油氣管道堅石地質無聲爆破法頂管穿越施工技術

駱振斌

中國石油天然氣第一建設有限公司，河南洛陽 471000

在西南油氣田天然氣產量穩(wěn)步增產的大形勢下，區(qū)域內長輸、集輸管道工程業(yè)務也日趨蓬勃。川渝地區(qū)地處四川盆地，地質類型復雜多樣，長輸、集輸管道施工中常遇到堅石地質的公路穿越工程。在施工過程中往往會受到來自社會和施工過程本身的各種復雜因素的影響，所以在確定施工方案時，盡量避免影響交通、降低擾民、減少征地、提高安全性、工期滿足整體施工計劃、節(jié)約成本、減少市政手續(xù)等指標是評價施工方案可行與否的必要內容。本文以重慶地區(qū)某穿越省道堅石地質的天然氣管道工程為實例，介紹了巖石地質條件下無聲爆破法頂管穿越的施工技術。

1 工程簡介

某長輸管道安全隱患整改工程位于重慶市萬州區(qū)和忠縣境內，該工程中有兩處穿越S013省道的天然氣管道施工工程，管道直徑DN325，頂進長度30 m，經土質取樣分析，穿越層地質為堅石。此外，該管道穿越部位屬市政要道，且在作業(yè)點的500 m半徑范圍內民宅較多。通過對交通、擾民、征地、安全風險、施工質量、工期、成本、相關手續(xù)批準、設備性能穩(wěn)定性等各方面因素的綜合評比，在多種擬定施工方案中選用了無聲爆破法頂管穿越施工方案。本文以上述兩處穿越工程中的一處為例來介紹此施工方法。

2 擬定施工方案

2.1 擬選方案介紹

根據以往的施工經驗和現(xiàn)場的實際情況，擬定了以下幾種施工方案。方案一，大開挖機械破碎施工：此法需修筑一條載荷與該省道同等級的旁道用于臨時疏通車輛，然后對穿越部分采用機械破碎的方式開挖。方案二，定向鉆穿越施工[1]：此法采用定向鉆鉆機進行穿越施工，該法在業(yè)內采用較廣泛，方法較成熟，在此不贅述。方案三，巖盤泥水頂管機施工[2]：此法在巖石層里采用封閉式頂管，選用有二次破碎功能的巖盤泥水頂管機對前方巖體進行切削，后方輔以油缸筒、防旋轉油缸筒或氣壓倉等措施推進，以此完成頂管洞及頂管穿越。方案四，無聲爆破法頂管施工[3]：此法利用手持風鎬鉆孔安裝高效膨脹劑，利用水磨鉆環(huán)周鉆孔以形成環(huán)周開放空間，為高效膨脹劑發(fā)揮威力創(chuàng)造條件，以此方式開挖頂管洞，完成頂管穿越。

2.2 擬選方案對比與方案的確定

對上述方案從社會影響、安全風險、施工質量、施工工期、施工成本、其他等幾個方面進行對比分析，見表1。

表1 擬選方案對比

通過綜合對比表1所列的各個方面，最終確定無聲爆破法頂管施工對于該公路穿越工程是最優(yōu)的施工方案。

3 施工方案整體設計

該工程天然氣管道的規(guī)格為D325 mm×12 mm，材質為L245NS，輸送介質為高含硫天然氣。擬穿越部位為S103省道，省道路面為瀝青路面，地下地質層從上往下依次為素填土、粉質黏土、砂巖、堅石。道路一側為向下的陡坡，另一側地面標高與路基相當。圖1為管道穿越部位的斷面，地貌、地質分層、管道走向等信息在圖中都有呈現(xiàn)。穿越公路的30 m長天然氣管道采用DRCP 1200×2000 GⅢA JC/T 640型混凝土套管保護。

根據擬定的無聲爆破法頂管施工法的特點，需在道路兩側分別打如圖1所示的兩口施工用豎井來滿足施工需求，其中左側豎井深度約3 m，右側豎井深度約10 m。因左側地勢較低，豎井深度較淺，從此端移除頂洞內取出的石塊工效較高，安全風險較低，且便于開挖穿管所需的引溝，故選定左側作為頂入端。右側地勢較高，豎井很深，作為頂出端正好可減少施工作業(yè)的風險。

圖1 管道穿越部位斷面

4 施工工藝

4.1 無聲爆破頂管穿越施工流程

（1）無聲爆破技術。該技術是一種巖石破碎技術，其原理是通過在巖石上鉆孔，然后灌入無聲爆破高效膨脹劑，利用膨脹劑在水化過程中產生的強膨脹力將巖石分裂。目前，國內外使用較廣泛的高效膨脹劑是硫鋁酸鈣類膨脹劑，一般反應時間可控制在10 min至10 h之內。該技術是一種具有無振動、無飛石、無毒氣、無硝煙、無污染特性的施工作業(yè)技術。

（2）無聲爆破頂管穿越施工流程。依據無聲爆破技術特點與現(xiàn)場實際情況，擬定如圖2所示的無聲爆破頂管穿越施工流程。

圖2 無聲爆破頂管穿越施工流程

4.2 測量放線

測量放線前，應根據設計圖紙給定的控制樁位，結合施工現(xiàn)場擬穿越部位的實際地形、地貌，編制出施工場地平面布置圖。用經緯儀測量確定出穿越的中軸線，并將穿入點和穿出點做易視且不易消除的標記。測量確定頂入端豎井（頂進井）和頂出端豎井（接收井）的坐標。

4.3 豎井施工

此次頂管穿越施工所需的豎井分為頂進井和接收井，根據現(xiàn)場的地形、地貌確定的兩口豎井的平面布置見圖3。

圖3 豎井平面布置

4.3.1 頂進井

頂進井深3 m，幾乎全縱深為堅石地質。因其深度較淺，擬采用無聲爆破技術輔以水磨鉆、風鎬等工具來進行打井施工[4]，所以將其設置為圓柱形井，為保證套管作業(yè)空間，直徑設為4 m。具體的工序步驟如下：

（1）創(chuàng)造臨空面。臨空面又稱自由面，為了讓高效膨脹劑在膨脹過程中有效發(fā)揮膨脹力的破碎作用，需創(chuàng)造至少一個臨空面來釋放膨脹力，使需破碎的堅石向臨空面方向位移。此次施工，在頂進井俯視截面的兩條相互垂直的直徑上，利用DN200的水磨鉆鉆排孔以創(chuàng)造臨空面，如圖4所示。

（2）鉆藥孔。所謂藥孔即施用膨脹劑所用的孔。此次施工，在頂進井俯視截面的圓周上使用風鎬鉆垂直方向的藥孔，相鄰孔距400 mm左右，孔徑40 mm，孔深500 mm，如圖4所示。

圖4 豎井平面布置

（3）灌藥。藥孔鉆好以后，準備好藥劑進行灌藥。藥劑的配制、攪拌等均需根據高效膨脹劑的技術說明書要求，藥劑和水的稱重、水溫測量等需使用有效標定過的計量器具。灌注時應注意以下事項：第一，灌注前應保證鉆孔孔內和孔旁潔凈，余水和余渣應使用高壓風槍吹洗干凈。第二，灌注過程要迅速，灌注時如果藥劑開始冒氣，說明藥劑已經開始發(fā)生化學反應，此時藥劑已報廢，需要重新配制；如需灌注的孔較多，可分批次配藥進行灌注，以保證在藥劑未發(fā)生化學反應前完成每批次的藥劑灌注。第三，藥劑灌注后應進行搗實，然后采用舊麻袋將孔覆蓋起來。

（4）裂石。藥劑灌入藥孔后會自行反應，利用反應產生的膨脹力實現(xiàn)碎石。藥劑反應的速度與拌合水的溫度有直接的關系，可根據技術說明書與施工進度要求自行調整。根據現(xiàn)場實踐經驗，裂石完成后，在產生的裂縫內用風鎬稍做破碎，石塊即可輕易碎裂；若在施工中遇到個別部位用風鎬在裂縫中破碎，但仍難使石塊斷裂的情況，可采取加密藥孔后再做破碎。

（5）豎井成型。通過無聲爆破法進行裂石破碎后的斷裂面呈不規(guī)則、不平整狀況，但豎井整體上呈現(xiàn)圓柱形，可不必追求很規(guī)則、很平整的斷面；若井壁和井底出現(xiàn)比較大的凸出部位，可用風鎬局部去除。因該豎井幾乎全縱深為堅石地貌，不存在井壁坍塌的風險，故無需進行鋼筋混凝土護壁。

4.3.2 接收井

接收井深10 m，也幾乎全縱深為堅石。因其深度較深，擬采用以采石鋸為主的工具進行分層破碎[5]，并輔以帶破碎頭的挖機、水磨鉆等工具進行打井施工。為了保證采石鋸的作業(yè)空間，將接收井設置為俯視截面為矩形的方形豎井。此種施工方法較為簡單，設備的組成及具體擺位見圖5。

圖5 采用采石鋸進行接收井打井的現(xiàn)場施工

此法的應用需說明以下幾點：第一，接收井俯視截面的邊界線即為采石鋸的切割線，每次切割深度為500 mm，切割完成后用帶破碎頭的挖機進行破碎，個別部位使用風鎬在石方側面進行輔助破碎。第二，每破碎完一層后，下一層的切割線需要向內縮進100 mm，為采石鋸的正常作業(yè)留足空間。第三，此次開挖的接收井深度為10 m，需使用加長臂大功率的帶破碎頭的挖機。第四，挖機破碎頭無法觸及的個別部位，可采用前述4.3.1所介紹的無聲爆破技術再進行局部破碎。第五，在堅石地質情況下，豎井無需做鋼筋混凝土護壁。第六，南方地區(qū)多雨，需準備好潛水泵等其他降水、排水措施。

4.4 無聲爆破頂管施工

本工程沿頂管軸線全長為堅石地質，頂管洞施工采用上述無聲爆破技術進行開挖，穿越套管頂進與一般頂管施工用的設備相同。頂管洞直徑為1 440 mm，長度為30 m。具體施工步驟如下：

（1）為頂洞定位放線，并在橫截面劃出頂洞的輪廓線。

（2）采用前述4.3.1所用的方法創(chuàng)造臨空面、鉆藥孔、灌藥、裂石。每操作一次，開挖深度500 mm。在取出破碎的石塊之后與進行下一次的循環(huán)操作之前，須進行頂洞軸線校正，以確保軸線無偏移。

（3）每節(jié)套管長2 m。為了保證前方無聲爆破開挖頂管洞的操作有足夠的空間，須在開挖3 m長的頂洞后實施第一次套管頂進，套管頂進2 m，前方留1 m長的操作空間不頂進套管。之后，每往前開挖2 m頂管洞，頂進1節(jié)套管。

（4）挖出的石方經人工搬運出頂管洞后，在頂進井內使用提升裝置運至井外，然后再外運。應注意，提升過程中井下方不許站人，運出的石方應及時外運，不得在井的周邊堆放。

（5）頂進應均勻、緩慢進行，嚴禁時快時慢，頂進力不允許超過額定油缸壓力的80%。

（6）前后兩節(jié)套管的對接處應按設計文件要求用瀝青麻辮和1∶2防滲水泥砂漿進行接頭處理。

（7）頂洞開挖及頂管施工結束后，應按程序文件檢查套管中心線高程偏差、水平偏差、裂紋、錯口、滲水、清潔度等質量檢查項。

4.5 引溝開挖

引溝的溝底標高應以低于頂管洞內混凝土套管的底標高500 mm為宜，其左右方向的中心軸線應與頂管洞內混凝土套管的軸線在一條線上。引溝開挖采用挖機破碎和采石鋸兩種措施，分以下幾個步驟開挖：第一，針對引溝上層的砂巖層，直接用帶破碎頭的挖機進行開鑿；第二，在溝底采用墊土找平的方法給采石鋸的導軌安裝創(chuàng)造條件；第三，安裝采石鋸，用采石鋸對砂巖層以下堅石層的引溝輪廓線進行切割；第四，用帶破碎頭的挖機將堅石層開鑿完成。

4.6 穿越管道

頂洞套管和引溝施工驗收完畢后，即可開始管道的穿越安裝，具體工序步驟如下：其一，在引溝內每隔5 m設置一個管墩，管墩采用編織袋裝土制作，高度以500 mm為宜。其二，將管道吊入引溝內，采用二接一的方式穿管。先將兩根管在引溝內焊接為一段，然后按標準規(guī)范和設計文件要求對焊縫進行無損檢測和熱處理（如果需要），對焊縫進行熱收縮套補口，對整段管進行電火花檢漏，上述工序均需按要求達到合格標準。其三，為保證穿越管段防腐層的完好性，穿管前在整根管段上裹10 mm厚的橡膠皮，并每隔0.5 m用非金屬綁扎帶捆扎。其四，穿管前按設計要求安裝滑塊支架，滑塊支架每隔2 m安裝一套。其五，安裝前在管道上量好安裝的位置，作好記號，保證與下一連接管段的預留段長度。其六，按以上工序每兩根管接成一整段后穿管一次，直至穿越管段全部穿管完成。

4.7 實際施工效果

在施工過程中，未影響正常的交通運行，無擾民投訴，未受征地制約，安全零事故，零環(huán)境污染，施工質量一次性通過驗收，在計劃的工期內完成了施工任務。

5 結束語

本次油氣管道穿越道路的施工采用了在其他行業(yè)較為常見的無聲爆破技術進行頂進井和頂洞的開挖施工，在接收井開挖中采用了采石鋸施工。在石油天然氣施工領域，此法具有一定的創(chuàng)新意義。從實際效果看，該工法完美規(guī)避了影響交通、擾民、征地制約等不利因素，而且在安全、質量、工期等方面也實現(xiàn)了預期目標。期望本文闡述的內容可為石油天然氣建設工程類似的施工提供有益的借鑒。