市政工程水平定向钻机安全评估技术与应用

郑 军，钱建云，方名豪

（1.上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032；2.上海建筑机械安全智能控制工程技术研究中心，上海 200032；3.上海建科设备检测有限公司，上海 201506；4.上海市地下管线协会，上海 200232）

1 设备概况与安全评估需求

水平定向钻机作为一种非开挖设备，在光纤通信、给排水管道、煤气管道、电气线路、热力管道敷设等市政工程方面有着重要的应用价值。采用水平定向钻机施工可以减少对城市环境和基础设施的干扰，提高工程施工的效率和质量，特别在一些重点城市，优选水平定向钻机实施的非开挖技术，已列入地方法规规章的范畴。部分大型城市推进水平定向钻机非开挖技术应用已有20多年的历史，同时随着城镇化规模的不断扩大及现代化建设进程的推进，在用水平定向钻机设备普遍呈现使用年限较长、使用频率较高的特点。

我国较大规模的市政工程，一般采取招标形式，业主单位通常希望投标的专业分包单位能确保施工过程的安全。相应水平定向钻机专业分包单位在应标过程中，有验证其设备完好度及安全管理水平是否符合招标要求的需求。这一验证行为由第三方专业机构实施方能体现出较为客观、公正的效果，也易于为业主单位接受。但在实际操作中，这一需求面临着两方面的现实问题：一是水平定向钻机不属于特种设备，管理上没有现场强制检验检测的规定，目前并无专门机构从事此类技术服务；二是水平定向钻机属于总体规模较小的机型，经查询，当前仅有行业标准JB/T 10548-2016《水平定向钻机》对其出厂检验及形式检验进行了规定，此两类检验均侧重于设备的设计指标测量。对于设备使用过程中的安全性评估方法，据查阅相关标准及文献，当前尚无明确涉及。

据上海市地下管线协会统计，上海市水平定向钻机设备保有量在500～600 台左右，其中90%的设备由民营企业持有。大多数专业分包单位（设备产权单位）设备持有量为2～3 台（企业注册资金300 万～500 万元）；能持有7～8 台设备（企业注册资金在1 000 万元以上）的已可算是头部企业了。这种低量小规模的现状，也导致了很多专业分包单位技术水平有限，对于水平定向钻机的自行检查及维护保养方面有所欠缺，管理水平也比较受限。此外，市政工程的水平定向钻机在施工过程中发生事故的概率不容忽视，大量早期投入使用的设备也宜有淘汰机制。

为解决专业分包单位对水平定向钻机设备安全性及安全管理水平进行验证的迫切需求，上海市地下管线协会联合本市专业机构，开展了水平定向钻机的安全评估技术研究，并将相关技术投入实际应用，以促进市政工程安全管理水平提升。

2 安全评估技术研究

2.1 设备登记

为确定水平定向钻机设备基本信息的准确性，避免施工管理中较为常见的“套牌”现象，宜对设备进行溯源管理，即通过设备登记预审设备基本资料，有助于评估工作的后续开展。

根据对当前水平定向钻机施工状况的调研，一般认为其最大主轴转矩及最大回拖力这2 个基本参数对设备作业能力的影响最大，这也是水平定向钻机相关标准要求必须标注在产品标牌上的参数信息。同时，为达到兼顾设备溯源及减少登记人员负担的因素，登记中除记录上述2 个参数及必要的设备制造单位、制造日期、联系人员信息外，还要求提供设备发票或销售合同、设备产品合格证或产品标牌、设备整机这3 项的照片。在评估实践中，此登记工作可以使用移动终端在微信小程序中轻松完成。

2.2 评估期限

水平定向钻机具有持续施工时间较长、受力工况复杂多变的特点，在上海市市政工程的应用中，通常出厂使用2 年以后设备开始出现各类问题，6 年后进入故障频发阶段。据此评估期限可确定为：自水平定向钻机出厂日期起未满2 周年的，可不进行安全评估；出厂日期满2 周年以上至6 周年的，每2 年应安全评估1 次；出厂日期满6 周年以上的，每年安全评估1 次。按此评估频次，设备产权单位可及时获知水平定向钻机的设备状况及现场安全管理水平，根据评估结果对设备进行合理处置，或对施工过程安全依规进行管控。

2.3 评估内容

现行国家标准GB/T 41344.1-2022《机械安全 风险预警 第1 部分：通则》指出，机械风险应综合考虑“人、机器、环境”三要素。按该标准的指导，并综合相关法规标准规定、设备现场使用状况调研、安全管理要求，本文分析了市政工程水平定向钻机使用中各方面的安全风险，并拟定了相应的评估项目及方法，如图1 所示。

由以上的评估项目可知，部分项目的实施在仓库或堆场等静置条件下是难以实现的。为充分排查现场施工中的实际安全隐患，水平定向钻机的安全评估工作原则上应在设备进场并具备作业条件时进行。

2.4 评估结果判定

对水平定向钻机各评估项目开展检查检测并做出判断后，为方便专业分包单位对设备及现场进行处理，并为施工相关单位提供评估验证结果，评估机构应给出整机评估结果判定。研究中将水平定向钻机的整机评估结果划分为合格与不合格两档，此种处理方法比较清晰明确，也便于相关单位理解。

关于水平定向钻机整机评估结果的合格判定方法，本文综合考虑各评估项目的实际检查情况，按发现问题时的危险性程度进行确定，具体按照作业条件危险性分析法（LEC 法）实施。该分析法对某一项目的危险性定量指标D，综合与风险有关的3 种因素指标值的乘积来评价，分别是：L（Likelihood，事故发生的可能性）、E（Exposure，暴露于危险环境中的频繁程度）和C（Consequence，一旦发生事故可能造成的后果）。一般情况下，L值由“实际不可能”、“极不可能”等至“完全可以预料”的程度，取值0.1～10；E值由“非常罕见暴露”、“每年几次暴露”等至“连续暴露”的程度，取值0.5～10；E值由“引人注意”、“重大，伤残”等至“10人以上死亡”的程度，取值1～100。按此分析方法，对各评估项目的L值、E值和C值根据工程经验进行确定后，即可计算得出D值（D=L×E×C），由D值的具体数值可明确具体项目的风险等级。为简化评估结果的处理，本文的研究中把评估项目按其D值风险等级进行划分，区别为一般项目和保证项目（表1）。

表1 评估项目按LEC法的性质划分

根据上述评估项目定性，如对水平定向钻机的评估中出现了任何保证项目不合格，即可认为风险不可接受，整机评估结果判定为不合格。同时，一般项目的不合格项数也不宜太多，按表1所示的4 级及5 级D值范围，一般项目的不合格项数大于3 项时各项累加得到的D值大致可达3级风险的数值范围，此时整机评估结果也应判定为不合格。

在进行水平定向钻机现场评估时，评估机构应与受检单位就评估项目不合格时的可修复性进行协商判别。综合两方的意见后，如果认为不合格项目有修复价值，评估机构可与受检单位约定复检时间，待其修复后进行复查。如果认为修复意义不大，特别是设备状况很差需要进行报废处理时，评估机构可以直接判定整机评估结果为不合格。如果复查后仍然无法满足合格要求，也可以判定整机评估结果为不合格。通过这样的评估处理方式，够为受检单位提供可行的处理方案和建议，便于安全隐患的排查与整改工作实施。

3 安全评估技术应用

按照本文所研究的安全评估技术，相关评估机构对市政工程中使用的水平定向钻机开展了安全评估工作。为提升客户体验，提升工作效率，评估工作全流程采用数字化模式，即“设备登记—设备审核—评估委托—现场评估—报告处置—财务处理—统计分析”全过程的处理均在信息化平台上完成。图2 为示例的水平定向钻机设备登记及现场评估原始记录登记专用App 界面。

图2 水平定向钻机设备登记及现场评估App界面示例

经对数十台水平定向钻机的安全评估实践，发现如下问题出现的频次是较高的，可判断为市政工程施工中的典型问题，应引起各方关注。

1）液压系统渗漏油 水平定向钻机的工作动力一般通过液压系统提供，液压相关部件长期承受较大的交变载荷作用，渗漏油的情况较为普遍。此问题不仅会导致水平定向钻机的动力指标下降，情况恶化时高压油液喷射也可能造成人员伤害，这在评估工作中是需作为保证项目加以控制的，对此问题必须进行修复处理，否则设备不宜继续使用。

2）桅杆系统部件磨损过大 桅杆系统是动力头总成在钻进/回拖过程中往复行走的载体，动力头承受的钻进/回拖阻力通过小车与导架之间的齿轮齿条啮合传递至桅杆，在长期的工作中齿轮齿条磨损难以避免。如该处磨损过大，会造成动力头工作不稳定；传动部件发展到破损、啮合脱离时，可能导致严重事故。这一项目也是为保证项目且出问题时必须修复的。

3）钻杆磨损严重 钻杆是水平定向钻机的重要工作部件，不仅杆身和连接丝扣需承受很大的作用力，其表面及内部还受到泥土岩石、泥浆渗水等的影响，存放不当也会产生自然腐蚀。现行国家标准GB/T 20904-2007《水平定向钻机 安全操作规程》规定，钻杆表面磨损量不得超过钻杆壁厚的15%。经评估工作的现场实际测量，发现钻杆磨损量超标的情况不在少数。据了解，很多专业分包单位出于节约成本的考虑，往往不能及时报废磨损量超标的钻杆，而是进行所谓的分类处理，即将磨损过大的钻杆区分开来，降级用于作业规格相对较小的场合。该分类处理方式具有相当随意性，易在作业过程中造成断杆废孔的事故，是不值得提倡的。

4）专项施工方案编制随意及缺失 为指导现场作业，专业分包单位应根据具体从事工程的特点编制水平定向钻机专项施工方案。评估工作中发现，大部分专项施工方案的内容具有雷同性，内容比较空泛，不能针对具体工程的地貌、地下管线分布、交通路况设施等制定专门应对措施。少数专业分包单位在规模较小的工程中还忽略了专项施工方案的编制。缺乏专业施工方案的指导易造成施工规划和实际操作的失误，也是造成地貌、已有管线破坏的重要原因，应引起相关单位的重视。

通过上述市政工程水平定向钻机的安全评估工作，评估机构就发现的问题现场向专业分包单位开具了书面通知书，专业分包单位一般也能积极做出响应，对设备安全问题和安全管理缺陷落实整改，及时消除各种隐患，从而达到了保障非开挖工程施工安全的工作目的。

4 结语

本文通过对市政工程水平定向钻机的安全评估方法研究，形成了一套涵盖“人、机器、环境”安全风险的评估技术，并将该评估技术采用全数字化的实施形式应用于工程实践中，取得了良好的效果，从而对市政工程非开挖工程施工安全管理水平的提升起到了积极的促进作用。关于水平定向钻机在非市政工程场合的应用，如地下石油管道敷设、穿越河流涵洞等野外施工作业，其安全评估技术还有待于进一步的研究。