沙特阿美項(xiàng)目微型隧道工藝及施工管理

中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

微型隧道技術(shù)是一種利用傳感、通信和數(shù)據(jù)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測量和控制的頂管施工技術(shù)，近年來被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外非開挖條件下(如穿越公路、鐵路、河流、城市等)進(jìn)行的油氣、給排水等各類管道的鋪設(shè)中。微型隧道技術(shù)的主要優(yōu)勢包括：適用于幾乎所有的地質(zhì)條件；管道鋪設(shè)精度高；施工過程中產(chǎn)生的噪音和震動(dòng)較小、對周邊環(huán)境影響不大；相比水平定向鉆通常情況施工風(fēng)險(xiǎn)低等[1]-[10]。

沙特阿拉伯國家石油公司(以下簡稱沙特阿美)是目前世界上最大的原油生產(chǎn)公司。沙特阿美項(xiàng)目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)相對較高、管理制度嚴(yán)格，非開挖穿越屬于油氣工程項(xiàng)目中的控制性工程，一直受到業(yè)主的重點(diǎn)關(guān)注。加之微型隧道穿越技術(shù)含量相對較高、涉及界面多、地質(zhì)情況存在不確定性，給施工管理帶來較大挑戰(zhàn)。本文基于沙特哈拉德天然氣管道項(xiàng)目(以下簡稱哈拉德項(xiàng)目)利用微型隧道穿越高速公路和鐵路的成功經(jīng)驗(yàn)，介紹了微型隧道的工藝過程和管理控制要點(diǎn)，以期對其他類似工程特別是沙特阿美項(xiàng)目的成功實(shí)施提供一定的借鑒。

2.微型隧道施工工藝

微型隧道施工開始前需對穿越目標(biāo)附近的進(jìn)行地勘，地勘報(bào)告滿足需要后才可開始施工準(zhǔn)備工作。哈拉德項(xiàng)目微型隧道穿越施工示意圖見圖1，發(fā)送井和接收井的開挖深度需要根據(jù)穿越目標(biāo)類型和地質(zhì)情況決定，以保證足夠的安全深度。鉆進(jìn)從發(fā)送井前擋墻開始，采用專用鉆機(jī)對工作面進(jìn)行破碎，然后在發(fā)送井內(nèi)頂進(jìn)設(shè)備單元的作用下，將鉆機(jī)和計(jì)劃鋪設(shè)的套管按順序頂入，直至套管從接收井內(nèi)頂出。根據(jù)地質(zhì)情況和套管材質(zhì)不同，各套管連接處需采取對應(yīng)方式進(jìn)行密封。整個(gè)施工過程分為入場準(zhǔn)備、設(shè)備入場安裝調(diào)試、掘進(jìn)作業(yè)、頂進(jìn)收尾四個(gè)階段。

Figure 1.Schematic diagram of micro tunneling圖1.微型隧道穿越示意圖

微型隧道施工對精度要求較高，鉆機(jī)的掘進(jìn)、棄土的排運(yùn)等全部在控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。施工過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆機(jī)在地下的位置，以確保穿越軌跡符合要求。哈拉德項(xiàng)目中，鉆機(jī)位置通過激光定位系統(tǒng)(見圖2)來測量，該系統(tǒng)將激光發(fā)生器和接收器分別安裝在發(fā)送井后撐墻和鉆機(jī)內(nèi)部?；诩す馐渡涞浇邮掌鞯那闆r，經(jīng)處理計(jì)算后就可以獲得鉆機(jī)與預(yù)定軌跡的偏離情況，還能顯示鉆機(jī)的滾動(dòng)幅度、傾斜角度以及預(yù)測的前進(jìn)方向等信息。

Figure 2.Laser positioning system圖2.激光定位系統(tǒng)

2.1.入場準(zhǔn)備

1) 現(xiàn)場踏勘，熟悉現(xiàn)場周邊環(huán)境，探明地下障礙物情況。分析業(yè)主提供的地勘報(bào)告，了解現(xiàn)場地質(zhì)情況，必要時(shí)需要進(jìn)行復(fù)測，以便選擇合適的鉆機(jī)規(guī)格。

2) 合理布置現(xiàn)場施工區(qū)域，選定控制室、發(fā)電機(jī)柜、水箱、沉降池、套管堆放點(diǎn)等位置，規(guī)劃進(jìn)場道路，設(shè)立必要的安全和交通標(biāo)識(shí)。

3) 平整場地，如控制室等安放區(qū)域需經(jīng)過壓實(shí)。

4) 測量放線，在制定位置開挖發(fā)送井和接收井。發(fā)送井原則上應(yīng)在設(shè)備入場前完成，接收井開挖不能影響到掘進(jìn)操作。

2.2.設(shè)備入場安裝調(diào)試

1) 發(fā)送井開挖完成后，在前擋墻、后撐墻和底部安裝模板，進(jìn)行混凝土澆筑。前擋墻入口處安裝帶橡膠密封的金屬環(huán)以避免鉆進(jìn)過程中水、泥漿和膨潤土泄漏。后撐墻混凝土強(qiáng)度應(yīng)滿足頂進(jìn)受力要求。

2) 將控制室等設(shè)備放置指定位置，連接彼此間管路、液壓系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等。

3) 將鉆機(jī)吊入發(fā)送坑，完成設(shè)備調(diào)試。

2.3.掘進(jìn)作業(yè)

設(shè)備調(diào)試完成后，開始作業(yè)。鉆機(jī)前部有管路噴出泥漿配合刀盤的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行掘進(jìn)，壓力由控制室進(jìn)行控制，掘進(jìn)產(chǎn)生的棄土通過切割輪的開口被泥漿帶入沉降罐。通常情況下淡水即可作為泥漿介質(zhì)，特定情況可以在水箱中添加膨潤土或其他添加劑(鉆機(jī)結(jié)構(gòu)見圖3)。

Figure 3.Drill rig structure圖3.鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

待鉆機(jī)掘進(jìn)一定深度后用吊車將第一根套管放入發(fā)送井內(nèi)并裝在鉆機(jī)尾部，隨著鉆進(jìn)繼續(xù)掘進(jìn)將第一根套管推入，之后吊裝第二根套管，依次推入直到抵達(dá)接收井。

鉆機(jī)剛開始掘進(jìn)時(shí)要嚴(yán)格控制速度，正常掘進(jìn)也不能只追求高速，需要根據(jù)掘進(jìn)情況對控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證掘進(jìn)平穩(wěn)運(yùn)行，一次成功。

2.4.頂進(jìn)收尾

鉆機(jī)在掘進(jìn)破壞接收井壁后應(yīng)盡快完成套管頂進(jìn)，縮短出洞的時(shí)間。鉆機(jī)整體出洞后應(yīng)及時(shí)完成和套管的分離，并用吊車從接收井取出。

完成頂進(jìn)后，將發(fā)送井和接收井內(nèi)的套管留頭按要求進(jìn)行處理，如進(jìn)行臨時(shí)封堵等。

3.施工管理控制要點(diǎn)

沙特阿美油氣工程項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)要求高、管理程序繁瑣，在HSE 方面有著嚴(yán)格的管理體系，尤其是其中的作業(yè)許可制度，嚴(yán)格限定了現(xiàn)場施工時(shí)間[11]。因此，對沙特阿美項(xiàng)目來說，微型隧道施工管理面臨的挑戰(zhàn)主要有三方面：如何保障有效作業(yè)時(shí)間、如何避免技術(shù)本身風(fēng)險(xiǎn)和施工安全風(fēng)險(xiǎn)、如何對施工界面進(jìn)行合理安排和高效管理。

3.1.作業(yè)時(shí)間管理

沙特阿美作業(yè)許可管理要求相對十分嚴(yán)格，穿越施工需要辦理熱作業(yè)和受限空間作業(yè)許可，由沙特阿美許可管理人員發(fā)放的施工許可只允許工作日施工且時(shí)間范圍在許可管理員的工作時(shí)間，加上現(xiàn)場遇到的惡劣天氣停工以及等待沙特阿美許可管理人員到現(xiàn)場檢查后才允許發(fā)放許可的情況，與其他地區(qū)相比，實(shí)際工作時(shí)間不足。

此外，由于穿越施工特殊性，除阿美公司許可外，如高速公路和鐵路穿越還需要獲得沙特政府相應(yīng)管理部門批準(zhǔn)，有效期限一般都比較緊張。在日工作時(shí)長和工期受限的條件下，如何保證有效作業(yè)時(shí)間就成為了需要面對的首要問題。

因此，項(xiàng)目部一方面與沙特阿美多次爭取和溝通，獲準(zhǔn)在沙特阿美管線、站場等設(shè)施一定距離外允許由經(jīng)認(rèn)證的承包商許可管理員開具內(nèi)部許可進(jìn)行作業(yè)，在這些區(qū)域時(shí)，采取清晨開工的方式適當(dāng)延長每天作業(yè)時(shí)間且不受周末限制；另一方面從管理上入手，在不得不等待沙特阿美許可時(shí)，先使用內(nèi)部許可完成設(shè)備開機(jī)調(diào)試等準(zhǔn)備工作，保證拿到許可后即可立即開鉆，保證掘進(jìn)作業(yè)的有效時(shí)間。

3.2.風(fēng)險(xiǎn)管理

微型隧道穿越施工的主要技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)來自于各種原因造成的掘進(jìn)中止，主要因?yàn)槭堑刭|(zhì)條件超出預(yù)期，設(shè)備問題和操作失誤。這首先要保證地勘報(bào)告滿足要求，必要情況下需要重復(fù)地勘，之后選擇最適合目標(biāo)地質(zhì)的鉆機(jī)類型；定期維護(hù)檢修設(shè)備，保障設(shè)備的可靠性；在操作中避免鉆機(jī)卡阻，保持有效的掘進(jìn)速度并滿足設(shè)計(jì)精度，而不是單純追求高速度。

安全風(fēng)險(xiǎn)管控上要嚴(yán)格遵照相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，避免風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。具體包括在發(fā)送井和接收井的周圍設(shè)置警示隔離帶；套管碼放采取用墊木支撐或打土堆等措施避免滾動(dòng)；吊車等設(shè)備嚴(yán)格按照安全操作規(guī)程；樹立人人都是安全員的意識(shí)等。

3.3.施工界面管理

微型隧道穿越施工除面臨較大的工期壓力外，頻繁的界面協(xié)調(diào)也是管理難點(diǎn)之一。

以哈拉德項(xiàng)目為例，現(xiàn)場附近施工用水和混凝土資源有限，微型隧道掘進(jìn)作業(yè)、發(fā)送井和接收井開挖回填、混凝土澆筑、施工用水、現(xiàn)場輔助設(shè)備和人員等又都分屬不同分包商。因此，為保障掘進(jìn)作業(yè)的連續(xù)性和各工序高效銜接，都由項(xiàng)目部負(fù)責(zé)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，同時(shí)還需要和沙特阿美管理團(tuán)隊(duì)保持經(jīng)常溝通。

項(xiàng)目部管理團(tuán)隊(duì)采取多種針對性措施合理銜接工序、節(jié)約成本，保障掘進(jìn)作業(yè)條件。比如避免土建機(jī)械在發(fā)送井和接收井開挖中頻繁轉(zhuǎn)場；尋找多方渠道保障施工用水供應(yīng)；與攪拌站保持良好溝通保證澆筑時(shí)混凝土按時(shí)供應(yīng)等。

在項(xiàng)目部管理下，穿越過程中基本沒有發(fā)生除穿越設(shè)備原因以外導(dǎo)致停工的情況，實(shí)現(xiàn)了工程的順利高效實(shí)施。

4.結(jié)語

穿越施工往往工期緊張，一次不成功的損失極大，加之現(xiàn)場協(xié)調(diào)情況復(fù)雜，不確定因素多，這些對總承包商的管理能力提出了較高挑戰(zhàn)。微型隧道施工是非開挖穿越的主要方法之一，其工藝有其特殊性。在哈拉德項(xiàng)目中，微型隧道穿越分包商只負(fù)責(zé)頂進(jìn)作業(yè)，其他相關(guān)工作如土建施工等人機(jī)材都需要承包商負(fù)責(zé)，如何精準(zhǔn)協(xié)調(diào)、高效利用資源、提高工效是成功進(jìn)行管理的關(guān)鍵。本文對微型盾構(gòu)穿越工程如何進(jìn)行高效管理節(jié)約成本具有很好的參考價(jià)值，對其他類型沙特阿美非開挖穿越工程管理實(shí)施也有一定的借鑒意義。