淺談沙特哈拉德地區(qū)的管溝開挖方法

武保安，李經(jīng)緯，李棟，王海皎

中國(guó)石油管道局工程有限公司，河北 廊坊

1.引言

管溝開挖是長(zhǎng)輸管道建設(shè)的基礎(chǔ)施工，也是決定項(xiàng)目施工進(jìn)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(jìn)度。沙特哈拉德天然氣管道項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱“FFP項(xiàng)目”)設(shè)計(jì)線路總計(jì)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(chǎng)、閥室、陰保、模擬遠(yuǎn)程報(bào)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(xiàng)目之一。FFP項(xiàng)目執(zhí)行沙特阿美標(biāo)準(zhǔn)，施工現(xiàn)場(chǎng)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(dá)到70 MPa 以上，管溝開挖施工成為項(xiàng)目整體進(jìn)度的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

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

2.管溝及開挖方法特點(diǎn)

2.1.管溝施工流程

測(cè)量放線-管溝開挖(爆破)-清溝-管溝測(cè)量-整改-下溝-竣工測(cè)量。管溝開挖一般采用挖掘機(jī)械(爆破)進(jìn)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(jìn)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(diǎn)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，管溝分為沙土段和巖石段兩種類型，基于項(xiàng)目地質(zhì)特點(diǎn)，整個(gè)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(jì)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(shí)，采用巖石段管溝典型圖進(jìn)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(jì)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(shí)，采用沙土段管溝典型圖進(jìn)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(jì)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(jiǎn)介及優(yōu)缺點(diǎn)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(xiàng)目大部分管溝可采用爆破方法進(jìn)行開溝。合理布置炮孔后，采用潛孔鉆進(jìn)行打孔，向孔中放入定量的爆破雷管，實(shí)現(xiàn)管溝定向爆破，達(dá)到管溝硬巖破裂、松動(dòng)，使用液壓式鑿巖機(jī)將較大巖石打碎，單斗式挖掘機(jī)將爆破后的碎石從管溝中清除。FFP項(xiàng)目大部分管溝是70 MPa 以上硬巖，采用單斗挖掘機(jī)、液壓鑿巖機(jī)、鏈?zhǔn)介_溝機(jī)等設(shè)備進(jìn)行開挖的施工效率較低，且機(jī)械磨損嚴(yán)重，經(jīng)常進(jìn)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(dòng)，需要液壓鑿巖機(jī)和挖掘機(jī)配合進(jìn)行清溝，且管溝成型度不好，個(gè)別區(qū)段需要液壓鑿巖機(jī)進(jìn)行二次修正。另外，在沙特地區(qū)進(jìn)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(gè)月?，F(xiàn)場(chǎng)爆破詳見圖3。

Figure 3.Blasting site 圖3.爆破現(xiàn)場(chǎng)

2)鏈?zhǔn)介_溝機(jī)

FFP項(xiàng)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(jī)械設(shè)備開挖。對(duì)于硬度較高、無法滿足爆破條件的管段，使用鏈?zhǔn)介_溝機(jī)進(jìn)行開溝。開溝機(jī)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(dú)立完成開溝工作，無需配套挖掘機(jī)等設(shè)備。鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的施工工效較高，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)周期較長(zhǎng)，機(jī)械磨損程度一般，是機(jī)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(jī)租賃服務(wù)的供應(yīng)商數(shù)量少[9]。

采用鏈?zhǔn)介_溝機(jī)進(jìn)行管溝開挖，管溝成型度高，基本滿足沙特阿美設(shè)計(jì)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(chǎng)施工詳見圖4。

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

3)液壓式鑿巖機(jī)

對(duì)于巖石硬度在70 MPa 左右的巖石段，可采用鑿巖機(jī)進(jìn)行管溝開挖，配合單斗式挖掘機(jī)進(jìn)行管溝清理。雖然沙特的液壓式鑿巖機(jī)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(jī)進(jìn)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(hù)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(jī)進(jìn)行管溝開挖，管溝成型度較高，基本滿足阿美設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在開挖過程中需配備單斗挖掘機(jī)進(jìn)行溝內(nèi)清理?，F(xiàn)場(chǎng)鑿巖施工詳見圖5。

Figure 5.Hydraulic breaking hammer 圖5.液壓鑿巖機(jī)

4)單斗式挖掘機(jī)

對(duì)于沙土段及低硬度巖石段管溝，采用單斗式挖掘機(jī)進(jìn)行開挖。沙特的單斗式挖掘機(jī)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(jī)進(jìn)行管溝開挖的施工效率較低，且沙特施工現(xiàn)場(chǎng)氣候條件惡劣，機(jī)械磨損速度較快，需要經(jīng)常維護(hù)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(jī)

3.開挖工效及成本對(duì)比分析

以FFP項(xiàng)目φ914 mm 主管道管溝開挖為例，四種管溝開挖方法的工效對(duì)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(duì)比

結(jié)合沙特市場(chǎng)形勢(shì)及施工現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算，四種管溝開挖的施工用時(shí)對(duì)比詳見表2。

爆破、鏈?zhǔn)介_溝機(jī)、液壓式鑿巖機(jī)三種方法進(jìn)行巖石段管溝開挖的成本及施工用時(shí)依次升高，使用爆破方式進(jìn)行巖石段管溝開挖，施工費(fèi)用相對(duì)較低，施工用時(shí)較短，最大程度地節(jié)省施工周期，更有效地推進(jìn)整體施工進(jìn)度。鏈?zhǔn)介_溝機(jī)可用于巖石段和較硬的沙土段管溝開挖，工效相對(duì)較高，管溝成型較好。液壓式鑿巖機(jī)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(jī)和爆破較高，但是動(dòng)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(jī)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(diǎn)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(jìn)行管溝開挖。無法進(jìn)行石方爆破作業(yè)的管溝區(qū)域，首選鏈?zhǔn)介_溝機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)行施工。沙土段管溝開挖建議使用單斗式挖掘機(jī)進(jìn)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(shí)及成本對(duì)比

4.結(jié)論

針對(duì)沙特哈拉德地區(qū)的地質(zhì)主要以沙礫堅(jiān)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(xiàng)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(jī)配合清理的施工方法，其次采用鏈?zhǔn)介_溝機(jī)開挖，再次采用液壓式鑿巖機(jī)開挖的施工方法；

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

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

FFP 項(xiàng)目在管溝開挖前，項(xiàng)目部組織專人及設(shè)備對(duì)管道全線進(jìn)行勘測(cè)，獲得詳細(xì)的地質(zhì)資料，合理安排爆破、鏈?zhǔn)介_溝機(jī)、液壓式鑿巖機(jī)、單斗挖溝機(jī)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(jì)以及進(jìn)度方面取得了良好的效果。