安装困难，因此采用了分索和现场制作的方案。以怒江为例，预制主索外径148mm，长度330m，质量达26t，采用分索方案后，主索分成7束索股，每股包含91根平行钢丝束，现场合股、缠丝制作而成，解决了运输和安装问题。由于主索分股，塔架顶部主索无法断开，因此，配套采用了高强混凝土塔架，塔顶采用索鞍过渡的设计方案。（3）河流跨越安全设计。中缅管道跨越安全设计采取本质安全措施、监控预警和安全保卫措施相结合的设计方案。在本质安全方面，除了常规的管材选用、壁厚选择、防腐要求等方面的措施外，还采取了以下措施用以保证跨越结构和管道的本质安全：采用容许应力法（缆索计算）和极限状态法相结合的设计方法；对于桥塔基础，在强度和变形验算的基础上，对基础结构进行稳定性验算，对基础承台进行抗冲切验算；在抗风方面，采用理论计算（数值模拟）和抗风试验相结合的方法；在地震设计方面，从抗震设防标准、抗震计算、支座设计、桩基础设计、跨越两侧设置截断阀室等方面采取了系统的抗震措施。除了本质安全措施外，中缅管道跨越还采取了技防和人防相结合的监控预警和安全保卫措施。主要包括：设置跨越健康监测系统（图12），对管道和跨越结构进行应力应变监测，并通过光缆实现检测数据上传，可进行实时的健康监测和评估，保障跨越始终处于本质安全状态；设置视频监控系统，在跨越点两岸设置视频监控设备，对跨越进行监视，视频信号上传至西南管道公司；参照国外做法，跨越两岸基础外围用铁丝网围栏封闭，围栏上预留大门用于巡检；在跨越靠近公路的一侧设置值班室，24h值守看护。（4）国际性河流安全、环保要求高。中缅管道跨越怒江、澜沧江等国际性河流，设计中引入基于风险的设计理念，与国际专业的环境工程咨询公司合作开展怒江、澜沧江原油管道跨越定量环境风险评价，对跨越失效后果和环境风险进行定量评估，根据评估结果，验证了管道跨越设计方案的合理性，并对设计方案进行进一步优化，同时为跨越段原油管道泄漏应急预案、应急物资储备方案的制定提供了技术依据。（5）风洞试验。面对特殊地形导致的复杂风环境，开展了跨越全桥模型风洞实验（图13），验证了跨越结构的抗风稳定性，取得了关键的抗风设计参数。结合数值模拟分析风载的动力影响，对采用刚性桥面的澜沧江跨越优化了抗风设计，成功取消了风索，对怒江等柔性悬索结构，采取设置频率干扰索等抗风方案。
3结论
中缅天然气管道工程于2013年10月20日全线投产，各项设计创新得以实现。中缅管道是目前国内建设难度最大的管道，在解决管道建设难题的过程中，通过开展专项研究、专项评价、专题设计，在管道并行、跨越、隧道、站场合建、地质灾害防治、管道抗震等方面实现了多项设计技术的改进和创新，勘察设计手段不断丰富，在大落差管道不满流运行、管道定量环境评价等一些新的领域开展了有益的探索，这些改进和创新，有利于中国管道设计水平的提高，对今后的管道工程设计具有很好的借鉴意义。
作者：王学军 单位：中国石油天然气管道工程有限公司
