駱振斌

中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司，河南洛陽 471000

在西南油氣田天然氣產(chǎn)量穩(wěn)步增產(chǎn)的大形勢下，區(qū)域內(nèi)長輸、集輸管道工程業(yè)務(wù)也日趨蓬勃。川渝地區(qū)地處四川盆地，地質(zhì)類型復(fù)雜多樣，長輸、集輸管道施工中常遇到堅石地質(zhì)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(fù)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(biāo)是評價施工方案可行與否的必要內(nèi)容。本文以重慶地區(qū)某穿越省道堅石地質(zhì)的天然氣管道工程為實(shí)例，介紹了巖石地質(zhì)條件下無聲爆破法頂管穿越的施工技術(shù)。

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(nèi)，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(jìn)長度30 m，經(jīng)土質(zhì)取樣分析，穿越層地質(zhì)為堅石。此外，該管道穿越部位屬市政要道，且在作業(yè)點(diǎn)的500 m半徑范圍內(nèi)民宅較多。通過對交通、擾民、征地、安全風(fēng)險、施工質(zhì)量、工期、成本、相關(guān)手續(xù)批準(zhǔn)、設(shè)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(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場的實(shí)際情況，擬定了以下幾種施工方案。方案一，大開挖機(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)行穿越施工，該法在業(yè)內(nèi)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(jī)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(jī)對前方巖體進(jìn)行切削，后方輔以油缸筒、防旋轉(zhuǎn)油缸筒或氣壓倉等措施推進(jìn)，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(fēng)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(fēng)險、施工質(zhì)量、施工工期、施工成本、其他等幾個方面進(jìn)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(shè)計

該工程天然氣管道的規(guī)格為D325 mm×12 mm，材質(zhì)為L245NS，輸送介質(zhì)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(zhì)層從上往下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、砂巖、堅石。道路一側(cè)為向下的陡坡，另一側(cè)地面標(biāo)高與路基相當(dāng)。圖1為管道穿越部位的斷面，地貌、地質(zhì)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(hù)。

根據(jù)擬定的無聲爆破法頂管施工法的特點(diǎn)，需在道路兩側(cè)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(cè)豎井深度約3 m，右側(cè)豎井深度約10 m。因左側(cè)地勢較低，豎井深度較淺，從此端移除頂洞內(nèi)取出的石塊工效較高，安全風(fēng)險較低，且便于開挖穿管所需的引溝，故選定左側(cè)作為頂入端。右側(cè)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(fēng)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(shù)。該技術(shù)是一種巖石破碎技術(shù)，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(chǎn)生的強(qiáng)膨脹力將巖石分裂。目前，國內(nèi)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(yīng)時間可控制在10 min至10 h之內(nèi)。該技術(shù)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(shù)。

（2）無聲爆破頂管穿越施工流程。依據(jù)無聲爆破技術(shù)特點(diǎn)與現(xiàn)場實(shí)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(yīng)根據(jù)設(shè)計圖紙給定的控制樁位，結(jié)合施工現(xiàn)場擬穿越部位的實(shí)際地形、地貌，編制出施工場地平面布置圖。用經(jīng)緯儀測量確定出穿越的中軸線，并將穿入點(diǎn)和穿出點(diǎn)做易視且不易消除的標(biāo)記。測量確定頂入端豎井（頂進(jìn)井）和頂出端豎井（接收井）的坐標(biāo)。

4.3 豎井施工

此次頂管穿越施工所需的豎井分為頂進(jìn)井和接收井，根據(jù)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(jìn)井

頂進(jìn)井深3 m，幾乎全縱深為堅石地質(zhì)。因其深度較淺，擬采用無聲爆破技術(shù)輔以水磨鉆、風(fēng)鎬等工具來進(jìn)行打井施工[4]，所以將其設(shè)置為圓柱形井，為保證套管作業(yè)空間，直徑設(shè)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(jìn)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(jìn)井俯視截面的圓周上使用風(fēng)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(zhǔn)備好藥劑進(jìn)行灌藥。藥劑的配制、攪拌等均需根據(jù)高效膨脹劑的技術(shù)說明書要求，藥劑和水的稱重、水溫測量等需使用有效標(biāo)定過的計量器具。灌注時應(yīng)注意以下事項(xiàng)：第一，灌注前應(yīng)保證鉆孔孔內(nèi)和孔旁潔凈，余水和余渣應(yīng)使用高壓風(fēng)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(jīng)開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(jìn)行灌注，以保證在藥劑未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)前完成每批次的藥劑灌注。第三，藥劑灌注后應(yīng)進(jìn)行搗實(shí)，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(yīng)，利用反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹力實(shí)現(xiàn)碎石。藥劑反應(yīng)的速度與拌合水的溫度有直接的關(guān)系，可根據(jù)技術(shù)說明書與施工進(jìn)度要求自行調(diào)整。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，裂石完成后，在產(chǎn)生的裂縫內(nèi)用風(fēng)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(fēng)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(jìn)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(fēng)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(fēng)險，故無需進(jìn)行鋼筋混凝土護(hù)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(jìn)行分層破碎[5]，并輔以帶破碎頭的挖機(jī)、水磨鉆等工具進(jìn)行打井施工。為了保證采石鋸的作業(yè)空間，將接收井設(shè)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(shè)備的組成及具體擺位見圖5。

圖5 采用采石鋸進(jìn)行接收井打井的現(xiàn)場施工

此法的應(yīng)用需說明以下幾點(diǎn)：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(jī)進(jìn)行破碎，個別部位使用風(fēng)鎬在石方側(cè)面進(jìn)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(nèi)縮進(jìn)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(jī)。第四，挖機(jī)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(shù)再進(jìn)行局部破碎。第五，在堅石地質(zhì)情況下，豎井無需做鋼筋混凝土護(hù)壁。第六，南方地區(qū)多雨，需準(zhǔn)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(zhì)，頂管洞施工采用上述無聲爆破技術(shù)進(jìn)行開挖，穿越套管頂進(jìn)與一般頂管施工用的設(shè)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(jìn)行下一次的循環(huán)操作之前，須進(jìn)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(shí)施第一次套管頂進(jìn)，套管頂進(jìn)2 m，前方留1 m長的操作空間不頂進(jìn)套管。之后，每往前開挖2 m頂管洞，頂進(jìn)1節(jié)套管。

（4）挖出的石方經(jīng)人工搬運(yùn)出頂管洞后，在頂進(jìn)井內(nèi)使用提升裝置運(yùn)至井外，然后再外運(yùn)。應(yīng)注意，提升過程中井下方不許站人，運(yùn)出的石方應(yīng)及時外運(yùn)，不得在井的周邊堆放。

（5）頂進(jìn)應(yīng)均勻、緩慢進(jìn)行，嚴(yán)禁時快時慢，頂進(jìn)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(yīng)按設(shè)計文件要求用瀝青麻辮和1∶2防滲水泥砂漿進(jìn)行接頭處理。

（7）頂洞開挖及頂管施工結(jié)束后，應(yīng)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(zhì)量檢查項(xiàng)。

4.5 引溝開挖

引溝的溝底標(biāo)高應(yīng)以低于頂管洞內(nèi)混凝土套管的底標(biāo)高500 mm為宜，其左右方向的中心軸線應(yīng)與頂管洞內(nèi)混凝土套管的軸線在一條線上。引溝開挖采用挖機(jī)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(jī)進(jìn)行開鑿；第二，在溝底采用墊土找平的方法給采石鋸的導(dǎo)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(jìn)行切割；第四，用帶破碎頭的挖機(jī)將堅石層開鑿?fù)瓿伞?/p>

4.6 穿越管道

頂洞套管和引溝施工驗(yàn)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(nèi)每隔5 m設(shè)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(nèi)，采用二接一的方式穿管。先將兩根管在引溝內(nèi)焊接為一段，然后按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計文件要求對焊縫進(jìn)行無損檢測和熱處理（如果需要），對焊縫進(jìn)行熱收縮套補(bǔ)口，對整段管進(jìn)行電火花檢漏，上述工序均需按要求達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)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(yù)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(shí)際施工效果

在施工過程中，未影響正常的交通運(yùn)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(zhì)量一次性通過驗(yàn)收，在計劃的工期內(nèi)完成了施工任務(wù)。

5 結(jié)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(shù)進(jìn)行頂進(jìn)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(lǐng)域，此法具有一定的創(chuàng)新意義。從實(shí)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(zhì)量、工期等方面也實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。期望本文闡述的內(nèi)容可為石油天然氣建設(shè)工程類似的施工提供有益的借鑒。