沉管跨越河道法施工在剛果(布)朱埃河工程中的應(yīng)用

陳方葵,何　俊,李　婷

(1.安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603；3.安徽建筑大學(xué)管理學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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沉管跨越河道法施工在剛果(布)朱埃河工程中的應(yīng)用

陳方葵1,何俊2,李婷3

(1.安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603；3.安徽建筑大學(xué)管理學(xué)院，安徽 合肥 230601)

摘要：本文結(jié)合剛果(布)朱埃河過河鋼管工程采用沉管技術(shù)穿越的工程實例，闡述了過河管道沉管施工中的技術(shù)措施和應(yīng)注意的問題。在朱埃河工程中實施的沉管施工方法，施工簡單，安全可靠，施工成本低、進(jìn)度快。在工期、成本、安全、質(zhì)量等方面均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。整個沉管過程安全有序，達(dá)到了設(shè)計要求，為以后類似工程施工提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：河道；抽砂泵；抽砂成槽；沉管；定位控制；泥沙類河床

0引言

管道穿越河道工程的施工方法常見的有盾構(gòu)、頂管和圍堰基坑法等。盾構(gòu)和頂管法適用于管徑較大、管線地基基本不穿越巖層、孤石、漂石層的工程，圍堰內(nèi)開挖基坑法則適合河流基本無通航要求、河水不太深、導(dǎo)流工程不復(fù)雜的情況。而沉管施工是穿越水深較深、圍堰施工困難、有通航要求的水域的主要方法之一，目前在水利工程和市政工程中已廣泛運(yùn)用。

剛果(布)Djoue UCD水站至Mayanga水池的一段DN600的鋼管管線，跨越朱埃河。管線過河處位于朱埃河的渡口處，采用沉管跨越河道法施工。[1]

本文結(jié)合跨越朱埃河的DN600mm鋼管沉管工程，陳述了沉管跨越河道法施工的主要技術(shù)措施，意在為今后類似工程積累施工經(jīng)驗。

1工程自然條件

1.1地形地貌

朱埃河流域自北向東南延伸，流域平均長度為125km，平均寬度為46km ，集水面積為5740平方公里。管線過河處為朱埃河干流渡口，水面開闊。旱季主河道寬78米，河流水深最深處為3.7米。河道西岸岸坡較緩，東岸岸坡相對較陡。[1]

1.2氣象、水文情況

剛果(布)1月中旬至5月中旬為大雨季，5月中旬至9月底為大旱季，10月初至12月中旬為小雨季，12月中旬到次年1月中旬為小旱季。雨季降雨頻繁，雨量大，沖刷能力強(qiáng)，對道路毀壞較重。

現(xiàn)場對水面的流速進(jìn)行了簡易測量，測量結(jié)果見表1。[1]

圖1　朱埃河過河段水流速測量表

測量成果：1.平均流速=總距離/總時間=50/62.41=0.801 m/s；2.本測量未考慮風(fēng)速及水摩擦力對漂浮物的影響。

1.3土層地質(zhì)狀況

現(xiàn)場檢測朱埃河過河處淺灘的土質(zhì)，見表2。

表2　朱埃河過河處淺灘的土質(zhì)

測量方法：在河道西岸節(jié)點(diǎn)26附近(距水邊3m)處，進(jìn)行坑探，探坑挖深5m。

勘測結(jié)果：1. 5米以內(nèi)土質(zhì)絕大部分為含砂量20%左右的亞粘土；2.滲水情況：挖坑2m左右開始滲水。

經(jīng)簡易探測，河道底部沙層厚為0.4—1.7米砂質(zhì)層，縱斷面圖見圖1。

2沉管法跨越施工工藝[2][3]

抽砂沉管法是利用抽砂泵將河底的砂層抽走形成溝槽，將制作好的管道沉入槽內(nèi)就位，就位后在兩岸河邊澆筑混凝土鎮(zhèn)墩，固定河道中的管道。具體方法簡述如下：

2.1測量放線和準(zhǔn)備工作

首先對管道線路進(jìn)行測量放線，確定管線位置及高程。在管線兩側(cè)漫灘位置填筑砂石料并進(jìn)行碾壓，構(gòu)筑兩個工作平臺。工作平臺局部臺面予以硬化，用于焊接管線及設(shè)備操作。工作平臺構(gòu)筑計劃于3月份(旱季)進(jìn)行，其高度根據(jù)現(xiàn)場實際水位情況而定。

2.2混凝土墩施工

在河兩岸澆筑混凝土墩，混凝土墩中心連線位于過河管線的上游并平行于管線?；炷炼諡閳A柱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，直徑1米，埋深4米，地上部分為1米，每座墩內(nèi)豎直埋入2根C20槽鋼，埋深2米，露出1.5～2米。兩岸混凝土墩上槽鋼用鋼絲繩連接，作為水上作業(yè)定位鋼纜。墩后3.5米處分別打設(shè)兩根2米深淺樁，用鋼絲繩與槽鋼頂部連接，以便抵抗跨河鋼纜拉力。混凝土墩采用DN1000混凝土管做外模，采用放坡開挖法(或沉井法)施工，管內(nèi)下入鋼筋籠，灌入混凝土。

2.3管道連接

圖1過河縱斷面圖

在工作臺上進(jìn)行DN600鋼管焊接及抽砂船組裝工作。管道一次焊接直管64米，兩側(cè)分別連接25o、30o彎頭，河道緩坡岸焊接3米短管，陡坡岸焊接6米短管。使過河管道與河底坡度基本相同，管底最深處距水面4.09米，管道平均埋入砂層0.42，最小埋入砂層0.2米。抽砂船采用3mm鋼板進(jìn)行組裝，抽砂船長為3.5×2×1(長×寬×深)米，內(nèi)裝兩臺柴油發(fā)動機(jī)，分別帶動一臺4英寸送水泵及一臺6英寸抽砂泵。送水泵攪動砂層，抽砂泵進(jìn)行抽砂。管道的制作成型與開挖溝槽同時進(jìn)行或提前進(jìn)行。管段焊接完成后，進(jìn)行整體水壓試驗，合格后進(jìn)行管口防腐處理。管道外側(cè)防腐采用二布四油環(huán)氧煤瀝青防腐，內(nèi)側(cè)采用食品級環(huán)氧涂料采取抽拉的方式補(bǔ)涂。

2.4河底抽砂

在兩岸混凝土墩預(yù)埋的槽鋼上，系Φ22的鋼絲繩，用來定位抽砂船。抽砂船依附鋼絲繩，沿過河管線中心位置，用抽砂泵深入河床底部抽砂成槽，成槽斷面寬度視現(xiàn)場實際情況而定，抽出的砂土直接泵送至下游棄土區(qū)(以不影響過流斷面和環(huán)境為度)。當(dāng)沿管道中心線砂層形成0.5米以上深的溝槽并與管線設(shè)計高程基本吻合后，進(jìn)行管道安裝。抽砂時為保證抽砂位置不偏離過河管道中心線位置，首先在該中心線兩岸延長線上每岸設(shè)兩個標(biāo)志樁，使抽砂船以岸邊標(biāo)志樁為參照物，確定位置，并用經(jīng)緯儀或全站儀跟班進(jìn)行定位監(jiān)測；其次，抽砂泵水平位置固定在抽砂船上，垂直方向可上下移動，水平方向固定，保證溝槽的平面位置正確。

2.5管道安裝

(1)管道采用整體浮運(yùn)，下水前管道兩端管口采用盲板封堵，并在兩端盲板上各設(shè)置一個進(jìn)水管閥門(閘閥)、一個排氣管閥門(閘閥)。管道在水中浮運(yùn)時，所有閥門關(guān)閉，對岸一側(cè)用設(shè)備牽引管道，將管道緩緩牽入水中。為保護(hù)管體及減小摩擦力，管底采用圓木做滾杠，并用吊車配合作業(yè)。

(2)管道牽引至安裝位置后，用儀器監(jiān)測定位。就位后，由進(jìn)水閥泵入清水，排氣閥排氣，謹(jǐn)慎控制進(jìn)水速度和水量，緩慢下沉，以便調(diào)整下沉位置。

(3)沉管安裝：沉管時管道兩端采用吊車進(jìn)行調(diào)整，抵抗沖力及管線平面位置調(diào)整利用四道橫向拉索，拉點(diǎn)分別掛在岸上的四個混凝土墩上。拉索連接手動葫蘆，便于調(diào)節(jié)管線位置，手動葫蘆設(shè)置在橫向拉索上，靠近岸邊，便于人員在陸地上操作。水上配合管道就位的人員利用船只依附過河鋼索進(jìn)行操作，過河鋼絲繩采用Φ22的鋼絲繩。吊裝時應(yīng)保持管道水平，并同步沉放于槽底就位，將管道穩(wěn)固后，再撤走起重設(shè)備。

(4)在管道安裝時，如溝底不平，管道不能平穩(wěn)落于溝槽，采用抽沙泵及潛水員水下局部處理。

2.6石籠護(hù)管

為避免水流沖刷過河管道，管道就位后，在管道兩側(cè)局部拋石籠護(hù)管。拋石籠時利用河上鋼索滑輪將石籠掛在鋼索下，以船牽引石籠至拋擲區(qū)，放下石籠。

2.7過河管道安裝就位

管道安裝就位后，在管道彎頭處用砂袋做模，澆筑混凝土鎮(zhèn)墩，以便穩(wěn)定過河管道。

2.8系統(tǒng)連接

上述管道過河段位于主河槽，主河槽段施工后，進(jìn)行兩岸漫灘管段施工。主河槽與漫灘處管道連接采用法蘭連接，減少帶水作業(yè)難度。在管道預(yù)制焊接時，管端焊接鋼制法蘭(沉管注水時，此法蘭與封堵盲板相連，卸下盲板后，與兩側(cè)管道系統(tǒng)相連)。接口施工采用土袋圍堰，形成作業(yè)坑進(jìn)行連接。

3混凝土墩的穩(wěn)定驗算

混凝土墩的的主要作用是固定河道中的管道，根據(jù)所受荷載，計算出樁的水平拉力、被動土壓力，繪制混凝土墩的受力圖，見圖2：

圖2混凝土墩的受力圖

3.1樁的拉力計算[4-6]

(1)水流對船的沖力

F=2ρSv2=2×1×103×0.9×12 =1.8×103N

式中 ρ：水的密度 ρ=9.8KN/m3

v：流速V =1m/s

S：船迎水面積S= 2×0.45=0.9m2

抽砂船船吃水深度計算：

船自重=[(3.5+2)×2×1+3.5×2]×0.003×7800=421.2kg

(抽砂船長×寬×高=3.5m×2m×1m，鋼板厚3mm)

船上設(shè)備、發(fā)電機(jī)、泵體、操作人員=2500kg，按3000kg計。

浮力=3000kg=3.5×2×h×1×103kg

抽砂船吃水深度 h=3000/(3.5×2×1×103)=0.429m，按h=0.45m計

(2)Φ22鋼絲繩重量

165kg/100m=1650N

樁的水平拉力 T水=(F+G)tgα=((1.8+1.65)×45/2)/2=38.8KN

3.2被動土壓力(利用朗金被動土壓力定律)[8]、[9]

Ep=1/2γpKp=1/2×18×42×1.92=276.48KN(埋深4米)

式中 γ：砂土容重γ=18KN/m3

H：埋土的深度

Kp：被動土壓力系數(shù)=tg2(45+35/2)=1.92

3.3穩(wěn)定驗算

對a取力矩

Ma拉=38.8×1.2=77.6KNm

Ma抵=276×4.8=1324.8KNm

Ma抵>1.3 Ma拉=77.6*1.3=101 KNm

3.4槽鋼截面驗算

每側(cè)采用2根C20槽鋼

最大彎矩位于槽鋼底部

Mmax=38.8×1.2=46.56 KNm

最大正應(yīng)力σmax=Mmax/Wz=46.56×1÷167.2÷2=0.139×103MPa

Q235鋼的屈服極限為[σ]=235>139×1.3=180.7 MPa

4管道沉管受力情況

4.1管道漂浮在水面時的受力分析[7-10]

管道的重力G=(0.3162-0.32)×3.14×75×7.8*10=181KN

假設(shè)管道全部淹沒時，水的浮力 F浮=0.316×0.316×3.14×75×10=235KN

因為F浮>G，所以此時管道漂浮在水面。

4.2管道在注水后下沉?xí)r的受力分析

當(dāng)管注滿水下沉?xí)r管的Gmax=181+0.3×0.3×3.14×75×1×10=393KN

這時水的浮力 F浮=0.316×0.316×3.14×75×10=235KN

管的下沉力 T=393-235=158KN

水流對管的沖力F=ρSV2=1×0.6×72×12×10=432KN

混凝土墩的應(yīng)力驗算

σmax=Mmax/Wz=432×103÷4×1÷(3.14×1.13÷32)=0.826×103MPa

[σ]=1.5>0.826×1.3=1.074 MPa

鋼筋混凝土墩的截面計算滿足要求。

5結(jié)論

沉管法在穿越河道的管道工程施工中是最簡捷的方法之一，主要適用于泥沙類河床質(zhì)的河道。有砂性土層的河床透水性很強(qiáng)，不利于頂管法，安全不能保證。鋼架跨河法，河道跨度較大，成本較大而且不美觀。

水下沉管施工與圍堰內(nèi)開挖埋管施工方法相比較，開挖和回填的土方量少，節(jié)約成本，對水體等周邊環(huán)境影響小，對通航影響較小，施工工期可控；與頂管和盾構(gòu)等施工方法相比較，經(jīng)濟(jì)效益明顯，技術(shù)要求低，在工期緊張的情況下是適宜的施工方法。但其需要一個較大的場地；在河床地形地貌復(fù)雜的情況下，會增加施工難度和造價；管道浮運(yùn)和沉放施工需考慮水文和氣象條件等的影響。此外，鋼管的焊接、防腐處理等要求非常高，且在投入使用后進(jìn)行維修相當(dāng)困難，因此對施工過程中的質(zhì)量控制要求高，在施工中必須一次成功。

在朱埃河工程中實施的沉管施工方法，施工簡單，安全可靠，施工成本低、進(jìn)度快。在工期、成本、安全、質(zhì)量等方面均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。整個沉管過程安全有序，達(dá)到了設(shè)計要求，為以后類似工程積累了實踐經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

1呂鳳志. 非洲剛果(布)給水管道過朱埃河總結(jié)(R) .呂鳳志 2013.

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5中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部某某或某某委員會.GB50268-2008.給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn)[S].北京出版地：中國建筑工業(yè)出版社出版社.出版2009年.

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9中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. JGJ79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[S].北京：中國建筑工業(yè)報出版社.2012.

10中國土木工程學(xué)會.JGJ120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[S].北京：北京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會.2012.

Application of Construction Method in River Crossing Pipe Engineering
at Zhu’ai River in Congo(Brazzaville)

CHEN Fangkui1, HE Jun2, LI Ting3

(1.Anhui Water Safety Construction Group Co., Ltd，Hefei 230601,China；

2.Anhui Water Conservancy Technical College，Hefei 231603,China;

3.The School of Management of Anhui Jianzhu University,Hefei 231601,China)

Abstract:Based Zhu'ai River construction in Congo (Brazzaville) as an example, to illustrate the technical of immersed tube technology to implement river-crossing, and technical measures in construction and the problems that should be paid attention Immersed tube construction method, implemented in Zhu'ai River in engineering construction is simple, safe and reliable, low cost, fast construction progress. In the period, cost, safety, quality and other aspects have achieved the expected goal. The whole process of immersed safe and orderly, meet the design requirements. It provides reference for similar engineering construction in the future.

Key words:river；sand pump；sand pumping trough；immersed tube；positioning control；Sediment transport

收稿日期：2015-05-18

作者簡介：陳方葵(1963-)，男，高工，主要從事水利建筑、市政工程施工、工程管理等工作。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150609

中圖分類號：TU411.01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8382(2015)06-042-05