帶水大開挖施工技術(shù)在儀征—長嶺管道陸水河穿越中的應(yīng)用

馮夢朦，劉居正，江 波，沙文忠

（1.河南油田油建工程建設(shè)有限責(zé)任公司，河南南陽 473132；2.中石化管道儲運(yùn)公司，江蘇徐州 221008）

帶水大開挖施工技術(shù)在儀征—長嶺管道陸水河穿越中的應(yīng)用

馮夢朦1，劉居正2，江 波2，沙文忠2

（1.河南油田油建工程建設(shè)有限責(zé)任公司，河南南陽 473132；2.中石化管道儲運(yùn)公司，江蘇徐州 221008）

采用主河道帶水大開挖成溝和浮筒結(jié)構(gòu)漂浮牽引技術(shù)，成功完成了D 610 mm×10.3 mm原油管道的陸水河穿越工程。文章介紹了該項工程的管溝大開挖、水下管溝測量、半圓弧型混凝土配重塊對扣連續(xù)安裝、浮力計算、浮筒結(jié)構(gòu)、牽引設(shè)備、穩(wěn)管設(shè)備布置等技術(shù)要點。實踐證明，管溝定位開挖的精確測量、重量和浮力的準(zhǔn)確計算和穿越段管道的平穩(wěn)入溝，是陸水河穿越成功的技術(shù)關(guān)鍵。

輸油管道；帶水大開挖；漂管穿越；施工技術(shù)

1 工程概況

陸水河穿越工程是儀征—長嶺原油管道工程大冶—赤壁Ⅱ段的控制性工程，穿越位置位于赤壁城區(qū)北郊，上游距離赤壁市陸水河二橋約1 300 m；由西到東依次為陸水河西堤→河岸灘涂部分→陸水河水面段→陸水河?xùn)|河岸灘涂部分→陸水河?xùn)|大堤（赤黃水泥公路）；陸水河水面較寬，陸水河西岸有大片植樹帶，河岸坡度較陡；東岸是大片菜地，水面和水泥路面落差較大。因陸水河長期大量采沙，暗礁眾多、水深不一；穿越斷面沖刷線以上地層以松散、高密度的細(xì)砂石層為主，其間夾雜含量小于40%的黏土、粉土；穿越斷面沖刷線以下地層以卵石、中細(xì)砂、流沙和淤泥為主；地下情況較為復(fù)雜，實測51個點的水深，河道平均水深3.1 m，最深處7.5 m，最淺處接近0 m，水下河床成不規(guī)則地貌；整個河道水深差別較大，給開挖帶來極大困難；穿越斷面河道在枯水期流速為0.9～2.1 m/s。

設(shè)計采用挖砂船對主河道進(jìn)行水下大開挖、連續(xù)混凝土配重塊安裝、漂管牽引穿越。主河道穿越長度312 m，管道規(guī)格為D 610 mm×10.3 mm，鋼材為X65，設(shè)計出站輸油壓力為8.5 MPa。

2 帶水大開挖管溝

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，水下開挖長度為315 m，管溝挖深5～13m，平均挖深8.6m，最小寬度4.6m。根據(jù)地質(zhì)情況和挖深要求，管溝開挖采用階梯開挖法，見圖1。

2.1 管溝開挖流程和設(shè)備

每年11月初至第二年4月初是陸水河的枯水期，是帶水大開挖施工的最佳時間。

開挖流程為：管溝定位 （應(yīng)確定以下位置：管溝中心線、溝底邊線、管溝上口邊線、標(biāo)高基準(zhǔn)點，并在河道兩岸作出控制點和標(biāo)記，便于追溯和保證穿越位置符合設(shè)計要求）→設(shè)置導(dǎo)向浮標(biāo)→布纜定位→開挖砂石、裝運(yùn)、卸料→管溝檢查。

根據(jù)地質(zhì)情況，沿管溝軸線從西岸至東岸均勻布置4艘作業(yè)船，其順序為1艘挖深10 m的鏈斗式挖砂船、1艘挖深12 m的抓斗式挖泥船、1艘絞吸式挖泥船、1艘挖深10 m的鏈斗式挖砂船。除絞吸式挖泥船外，每艘挖砂船配備1艘60 m3的泥舶運(yùn)輸船，且作業(yè)船只垂直水流布置，平行管溝軸線進(jìn)行同一方向施工。

考慮到水下管溝開挖后需要及時回填和回淤等因素，在不影響船舶航行的條件下，堆料區(qū)選擇在距管溝軸線150 m的下游區(qū)域堆放，高度不超過3 m。對開挖好的管溝，分別在上下游方向設(shè)置不同的邊坡，并在管溝上游方向超挖土方，以給回淤坍塌留有空間，保證最終的管溝成型。

因水面和河岸落差較大 （9 m），為確保預(yù)制管道順利漂管過河，在河底管溝開挖同時，采用220型挖掘機(jī)、T100推土機(jī)配合開挖兩岸的發(fā)送溝和接收溝。

2.2 管溝成型的測量及控制

（1）水下管溝測量是施工的重點，直接影響穿越質(zhì)量。為了能準(zhǔn)確測量管溝的成型情況，采用了多種措施。首先，對施工區(qū)域水下斷面和地形平面位置及深度的測量采用動態(tài)徠卡GPS-PTK衛(wèi)星定位系統(tǒng)配合測聲儀SHD13與便攜式計算機(jī)聯(lián)機(jī)通訊方式，數(shù)據(jù)采樣率1 s；其次，對陸地、水邊及測量船無法到達(dá)的區(qū)域，采用全站儀DTME831、計算機(jī)聯(lián)機(jī)通訊方式，原始數(shù)據(jù)采集用清華山維EPSW2000測圖系統(tǒng)計算機(jī)；第三，由潛水員進(jìn)行實際測量。

（2）船舶進(jìn)入現(xiàn)場，根據(jù)水上浮標(biāo)到指定水域拋錨定位；用全站儀測出每船的船艏、船尾坐標(biāo)，然后用錨纜調(diào)整船位。施工中用全站儀多次校核船位。管溝開挖過程中，隨時隨地檢查管道軸線、高程、寬度，及時控制偏差，保證開挖軸線精度。

（3）合理布置控制點是控制施工質(zhì)量、進(jìn)度的必要條件。根據(jù)設(shè)計提供的控制點，在兩岸進(jìn)行控制點加密，并將所有控制點聯(lián)網(wǎng)復(fù)測，保證平面控制精度，同時采用全站儀將所有控制點聯(lián)網(wǎng)，往返測量兩次后再平差，保證管溝高程精度。

（4）根據(jù)各施工船所在施工區(qū)的設(shè)計底標(biāo)高，確定各施工船挖掘機(jī)具的挖掘深度；在每條施工船上用測深砣或測深桿等測深工具測量實際挖掘效果，并作好記錄，每層達(dá)到開挖的深度后方可移船；每天上午用測深儀檢查已挖部分的水下情況，以便及時掌握管溝開挖情況；根據(jù)開挖進(jìn)展情況，每10～15 d使用回聲測深儀、全站儀、GPS檢查沿軸線的管溝實際開挖深度，與設(shè)計挖深比較。

（5）在工程量完成90%時，對分段加密管溝底部進(jìn)行詳測，根據(jù)詳測資料修整溝壁與溝底，保證開挖質(zhì)量。開挖結(jié)束，組織潛水員入水進(jìn)行直觀檢測并詳細(xì)測繪水下地形圖，為管道穿越施工提供準(zhǔn)確依據(jù)。

3 穿越管段的焊接和試壓

（1）在河西岸西小堤外側(cè)設(shè)置管段預(yù)制場，場地平行于作業(yè)帶布置，用挖溝機(jī)進(jìn)行平整，管道預(yù)制場地為320 m×12 m。在預(yù)制場地內(nèi)進(jìn)行穿越管段的組對、焊接。管道無損檢測按100%的RT、UT比例進(jìn)行，分別達(dá)到射線Ⅱ級、超聲Ⅰ級為合格。

（2）預(yù)制管段通球掃線一次。

（3）管道試壓。按設(shè)計圖紙要求，管道嚴(yán)密性試驗壓力為7.8 MPa，穩(wěn)壓8 h，以試壓時間內(nèi)無滲漏、壓降值不大于試驗壓力的1% （0.078 MPa）為合格；強(qiáng)度試驗壓力為11.7 MPa，穩(wěn)壓時間4 h，以無變形、無滲漏、在規(guī)定的時間內(nèi)壓降值不大于0.1 MPa為合格。管道試壓后裝置暫不拆除，作為管道漂管時應(yīng)急上水使用。

4 穿越段布置

穿越管段的預(yù)制場地為粉質(zhì)黏土地表層，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)結(jié)構(gòu)、預(yù)制段的長度以及工期、成本要求，采用管墩滑動法代替軌道曲線小平車滑動法發(fā)送。用尼龍袋裝土每隔8～10 m堆筑一個2 m（長）×1.5 m （寬）×0.6 m （高）支撐管墩，并且涂抹潤滑油。管道發(fā)送時利用吊管機(jī)的提升動力克服管道摩擦力，在防腐層不受損壞的前提下，保證管段均勻受力。

5 配重塊及其安裝

根據(jù)陸水河長期采砂的歷史以及水下安裝配重塊存在的風(fēng)險不確定因素，為更好解決管道保護(hù)問題，漂管前在岸邊安裝兩個半圓弧型配重塊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）利用厚6 mm鋼板制作配重塊模具，由于在冬季預(yù)制配重塊，所以要用鍋爐蒸汽加溫加速配重塊的成型和凝固。每塊配重塊的質(zhì)量為142.7 kg。

（2）配重塊安裝前事先將穿越管段全部捆綁橡膠板，防止拖管和加配重時損壞防腐層。橡膠板厚4 mm，周長加搭接長度 （0.2 m）共2.12 m，共需橡膠板270 m×2.12 m=572.4 m2；橡膠板用鐵絲捆扎。

（3）發(fā)送管道和安裝配重塊同時進(jìn)行。用220型挖掘機(jī)和人工配合進(jìn)行，采用兩塊上下對扣，用2 t手動倒鏈緩慢系緊使兩塊配重緊緊抱箍在管道上不滑動，再分別用兩塊搭接鋼板（規(guī)格：100 mm×150 mm，厚6 mm）與配重塊上的預(yù)埋鐵板焊接，然后機(jī)械除銹達(dá)到Sa2級，刷兩遍防銹漆；安裝10塊配重之后，所有挖掘機(jī)一致運(yùn)作將管道向河道發(fā)送一段距離。這樣依次重復(fù)操作，在穿越段270 m長管道上安裝配重塊540塊。

（4）考慮封航時間不能太長，安裝配重塊要24 h連續(xù)施工。夜間用1臺20 kW發(fā)電機(jī)配合3個1 000 W探照燈 （河道照明）、6個1 000 W照明燈 （工地照明用）。其他配合設(shè)備同樣連續(xù)工作。

6 浮筒及其安裝

（1）為節(jié)約投資，漂管所用浮筒選擇市場上標(biāo)準(zhǔn)的230 L鐵制油桶代替用鋼板制作浮筒。陸水河穿越共使用油桶247只，其中82只將隨管道緩慢沉入河底。

（2）浮筒安裝前均要充氣做嚴(yán)密性浸水試驗，以預(yù)防使用過程中浮筒進(jìn)水減小浮力，造成管段彎曲。

（3）浮筒安裝。在岸上采用8號鐵絲捆系浮筒兩圈，然后用直徑20 mm、長6 m的棕繩纏繞連接到配重塊外面吊環(huán)上。

7 穿越管段重量及浮力計算

（1）主要參數(shù)：河寬以270 m計，配重厚度以50 mm計，每塊配重長1.0 m，共計要用540塊。

（2）每塊配重用混凝土為133.75 kg，鋼筋為5.45 kg，配用0.15 m×0.1 m，厚6 mm鋼板5塊（做預(yù)埋件和連接板）共3.53 kg。每塊配重質(zhì)量為： m配重=m混凝土+m鋼筋+m鋼板=142.7 kg， 540塊配重總質(zhì)量m配重總=m配重×540=77 078 kg。

（3）D 610 mm×10.3 mm環(huán)氧粉末涂層鋼管單位長度質(zhì)量為152.3 kg/m，則其總質(zhì)量m鋼管=152.3 kg/m × （270 m+42 m） =47 517 kg。

（4） 橡膠板 （厚6mm） 需要68卷，每卷50 kg，共計 3 400 kg。

（5） 未注水時 m總=m配重總+m鋼管+m膠皮=127 995 kg。

（6） 總浮力 f浮= ρ水gV（配重+鋼管）=1 106.822 kN

（7） 總浮力和未注水時總重量之差=m總gf浮=147.529 kN。

（8）油桶作浮筒，每只油桶容積為0.23 m3。

考慮到安全系數(shù)，油桶只有1/3體積沒入水中，設(shè)所需油桶數(shù)為x，單個浮筒浮力為0.23/3×ρ水g=751.66 （N）。

由0.23/3×ρ水g x=m總-f浮

得x=196只

還要考慮浮筒重量的影響：一只筒按20 kg計算，則需增加 （20 kg×9.8 m/s2×196）/751.66 N≈51只。

棕繩重量忽略不計，共需浮筒196只+51只=247只。若使浮筒完全沉沒在水中，只需總筒數(shù)的1/3，即82只。

8 管道吊裝就位、漂管、穩(wěn)管

（1）管段漂管前三天通知河道航務(wù)部門，安排工作人員在河道巡邏宣傳并做明顯標(biāo)牌，提醒過往船只注意；開始漂管時在上下游分別布置巡邏艇晝夜巡邏。

（2）因施工在冬春季節(jié)，陸水河水位較低，大型浮吊船不能從長江開到陸水河，為了對所穿越管道有效實施穩(wěn)管、防止偏離管溝中心，需要對原挖砂船進(jìn)行改造。單條船具體改造內(nèi)容 （共需9條船，上游5條起穩(wěn)管作用，下游4條起管溝中心定位作用）：拆除挖砂系統(tǒng)和傳動系統(tǒng) （方便起吊管道），增加滑輪組一套，配100 m φ30 mm鋼絲繩和100kN掛鉤1個 （用于控制起吊管道），船頭浮吊架焊接安裝D89mm×5mm無縫鋼管20m（加固斜拉撐），用14＃槽鋼10m （連接加固兩個船體）。

（3）管道吊裝用4臺400 kN吊管機(jī)、5臺220型挖掘機(jī)、9條改裝挖砂船配合將安裝完配重塊和浮筒的管道依次緩慢吊入河道內(nèi)，然后將管道微調(diào)到管溝上方；漂管前在管道首端安裝拖管頭，并且預(yù)拉伸所要用的鋼絲繩，然后用20 t運(yùn)輸船直接把鋼絲繩牽引到河對岸，2臺挖溝機(jī)分別用鋼絲繩牽引管道，另1臺協(xié)助控制方向 （采用長350 m的φ30 mm鋼絲繩2根）。

（4）吊管時以吊點間距不大于23 m為原則均勻布置，以免管道承受過大的彎曲應(yīng)力。

（5）在管道漂行過程中，每條船要交替更換牽引管道的鋼絲繩，始終保持鋼絲繩垂直于管道，避免管道受應(yīng)力彎曲過大影響焊口質(zhì)量，同時岸上派專人指揮，保持整段管道的水平度，如發(fā)現(xiàn)彎曲隨時指揮船只收繩或放繩。河上9條船，每條船配備一艘機(jī)動船和3名技術(shù)工人隨時調(diào)整管道吊點位置。

（6）陸水河流速較大，除了上游作業(yè)船用鋼絲繩控制飄管方向之外，同時在下游的4艘定位船船艏安裝焊接固定套筒，緊靠管溝下游側(cè)使船舶均勻布置拋錨就位 （用全站儀測出每船的船艏、船尾坐標(biāo)，指導(dǎo)定位船在管溝下游側(cè)成一條直線布局），然后人工配合在船艏安裝定位鋼管樁，這樣就有效地防止了管段沉管過程中受水流速影響偏離管溝中心。

（7）管道在漂管發(fā)送過程中必須統(tǒng)一指揮，所有環(huán)節(jié)的各崗位配備了對講通訊設(shè)備，確保了過程的步調(diào)一致和一次性成功，避免了安全和質(zhì)量事故的發(fā)生。

9 沉管

（1）通過均勻解除浮筒讓管段緩慢均勻下沉落入管溝。拆除浮筒時，船上人員穿救生衣按照事先預(yù)定的方案剪斷系筒的繩子，拆筒應(yīng)均勻?qū)ΨQ拆除，保證管道勻速下沉，防止因局部拆除造成管段的過大彎曲應(yīng)力。

（2）拆除浮筒分三次作業(yè)，第一次拆除1/3的浮筒，即82個，第二次再拆除1/3的浮筒 （82個），當(dāng)浮力重力平衡時再均勻拆除20個浮筒 （逐次拆除可防止管道下水速度過快影響就位質(zhì)量，造成管道彎曲過大），此時管道和剩余浮筒緩慢沉入溝底。

（3）管道是否就位到管溝中心和落到溝底，要派潛水員下水探摸，如果管道偏移就通知水上船只調(diào)整鋼絲繩長度使其擺位；如果管道就位達(dá)到設(shè)計要求，就拆除水下浮筒減少浮力，保持管道穩(wěn)定。

（4）管道就位后，對管道中心線進(jìn)行復(fù)核，確保無誤。然后在兩端彎管兩側(cè)打樁 （φ 114 mm×5 mm，長6 m，20根）將其固定，防止管道就位后產(chǎn)生傾斜影響以后連頭作業(yè)；潛水員解除所有船只與管道相連的鋼絲繩，拆除下游定位船的定位鋼樁；打開管段一側(cè)的封堵向管道內(nèi)注入一定體積的水 （2/3漂管段體積），加強(qiáng)水下溝底管段穩(wěn)定性。

10 管溝回填

（1）管溝開挖時夾雜大量卵石，為保護(hù)防腐層，回填時分兩步：第一，采用60 m3的運(yùn)輸船將購買的細(xì)砂運(yùn)至河中間，由挖砂船分層回填2 m。細(xì)砂回填過程中潛水員分3次下水檢查細(xì)砂拋灑是否均勻覆蓋管道，對高低不平落差較大之處用特制刮板平整；第二，挖砂船、運(yùn)砂船配合將遠(yuǎn)處堆放的砂石依次倒運(yùn)到河中間由挖砂船分層回填?；靥钸^程中，由測量人員、潛水員跟蹤測量，確?；靥畹馁|(zhì)量。

（2）管溝回填完后在管道兩端適當(dāng)位置圍小堰并露出管頭，為以后連頭做準(zhǔn)備。

（3）管溝回填之后，采用徠卡GPS-PTK衛(wèi)星定位系統(tǒng)配合測聲儀SHD13對水下恢復(fù)情況進(jìn)行最后測量，繪出管溝回填后水下地貌地形圖，形成恢復(fù)地貌評價，為管道運(yùn)行安全和航務(wù)使用提供重要依據(jù)。

11 結(jié)束語

陸水河穿越工程于2006年2月28日至3月2日僅用360 h，就實現(xiàn)了包括配重塊和浮筒安裝在內(nèi)的管道牽引、沉管、注水穩(wěn)管一次成功，經(jīng)回聲測深儀、潛水員檢測，埋深等各項指標(biāo)均合格。實踐證明：水下管溝開挖測量、重量和浮力計算、漂管方向控制、管段沉管就位入溝是陸水河穿越一次成功的技術(shù)關(guān)鍵。

[1]SL 257-2000，水道測量規(guī)范[S].

[2]SY/T 0055-2003，長距離輸油輸氣管道測量規(guī)范[S].

[3]SY/T 4079-1995，石油天然氣管道穿越工程施工及驗收規(guī)范[S].

Construction Technique of Large Excavation under Water in Lushuihe River Crossing Project of Yizhen-Changling Crude Oil Pipeline

FENG Men-men（Henan Petroleum Engineering Construction Co.,Ltd.,Nanyang 473132,China）,SHA Wen-zhong

By using the techniques of large trenching in main water channel and pipeline towing with the help of pontoons,Lushuihe crossing project of Yizhen-Changling Crude Oil Pipeline of D 610 mm×10.3 mm has been successfully completed.The key technic points in the project such as large trenching,underwater trench measuring,semi-circular arc concrete weights and their buckled installation,buoyancy calculation,pontoon structure,layout of pipeline towing and stabilizing equipment are illustrated.The practice proves that the orientation,trenching,accurate measuring and exact calculation of weight and buoyancy as well as the pipeline laid stably into the trench are the key techniques for the successful Lushuihe River crossing construction.

oil pipeline;large underwater excavation;drifting pipeline crossing;construction technology

TE973.4

B

1001－2206（2011）04－0040－04

馮夢朦 （1971-），男，河南方城人，工程師，全國注冊一級建造師，1992年畢業(yè)于華北石油學(xué)校，多年從事油田地面產(chǎn)能建設(shè)和系統(tǒng)工程技術(shù)管理工作以及油氣長輸管道、非開挖技術(shù)的施工管理工作。

2011-03-24；

2011-05-30