武保安，李經(jīng)緯，李棟，王海皎

中國石油管道局工程有限公司，河北 廊坊

1.引言

管溝開挖是長輸管道建設(shè)的基礎(chǔ)施工，也是決定項目施工進度的關(guān)鍵工序，選擇適當(dāng)?shù)墓軠祥_挖方法能夠有效提高施工質(zhì)量和效率，提升管道施工的綜合進度。沙特哈拉德天然氣管道項目(簡稱“FFP項目”)設(shè)計線路總計307 km，包括新建φ914mmMDC1G-1管道42 km、兩條并行的φ914mmLSSHG 管道各88 km、11條φ406 mm 至762 mm 各種管徑支干線86.7 km，及沿線站場、閥室、陰保、模擬遠程報警監(jiān)控系統(tǒng)及其他配套專業(yè)施工，是沙特阿美石油公司的重要工程項目之一。FFP項目執(zhí)行沙特阿美標(biāo)準(zhǔn)，施工現(xiàn)場位于沙特哈拉德地區(qū)，屬熱帶沙漠氣候，年平均降雨較少，工程地質(zhì)情況復(fù)雜，多以淺層碎石類土覆蓋巖石為主，巖石硬度達到70 MPa 以上，管溝開挖施工成為項目整體進度的重點與難點。

目前國內(nèi)管溝開挖多采用爆破、鑿巖機、單斗式挖溝機等方法，國外管溝開挖采用爆破、鏈?zhǔn)酵诰驒C、鑿巖機、單斗式挖溝機等方法[1]。根據(jù)FFP項目地質(zhì)特性，管溝開挖主要采用爆破、鏈?zhǔn)酵诰驒C、鑿巖機、單斗式挖溝機等相結(jié)合的施工方法，本文通過對這幾種開挖方法的工效分析對比，探討施工經(jīng)驗，供類似項目參考。

2.管溝及開挖方法特點

2.1.管溝施工流程

測量放線-管溝開挖(爆破)-清溝-管溝測量-整改-下溝-竣工測量。管溝開挖一般采用挖掘機械(爆破)進行管溝開挖，并按照管溝中心線、管溝開挖邊線、管溝底寬、管溝開挖深度等進行管溝開挖作業(yè)。土壤的物理力學(xué)性能是影響管溝開挖的主要因素[2]。

2.2.管溝特點

根據(jù)設(shè)計圖紙要求，管溝分為沙土段和巖石段兩種類型，基于項目地質(zhì)特點，整個管溝中約247 km符合巖石段管溝標(biāo)準(zhǔn)，僅有約60 km 管溝符合沙土段管溝標(biāo)準(zhǔn)。兩種管溝設(shè)計詳見圖1與圖2[3]：

1)巖石段管溝

Figure 1.Typical rockpad detail 圖1.巖石段管溝典型圖

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件為巖石(硬度大于等于70 MPa)時，采用巖石段管溝典型圖進行開溝。巖石段管溝截面為矩形，溝深≥ 管道直徑D+ 管底距溝底最小距離200 mm + 管頂距地面最小距離200 mm，溝寬≥ 管道直徑D+ 2×管側(cè)距溝邊緣最小距離300 mm，以φ914 mm 主管道為例，經(jīng)過計算，溝深應(yīng)不小于1.31 m，溝寬應(yīng)不小于1.5 m。

2)沙土段管溝

Figure 2.Typical sand pad detail 圖2.沙土段管溝典型圖

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件為沙土、沙土混合碎石(硬度小于70 MPa)時，采用沙土段管溝典型圖進行開溝。沙土段管溝截面為等腰梯形，溝深≥ 管道直徑D+ 管底距溝底最小距離200 mm + 管頂距地面最小距離450 mm，底部溝寬≥ 管道直徑D+ 400 mm，頂部溝寬≥ 管道直徑D+ 1200 mm，以φ914 mm 主管道為例，經(jīng)過計算，溝深應(yīng)不小于1.56 m，底部溝寬應(yīng)不小于1.31 m，頂部溝寬應(yīng)不小于2.11 m。

2.3.開挖方法簡介及優(yōu)缺點分析

1)爆破

根據(jù)沙特阿美標(biāo)準(zhǔn)，距離在役管道20米外允許爆破施工，經(jīng)過地質(zhì)勘探，F(xiàn)FP項目大部分管溝可采用爆破方法進行開溝。合理布置炮孔后，采用潛孔鉆進行打孔，向孔中放入定量的爆破雷管，實現(xiàn)管溝定向爆破，達到管溝硬巖破裂、松動，使用液壓式鑿巖機將較大巖石打碎，單斗式挖掘機將爆破后的碎石從管溝中清除。FFP項目大部分管溝是70 MPa 以上硬巖，采用單斗挖掘機、液壓鑿巖機、鏈?zhǔn)介_溝機等設(shè)備進行開挖的施工效率較低，且機械磨損嚴(yán)重，經(jīng)常進行維修保養(yǎng)，無法在規(guī)定工期內(nèi)完工。采用爆破方法開挖，有利于提高管溝開挖的施工效率，降低開挖及鑿巖設(shè)備磨損，縮短開挖工期，控制開挖施工成本[4][5][6][7][8]。

采用爆破方式僅能使溝內(nèi)巖石破裂或松動，需要液壓鑿巖機和挖掘機配合進行清溝，且管溝成型度不好，個別區(qū)段需要液壓鑿巖機進行二次修正。另外，在沙特地區(qū)進行巖石爆破施工，需要當(dāng)?shù)卣跋嚓P(guān)許可部門頒發(fā)許可后方可施工，許可辦理周期約為2個月?，F(xiàn)場爆破詳見圖3。

Figure 3.Blasting site 圖3.爆破現(xiàn)場

2)鏈?zhǔn)介_溝機

FFP項目部分管段距離在役管道過近，無法滿足爆破條件，只能采用機械設(shè)備開挖。對于硬度較高、無法滿足爆破條件的管段，使用鏈?zhǔn)介_溝機進行開溝。開溝機采用單斗刮刀式開溝器，開溝寬度為1.5米，開溝深度可調(diào)，最大開溝深度為3米，可獨立完成開溝工作，無需配套挖掘機等設(shè)備。鏈?zhǔn)介_溝機的施工工效較高，設(shè)備維護保養(yǎng)周期較長，機械磨損程度一般，是機械開挖的最佳選擇。但沙特的設(shè)備租賃資源嚴(yán)重緊缺，能夠提供鏈?zhǔn)介_溝機租賃服務(wù)的供應(yīng)商數(shù)量少[9]。

采用鏈?zhǔn)介_溝機進行管溝開挖，管溝成型度高，基本滿足沙特阿美設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，且在開挖過程中將碎石從溝內(nèi)清出，無需二次清溝。現(xiàn)場施工詳見圖4。

Figure 4.Chain trencher 圖4.鏈?zhǔn)介_溝機

3)液壓式鑿巖機

對于巖石硬度在70 MPa 左右的巖石段，可采用鑿巖機進行管溝開挖，配合單斗式挖掘機進行管溝清理。雖然沙特的液壓式鑿巖機租賃資源較多，基本能夠滿足施工需求數(shù)量，但使用鑿巖機進行管溝開挖的施工效率非常低，部分結(jié)構(gòu)及零件使用壽命短，需要經(jīng)常維護保養(yǎng)。施工過程中，要充分考慮這一因素，選擇多家租賃商，防止施工中出現(xiàn)窩工的現(xiàn)象[10][11]。

采用鑿巖機進行管溝開挖，管溝成型度較高，基本滿足阿美設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在開挖過程中需配備單斗挖掘機進行溝內(nèi)清理。現(xiàn)場鑿巖施工詳見圖5。

Figure 5.Hydraulic breaking hammer 圖5.液壓鑿巖機

4)單斗式挖掘機

對于沙土段及低硬度巖石段管溝，采用單斗式挖掘機進行開挖。沙特的單斗式挖掘機租賃資源非常多，基本能夠滿足施工需求數(shù)量，但使用單斗式挖掘機進行管溝開挖的施工效率較低，且沙特施工現(xiàn)場氣候條件惡劣，機械磨損速度較快，需要經(jīng)常維護保養(yǎng)。單斗開挖施工詳見圖6。

Figure6.Single bucket excavator 圖6.單斗式挖掘機

3.開挖工效及成本對比分析

以FFP項目φ914 mm 主管道管溝開挖為例，四種管溝開挖方法的工效對比詳見表1。

Table 1.Comparison of the working efficiency of four excavation methods 表1.四種管溝開挖方法工效對比

結(jié)合沙特市場形勢及施工現(xiàn)場情況，合理優(yōu)化四種管溝開挖資源配置，以完成10 km 管溝開挖為例，通過計算，四種管溝開挖的施工用時對比詳見表2。

爆破、鏈?zhǔn)介_溝機、液壓式鑿巖機三種方法進行巖石段管溝開挖的成本及施工用時依次升高，使用爆破方式進行巖石段管溝開挖，施工費用相對較低，施工用時較短，最大程度地節(jié)省施工周期，更有效地推進整體施工進度。鏈?zhǔn)介_溝機可用于巖石段和較硬的沙土段管溝開挖，工效相對較高，管溝成型較好。液壓式鑿巖機是沙特地區(qū)常見的開溝設(shè)備，雖然施工工效及成本相比于鏈?zhǔn)介_溝機和爆破較高，但是動遷較為方便、租賃資源多、施工靈活度較高，適用于短距離巖石段石方開挖。單斗式挖掘機無法完成巖石段開挖，僅適用于較軟的沙土段管溝開挖施工。綜上所述，開挖地點位于巖石地段、且與在役管道的距離大于20米的情況下，建議采用爆破方式進行管溝開挖。無法進行石方爆破作業(yè)的管溝區(qū)域，首選鏈?zhǔn)介_溝機進行作業(yè)施工。短距離巖石段管溝開挖，可考慮使用液壓式鑿巖機進行施工。沙土段管溝開挖建議使用單斗式挖掘機進行作業(yè)施工。

Table 2.Comparison of excavation cost and construction time of four kinds of trench 表2.四種管溝開挖施工用時及成本對比

4.結(jié)論

針對沙特哈拉德地區(qū)的地質(zhì)主要以沙礫堅土和巖石為主、少量地區(qū)地質(zhì)為沙土的特殊地質(zhì)狀況，項目部制定不同的開挖方案：

1)石方段：優(yōu)先采用爆破+ 液壓式鑿巖機配合清理的施工方法，其次采用鏈?zhǔn)介_溝機開挖，再次采用液壓式鑿巖機開挖的施工方法；

2)沙礫堅土段：優(yōu)先采用鏈?zhǔn)介_溝機開挖，再次采用液壓式鑿巖機開挖的施工方法；

3)沙土段段：優(yōu)先采用單斗式挖掘機，土壤的承載力足夠大時，可以采用鏈?zhǔn)介_溝機開挖。

FFP 項目在管溝開挖前，項目部組織專人及設(shè)備對管道全線進行勘測，獲得詳細的地質(zhì)資料，合理安排爆破、鏈?zhǔn)介_溝機、液壓式鑿巖機、單斗挖溝機的管溝開挖區(qū)段，管溝施工滿足沙特阿美質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并在安全、經(jīng)濟以及進度方面取得了良好的效果。