高水位地區(qū)有限作業(yè)空間條件下道路穿越直鋪管技術(shù)的應(yīng)用
——以中石油管道局沙特拉斯坦努拉管道EPC 項(xiàng)目道路穿越為例

宋章喜，孟獻(xiàn)強(qiáng)，王宏偉，劉高生，崔進(jìn)杰

中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

1. 引言

沙特拉斯坦努拉管道工程項(xiàng)目位于沙特阿拉伯東部，項(xiàng)目業(yè)主為沙特阿美石油公司。管線(xiàn)RTJ-5 為該項(xiàng)目的一條新建管道，管徑為46"，位于阿美在役管廊帶內(nèi)，該管線(xiàn)在最終進(jìn)入拉斯坦努拉煉廠(chǎng)時(shí)，需穿越瀝青道路兩條，分別為煉廠(chǎng)進(jìn)出主干道及煉廠(chǎng)內(nèi)安保巡邏道路。拉斯坦努拉煉廠(chǎng)為沙特阿美最大煉廠(chǎng)，其安保等級(jí)最高，作業(yè)許可程序極其苛刻、繁瑣，尤其是涉及到煉廠(chǎng)內(nèi)吊裝、地下水排放的一些作業(yè)活動(dòng)。另外，煉廠(chǎng)內(nèi)設(shè)備設(shè)施多，RTJ-5 管道兩側(cè)均緊鄰多條在役管道，且緊挨站內(nèi)一管線(xiàn)發(fā)球區(qū)，作業(yè)空間有限。為確保項(xiàng)目的順利實(shí)施，在綜合考量工期、成本、施工可行性等方面的因素后，確定使用直鋪管施工技術(shù)，依托該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)單側(cè)持續(xù)頂進(jìn)完成穿越的特點(diǎn)，既避免了煉廠(chǎng)內(nèi)地下水排放，也最大限度地減少了煉廠(chǎng)內(nèi)的施工作業(yè)活動(dòng)。

2. 穿越路由優(yōu)化

2.1. 測(cè)量放線(xiàn)

依據(jù)圖紙進(jìn)行測(cè)量放線(xiàn)，定位出管道中心線(xiàn)，并測(cè)繪出兩條道路路面及路基高程信息。

2.2. 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

重點(diǎn)踏勘施工設(shè)備、管材的進(jìn)場(chǎng)道路，管線(xiàn)兩側(cè)的地上、地下障礙物，煉廠(chǎng)內(nèi)外的作業(yè)空間等信息。

2.3. 優(yōu)化路由

以有利施工、盡量縮短穿越長(zhǎng)度為原則，優(yōu)化并確定路由，詳見(jiàn)圖1、圖2。如：保證新建管道與在役管道中心線(xiàn)的間距大于10 米，避免吊裝時(shí)對(duì)一級(jí)起重工的使用。

Figure 1. Draft pipeline alignment base on Google Earth 圖1. 基于谷歌地圖的路由優(yōu)化

Figure 2. Pipeline alignment base on detailed survey 圖2. 基于實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的路由優(yōu)化

3. 穿越方案確認(rèn)

通過(guò)測(cè)量放線(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)踏勘及地勘報(bào)告分析，可以使用的道路穿越方式有，定向鉆穿越、頂管穿越及直鋪管穿越。

3.1. 定向鉆穿越

穿越長(zhǎng)度較長(zhǎng)，穿越深度深，出入土點(diǎn)的角度大，可一次完成兩條道路穿越。但是，煉廠(chǎng)內(nèi)外需要同時(shí)進(jìn)行作業(yè)活動(dòng)，煉廠(chǎng)內(nèi)空間有限，需設(shè)置鉆機(jī)，鉆機(jī)側(cè)還需要設(shè)置泥漿池，每天吊裝作業(yè)，需要一級(jí)起重工，施工成本高，且煉廠(chǎng)內(nèi)許可不穩(wěn)定，工期無(wú)法保證。

3.2. 頂管穿越

兩條道路分別使用微型盾構(gòu)頂管施工，兩條道路中間約350 米，可使用溝下焊接的方式進(jìn)行安裝。煉廠(chǎng)內(nèi)外需要同時(shí)作業(yè)，以煉廠(chǎng)內(nèi)施工作業(yè)為主，且需要24 小時(shí)降水，煉廠(chǎng)內(nèi)需設(shè)置臨時(shí)儲(chǔ)水罐，使用水罐車(chē)不間斷拉運(yùn)出煉廠(chǎng)，吊裝作業(yè)需要一級(jí)起重工，施工成本高，且煉廠(chǎng)內(nèi)許可不穩(wěn)定，工期無(wú)法保證。

3.3. 直鋪管穿越

穿越長(zhǎng)度較長(zhǎng)，穿越深度較淺，出入土點(diǎn)的角度小，可一次完成兩條道路穿越。僅需在煉廠(chǎng)外設(shè)置發(fā)送基坑，即可完成穿越，待穿越完成后，進(jìn)入煉廠(chǎng)內(nèi)將掘進(jìn)機(jī)頭切割、吊運(yùn)出來(lái)。施工作業(yè)基本在煉廠(chǎng)外，施工成本、工期可控。

3.4. 方案確定

通過(guò)以上比對(duì)，確定使用直鋪管施工技術(shù)。

4. 施工工藝流程

直接鋪管施工的主要工作包含：始發(fā)基坑制作，包括推管機(jī)地錨安裝；設(shè)備安裝：包括推管機(jī)、始發(fā)托架、掘進(jìn)機(jī)、管道夾緊器、控制室、電力室、泥水分離系統(tǒng)安裝等。系統(tǒng)連接及整體系統(tǒng)調(diào)試：包括液壓、電氣、測(cè)量、泥漿循環(huán)和潤(rùn)滑注漿等各系統(tǒng)的連接及功能測(cè)試。始發(fā)掘進(jìn)和正常掘進(jìn)：包括掘進(jìn)出渣和管路電纜移位，沿線(xiàn)管路電纜巡查。施工工藝流程詳見(jiàn)圖3。

Figure 3. Construction process for DP 圖3. 直鋪管施工工藝流程

5. 施工技術(shù)要點(diǎn)

5.1. 確定穿越曲線(xiàn)

依據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告、設(shè)備性能、沙特阿美對(duì)道路非開(kāi)挖穿越規(guī)范[1]及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，確定直鋪管穿越曲線(xiàn)，詳見(jiàn)圖4，道路穿越處埋深約6.3 米、入土點(diǎn)角度為2°、出土點(diǎn)角度為1°，整體穿越長(zhǎng)度為450 米。

Figure 4. Reference for the direct pipeline crossing profile 圖4. 直鋪管穿越曲線(xiàn)示意圖

5.2. 穿越方案報(bào)批及相關(guān)許可辦理

5.2.1. 穿越包報(bào)批

包括地勘報(bào)告、鋼板樁支護(hù)方案、井點(diǎn)降水方案、開(kāi)挖方案、耐磨層施工方案、微型盾構(gòu)穿越方案、施工圖紙等報(bào)業(yè)主及相關(guān)第三方如拉斯坦努煉廠(chǎng)進(jìn)行批復(fù)。

5.2.2. 道路穿越許可辦理

包括路政許可、光纜、電纜(地上/地下)及在役管道等。

5.3. 場(chǎng)地準(zhǔn)備

5.3.1. 場(chǎng)地平整

始發(fā)基坑工作場(chǎng)地采用挖掘機(jī)進(jìn)行平整后，滿(mǎn)足吊車(chē)吊裝作業(yè)要求和施工車(chē)輛進(jìn)出場(chǎng)要求。

5.3.2. 沉淀池

在預(yù)制管道作業(yè)帶外側(cè)，距離始發(fā)基坑約100 m 處，設(shè)置1 處長(zhǎng)10 m、寬6 m、深1.5 m 場(chǎng)地，作為廢棄泥漿沉淀池。內(nèi)部鋪設(shè)塑料布，防止泥漿滲漏到地層，沉淀池周?chē)捎糜卜雷o(hù)。

5.3.3. 始發(fā)基坑

根據(jù)施工實(shí)際需求，設(shè)置長(zhǎng)20 米、寬7 米、深4.5 米的始發(fā)基坑，詳見(jiàn)圖5。待基坑開(kāi)挖完成后，在基坑底部澆筑深1 米的混凝土，作為設(shè)備的地錨。由于地下水位較高，需使用鋼板樁支護(hù)及井點(diǎn)降水進(jìn)行水位控制，詳見(jiàn)圖6。

5.4. 耐磨層施工及穿越管預(yù)制

5.4.1. 耐磨層施工

為確保管材的防腐層在掘進(jìn)過(guò)程中不被損壞，需在防腐層外面進(jìn)行耐磨層保護(hù)，耐磨層安裝需嚴(yán)格按照批復(fù)的施工方案進(jìn)行，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依次進(jìn)行硬度檢測(cè)、電火花檢測(cè)、厚度檢測(cè)[2]。

Figure 5. Launching pit 圖5. 始發(fā)基坑示意圖

Figure 6. Sheet piling & dewatering 圖6. 鋼板樁支護(hù)及井點(diǎn)降水

5.4.2. 穿越管預(yù)制

在始發(fā)基坑后側(cè)，沿管道中心線(xiàn)，按照業(yè)主批復(fù)焊接工藝規(guī)范，預(yù)制長(zhǎng)450 米的穿越管，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊口進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)合格后，依次對(duì)焊道進(jìn)行防腐及耐磨層施工。

5.5. 基坑內(nèi)設(shè)備和地面附屬設(shè)備安裝

5.5.1. 推管機(jī)底座安裝固定

推管機(jī)的底座分為左右兩個(gè)主要部分，需安裝和固定在始發(fā)基坑底部的地錨上。底座的每個(gè)部分可單獨(dú)用吊車(chē)吊入始發(fā)基坑進(jìn)行安裝。單側(cè)底座及推進(jìn)油缸安裝詳見(jiàn)圖7，底座固定詳見(jiàn)圖8。

Figure 7. Installation of the hydraulic cylinder 圖7. 單側(cè)底座及推進(jìn)油缸

Figure 8. Fixation of the base frame 圖8. 垂直方向底座固定

5.5.2. 安裝發(fā)送導(dǎo)軌和防翻轉(zhuǎn)裝置

將發(fā)送導(dǎo)軌吊入基坑內(nèi)，放置在兩推進(jìn)油缸底座之間，根據(jù)入土角度，調(diào)整導(dǎo)軌底部的液壓油缸，使發(fā)送導(dǎo)軌傾斜角度與設(shè)計(jì)入土角度一致，詳見(jiàn)圖9。

防翻轉(zhuǎn)裝置一端固定在發(fā)送導(dǎo)軌上，另一端固定在前端底座軸承上，根據(jù)入土角度調(diào)整底座軸承高度，詳見(jiàn)圖10。通過(guò)防翻轉(zhuǎn)裝置可防止推管機(jī)的夾緊器與管道/掘進(jìn)機(jī)一起發(fā)生翻滾偏轉(zhuǎn)。

Figure 9. Installation of the launch cradle 圖9. 發(fā)送導(dǎo)軌安裝

Figure 10. Installation of the antiroll unit 圖10. 防翻轉(zhuǎn)裝置安裝

5.5.3. 安裝掘進(jìn)機(jī)

掘進(jìn)機(jī)的安裝采用分節(jié)吊裝，然后組裝就位，整體始發(fā)的方式進(jìn)行。掘進(jìn)機(jī)共分4 節(jié)，先將前三節(jié)主機(jī)依次吊裝至發(fā)送軌道，再將第四節(jié)主機(jī)與預(yù)制管道焊接連接后，整體與前三節(jié)主機(jī)進(jìn)行機(jī)械連接，詳見(jiàn)圖11、圖12、圖13。其中1#主機(jī)包括刀盤(pán)、主驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)向油缸、陀螺儀和高程傳感器測(cè)量裝置。2#主機(jī)包括主驅(qū)動(dòng)液壓泵、電機(jī)、油箱和冷卻液水箱等。主機(jī)安裝完成后進(jìn)行外部插接和內(nèi)部管路、線(xiàn)纜連接。

Figure 11. Complete direct pipe- machine with 2 cans 圖11. 掘進(jìn)機(jī)整體示意圖

Figure 12. Installation for the first three parts of the pipe thrusting unit 圖12. 前三節(jié)主機(jī)安裝

Figure 13. Installation for the fourth part of the pipe thrusting unit 圖13. 第四節(jié)主機(jī)安裝

5.5.4. 安裝附屬配套設(shè)備設(shè)施

直鋪管機(jī)的主要配套設(shè)備設(shè)施包括洞門(mén)密封、控制室、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、潤(rùn)滑注漿系統(tǒng)、管道內(nèi)外管路和線(xiàn)纜連接等。控制室詳見(jiàn)圖14，泥漿循環(huán)系統(tǒng)安裝詳見(jiàn)圖15。

Figure 14. Installation of the control cabin 圖14. 控制室安裝

Figure 15. Installation of the mud recycling system 圖15. 泥漿系統(tǒng)安裝

5.5.5. 安裝管道夾緊器

推管機(jī)夾管器采用42 寸的夾具，安裝時(shí)將夾具上的液壓閉合油缸啟動(dòng)，開(kāi)口油缸打開(kāi)夾具，夾住管道，詳見(jiàn)圖16。

Figure 16. Installation of the clamping unit on the pipeline 圖16. 管道夾緊器安裝

5.5.6. 整體系統(tǒng)功能測(cè)試

直鋪管機(jī)整套系統(tǒng)安裝完成后，所有功能應(yīng)在作業(yè)前進(jìn)行功能測(cè)試。包括所有液壓、電氣、泥漿系統(tǒng)和啟動(dòng)機(jī)制，測(cè)試所有功能是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。尤其是對(duì)泥漿循環(huán)系統(tǒng)和潤(rùn)滑注漿系統(tǒng)進(jìn)行加壓檢測(cè)管路和閥門(mén)有無(wú)滲漏點(diǎn)。

5.6. 掘進(jìn)施工

5.6.1. 洞門(mén)鋼板割除

掘進(jìn)前，先將洞門(mén)內(nèi)側(cè)鋼板進(jìn)行切割割除，割除時(shí)注意保護(hù)洞門(mén)密封的橡膠板不被破壞。

5.6.2. 刀盤(pán)進(jìn)入密封

利用推管機(jī)推進(jìn)油缸，緩慢將掘進(jìn)機(jī)向洞門(mén)方向推進(jìn)。刀盤(pán)即將到達(dá)密封部位時(shí)停止推進(jìn)。調(diào)整扇形密封壓板的位置，使扇形壓板形成的圓環(huán)直徑大于刀盤(pán)直徑，保證刀盤(pán)能夠通過(guò)，同時(shí)用潤(rùn)滑脂涂抹密封圈，對(duì)密封部位進(jìn)行潤(rùn)滑，以防止密封圈的磨損和損壞。調(diào)整結(jié)束后，繼續(xù)啟動(dòng)液壓油缸推動(dòng)掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)。緩慢將刀盤(pán)推入洞門(mén)密封圈內(nèi)，將刀盤(pán)頂入至洞門(mén)外側(cè)鋼板時(shí)，用吊車(chē)將洞門(mén)外側(cè)鋼板拔除，檢查洞門(mén)橡膠密封是否完好。

當(dāng)一切檢查無(wú)誤后，始發(fā)基坑內(nèi)操作人員與井上控制室直鋪管司機(jī)進(jìn)行溝通，控制推進(jìn)速度，確保直鋪管機(jī)姿態(tài)不發(fā)生變化。

5.6.3. 始發(fā)段掘進(jìn)

將前30 m 作為始發(fā)掘進(jìn)段。通過(guò)始發(fā)段掘進(jìn)，熟練掌握地層掘進(jìn)參數(shù)的控制；在開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)應(yīng)使刀盤(pán)慢速旋轉(zhuǎn)，且要正、反向交替旋轉(zhuǎn)，使掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)平穩(wěn)。在掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)地表的監(jiān)測(cè)信息對(duì)泥水壓力設(shè)定值以及掘進(jìn)速度等施工參數(shù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

5.6.4. 正常掘進(jìn)

為了防止掘進(jìn)對(duì)地面產(chǎn)生隆沉影響，防止施工影響范圍內(nèi)的地層開(kāi)裂和變形，必須規(guī)范操作并選擇適當(dāng)?shù)捻斶M(jìn)參數(shù)，減小地層壓力損失，將地表隆沉控制在允許的范圍內(nèi)。

3104鋁合金中主要添加元素為錳，在提高合金力學(xué)性能的同時(shí)又不會(huì)降低合金的抗蝕性.但鋁錳合金在半連續(xù)鑄造時(shí)晶內(nèi)偏析較為嚴(yán)重，所以需要對(duì)其進(jìn)行均勻化處理.溫度、均勻化時(shí)間、枝晶尺寸、擴(kuò)散時(shí)間都是影響均勻化效果的重要因素[11].3104鋁合金在均勻化過(guò)程中會(huì)析出一定數(shù)量的Al12Mn3Si彌散相，而彌散相的尺寸和分布會(huì)影響熱軋過(guò)程中再結(jié)晶晶粒的形核和長(zhǎng)大，從而影響再結(jié)晶織構(gòu)與冷軋織構(gòu)的配比[12].

通過(guò)計(jì)算，得出理論開(kāi)挖土量，泥水處理人員通過(guò)測(cè)量實(shí)際出渣量，與理論開(kāi)挖土量進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，防止出現(xiàn)超挖或欠挖。

預(yù)計(jì)直鋪管掘進(jìn)機(jī)最大頂力載荷計(jì)算：

項(xiàng)目施工使用HK500PT 推管機(jī)施工，鋪設(shè)46"管道，鋪管機(jī)開(kāi)挖直徑1303 mm，管道直徑1168 mm。

曲線(xiàn)段推進(jìn)力公式[3]

式中： Fn——推進(jìn)力，kN；

n——曲線(xiàn)段推進(jìn)施工所采用的管道數(shù)量(450 m，38 根)；

F′——作用于單根管道上的摩阻力，kN。

L 為曲線(xiàn)弧長(zhǎng)：450 m；r 為曲率半徑：11,800 m；Φ 為內(nèi)摩擦角34°

α = πr/l = 3.14 × 11800/450 = 82.33°每根管道所對(duì)應(yīng)的圓心角82.33°/38 = 2.16°

當(dāng)觸變泥漿技術(shù)可靠，管道外端形成和保持穩(wěn)定的泥漿套：則砂層管道的外壁平均摩阻力可降至為1～2 KN/m2。

最大推進(jìn)力：

因此，直鋪管掘進(jìn)需要最大推進(jìn)力為4354.97 KN，推管機(jī)能提供推力為5000 KN，滿(mǎn)足本工程掘進(jìn)所需推力。

5.6.5. 泥漿環(huán)流控制

泥水壓力一般根據(jù)所掘進(jìn)地層的實(shí)際情況決定，主要是深度(地下水壓力)、滲透系數(shù)、松散情況和滲水量決定。在正常工作狀態(tài)下，泥水壓力是通過(guò)設(shè)置在地面上的供漿泵、設(shè)置在管道內(nèi)的排漿泵轉(zhuǎn)速變化來(lái)改變輸入流量和輸出流量，由此來(lái)控制刀盤(pán)艙中的泥水壓力，使泥水壓力與開(kāi)挖面上的水、土壓力保持平衡。一般情況下，泥水壓力控制值為：

其中：

P——掘進(jìn)機(jī)泥水控制壓力；

P0——掘進(jìn)機(jī)所在地層水、土壓力合成值。

同時(shí)，在掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)情況、埋深情況和地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。在破碎帶、斷裂帶地層頂進(jìn)，為防止躥漿，P0 值可大于P 值0.1 bar。

5.6.6. 掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)向糾偏控制

直鋪管機(jī)采用陀螺導(dǎo)向自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，始發(fā)掘進(jìn)前將設(shè)計(jì)掘進(jìn)進(jìn)路線(xiàn)參數(shù)預(yù)先輸入計(jì)算機(jī)，在推進(jìn)過(guò)程中跟蹤測(cè)量，將測(cè)量參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞到計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，比較實(shí)際頂進(jìn)路線(xiàn)與設(shè)計(jì)路線(xiàn)，并將處理結(jié)果以直觀(guān)方式反饋到直鋪管操作臺(tái)，通過(guò)顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制導(dǎo)向油缸，使直鋪管掘進(jìn)機(jī)沿著軸線(xiàn)方向前進(jìn)，直至完成穿越。

5.7. 掘進(jìn)機(jī)接收與拆除

當(dāng)主機(jī)到達(dá)出土點(diǎn)后(詳見(jiàn)圖17)，使用挖掘機(jī)進(jìn)行反向開(kāi)挖，管道外露出6 m，即開(kāi)始拆除主機(jī)。通過(guò)盾體上的開(kāi)口處進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行管路、線(xiàn)纜斷開(kāi)，斷開(kāi)連接接頭。然后使用火焰切割機(jī)將4#主機(jī)與管道割開(kāi)，用吊車(chē)將掘進(jìn)機(jī)分節(jié)吊離。

Figure 17. Thrusting unit reach the exit pit 圖17. 掘進(jìn)機(jī)到達(dá)出土點(diǎn)

5.8. 發(fā)送基坑設(shè)備拆除

拆除管道內(nèi)的電纜及管匯，發(fā)送基坑設(shè)備拆除、退場(chǎng)。

6. 總結(jié)

直鋪管施工技術(shù)通過(guò)推管機(jī)推送、微型盾構(gòu)掘進(jìn)及泥漿循環(huán)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)穿越管道從單側(cè)進(jìn)行持續(xù)的推進(jìn)，直至到達(dá)出土點(diǎn)。其可單側(cè)持續(xù)頂進(jìn)的施工特點(diǎn)，對(duì)某些特定的施工難點(diǎn)，如煉廠(chǎng)內(nèi)作業(yè)空間限制、作業(yè)許可苛刻等，在節(jié)省項(xiàng)目工期、成本方面，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。