超長(zhǎng)大管徑沉管施工在南水北調(diào)穿河工程中的應(yīng)用技術(shù)

劉敬峰

摘 要：沉管法作為管道穿越河流的一種方法，具有適用范圍廣、施工周期短及工程造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，但整體吊裝、沉管難度大。該文結(jié)合南水北調(diào)配套輸水管道穿越南拒馬河倒虹吸沉管施工探討了鋼管沉管的施工技術(shù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：輸水鋼管 整體吊裝 沉管施工

中圖分類號(hào)：TK2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（b）-0059-02

管道河底穿越一般有頂管法、圍堰法、沉管法。管道過河方法的選擇應(yīng)綜合考慮河床斷面寬度、水深、水位、地質(zhì)以及管道的管材、管徑、管內(nèi)水壓等因素。本文結(jié)合南拒馬河倒虹吸沉管施工實(shí)例，對(duì)沉管各施工工序及技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了詳述，為沉管法的推廣和應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程簡(jiǎn)介

工程位于保定市淶水縣，屬于南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程第四設(shè)計(jì)單元的節(jié)點(diǎn)工程，管道在西義安村東穿越南拒馬河，穿越樁號(hào)為15+202--15+596，總長(zhǎng)394m。穿越管道采用人工焊接鋼管，鋼材等級(jí)為Q345C，管道內(nèi)徑1.4m，壁厚18mm，管長(zhǎng)12m。鋼管外防腐采用環(huán)氧煤瀝青，內(nèi)防腐采用環(huán)氧白陶瓷。

主要施工重點(diǎn)及難點(diǎn)如下：a.鋼管的焊接和防腐是保障工程施工質(zhì)量的關(guān)鍵；b.由于管徑較大且管道較長(zhǎng)，進(jìn)行整體吊裝時(shí)整體偏軟。

2 總體部署

在上游側(cè)馬道上進(jìn)行整體焊接，完成后，通過多臺(tái)大型吊車將管道整體吊入水中，依靠管道浮力，進(jìn)行臨時(shí)固定，通過人工牽拉就位。

3 沉管施工

3.1 管道焊接

穿河段直管長(zhǎng)度為303.13m，在焊接前應(yīng)對(duì)進(jìn)場(chǎng)的成品管再次進(jìn)行外觀復(fù)檢，檢查管節(jié)在運(yùn)輸過程中可能造成的缺陷，并應(yīng)予以消除。鋼管及鋼制彎頭在管廠進(jìn)行內(nèi)外防腐施工，經(jīng)驗(yàn)收合格后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。管道整體焊接平臺(tái)選在線路左側(cè)10m馬道內(nèi)側(cè)，平臺(tái)寬2m，外側(cè)8m預(yù)留吊裝平臺(tái)位置，利用水準(zhǔn)儀測(cè)量、挖掘機(jī)、壓路機(jī)、人工配合對(duì)平臺(tái)進(jìn)行整平壓實(shí)，表面鋪設(shè)10cm細(xì)沙，采用全站儀在平臺(tái)上放出焊接管道中心線，接口部位下挖工作坑，以便于焊接。

管道焊接前應(yīng)先修口、清根，管端端面的坡口角度為55°-65°，鈍邊P=1.0-2.0mm，兩管節(jié)對(duì)接的間隙為b=2.0-4.0mm。管道對(duì)口時(shí)應(yīng)使內(nèi)壁齊平，采用300mm直尺在接口內(nèi)壁周圍順序貼靠，錯(cuò)口的允許偏差不得大于2mm。對(duì)口調(diào)節(jié)好后可進(jìn)行焊接，這時(shí)應(yīng)將管段兩端臨時(shí)支撐固定，避免鋼管重量集中在焊縫位置。所有焊縫要求寬窄均勻整齊，寬度要求為每邊超出坡口邊緣2mm為宜，焊縫余高要求為1.5-2.5mm，焊接表面要求焊波均勻，不得有裂紋、夾渣、焊瘤、燒穿、弧坑和氣孔等缺陷。管道焊接后，刷防腐涂料前，先對(duì)焊縫進(jìn)行外觀自檢；咬邊深度不大于0.5mm，應(yīng)逐口進(jìn)行探傷檢測(cè)，合格后及時(shí)進(jìn)行接頭的外防腐，其要求與成品管的要求相同。

3.2 水壓試驗(yàn)

在直管段整體焊接完成后在焊接平臺(tái)上做水壓試驗(yàn)，管道兩端焊接封堵板，封堵板兩側(cè)預(yù)留注水孔、排氣孔，由水管引水入試壓管道，通過試壓泵進(jìn)行加壓，管道注滿水后，保持0.2-0.3MP水壓充分浸泡，浸泡不少于48小時(shí)，管道升壓時(shí)要逐步平穩(wěn)升壓，每次升壓0.2MP，檢查所有接口，封板，排氣閥等然后繼續(xù)升壓至1MP，保持恒壓10分鐘，未出現(xiàn)降壓和滲水現(xiàn)象后試驗(yàn)合格。

3.3 吊裝工藝

管段吊放入水是技術(shù)性較強(qiáng)和工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，吊裝過程中絕對(duì)不能對(duì)管道造成任何碰傷、扭裂，要求吊裝一次成功，否則對(duì)工程的進(jìn)度、質(zhì)量、效益造成的影響是十分嚴(yán)重的。管段在平臺(tái)上焊接完成后與水面還有8m的距離，鋼管延米重為0.625t/m，直線段管道長(zhǎng)度303.13m，本次吊裝的斜管段長(zhǎng)度大小里程各12m，吊裝總長(zhǎng)度為327.13m，總重約為204t（未考慮內(nèi)襯重量），將管道每隔24m，綁一道攬風(fēng)繩（人工牽拉就位時(shí)使用），繩長(zhǎng)25m，在溝槽對(duì)岸施作砼地錨以固定。每臺(tái)吊車采用人字形雙吊點(diǎn)，吊點(diǎn)避開焊口，為防止應(yīng)力集中，在每個(gè)吊點(diǎn)下側(cè)設(shè)一個(gè)弧形護(hù)板，弧形鋼板徑向長(zhǎng)1m，弧長(zhǎng)1.5m，護(hù)板內(nèi)直徑0.73m，厚1.5cm。通過下述計(jì)算確定吊車數(shù)量及吊點(diǎn)間距。

3.4 吊車數(shù)量及吊點(diǎn)間距計(jì)算

綜合管道焊縫間距（12m），吊車配置鋼絲繩長(zhǎng)度（約40m），吊裝安全性等因素，初步選定吊點(diǎn)間距為11m?，F(xiàn)依據(jù)《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》CECS141：2002中第7.0.1條，對(duì)鋼管的變形量進(jìn)行驗(yàn)算：

管道采用環(huán)氧白陶瓷內(nèi)防腐，根據(jù)規(guī)范變形率取ψ=0.03；

管道計(jì)算內(nèi)徑D0=1416mm；

管道允許最大變形ψD0=0.03× 1416=42.48mm；

當(dāng)?shù)觞c(diǎn)間距為11m，弧形護(hù)板長(zhǎng)度為1m時(shí)，管道在吊裝及自重作用下最大變形：

（1）

變形滯后系數(shù)取D1=1.1；

豎向力作用下柔性管道豎向變形系數(shù)Kb=0.089；

管道計(jì)算內(nèi)半徑r0=708mm；

跨度（吊點(diǎn)間距）為11m時(shí)單跨均布荷載F=1.1×π×（0.718?-0.7?）×78.5×11/1=76.2，其中1.1為安全系數(shù)，0.718為管道外半徑，0.7為管道內(nèi)半徑，78.5為鋼材重度，1為弧形護(hù)板徑向長(zhǎng)度；

鋼材彈性模量EP=2.06×105Mpa；

鋼管管壁縱向截面單位長(zhǎng)度的截面慣性矩Ip=341.33mm4/mm；

由公式（1）計(jì)算得

=35.94mm≤ψD0=42.48mm，即當(dāng)?shù)觞c(diǎn)間距為11m，弧形護(hù)板徑向長(zhǎng)度1m時(shí)，鋼管變形量滿足要求。

綜上所述，同一吊車兩個(gè)吊點(diǎn)間距11m，不同吊車相鄰吊點(diǎn)間距也為11m，每臺(tái)吊車為人字形雙吊點(diǎn)，吊車間距為22m，管道兩端斜管段各布置1臺(tái)80t吊車負(fù)責(zé)保證管道首末段的斜管段豎直度不變。故共需吊車數(shù)量為327/22+1≈16臺(tái)。

3.5 吊裝方案

管道焊接達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，即可進(jìn)行管道整體沉放安裝，16臺(tái)吊車均勻布置在管道沿線的10m馬道上，間距22m，鋼絲繩采用外套管包裹，防止劃傷管道，所有吊車通過旗語、口哨統(tǒng)一指揮，每3臺(tái)吊車配一名副指揮，同步作業(yè)（為增加安全性，起吊前進(jìn)行一致性、協(xié)調(diào)性演練），吊裝共分起吊和爬桿兩個(gè)階段，首先按照起吊信號(hào)同步起吊后，當(dāng)全管吊離地面50cm后停止起吊，調(diào)整鋼管使其完全處于水平狀態(tài)。而后根據(jù)指令統(tǒng)一進(jìn)行爬桿將管道直接吊放入水，斜管段兩側(cè)吊車不動(dòng)，其他吊車撤出吊裝場(chǎng)地，利用皮劃艇將攬風(fēng)繩另一端送至對(duì)岸馬道，人工牽拉攬風(fēng)繩，控制好管段的形態(tài)及應(yīng)力，在兩端斜管段吊車的配合下勻速靠進(jìn)管道中心軸線，在管道中心軸線側(cè)斜管段各打設(shè)一根定位鋼管樁，靠攏后將管道臨時(shí)固定。復(fù)測(cè)管道軸線，定位后將攬風(fēng)繩栓緊，進(jìn)入就位狀態(tài)。

3.6 沉管

定位后兩側(cè)同時(shí)采用4寸水泵開始注水，在測(cè)量監(jiān)控下，鋼管在水重和自身重量作用下下沉，注水時(shí)應(yīng)嚴(yán)格注意，不得一次注水過多，應(yīng)逐步注水，一次注水管道下沉不得超過20cm，待鋼管穩(wěn)定后5min后再次加水；為便于觀測(cè)，在兩端的彎起段每隔200mm標(biāo)注清晰的高程點(diǎn)，通過兩端的高程標(biāo)注點(diǎn)控制管下沉的速度和確保管道平衡下沉，管道下沉每1m，進(jìn)行1次吊點(diǎn)、吊力、管位的檢查和調(diào)整，調(diào)整完成后在統(tǒng)一指揮下，在將管道緩緩下沉，當(dāng)管道下沉至距離基槽底50cm時(shí)，再最后進(jìn)行一次吊力和管位調(diào)整，在整個(gè)下沉過程中，要使管道受力平衡并且均勻，下沉要緩慢不能過快，吊裝平臺(tái)上預(yù)先準(zhǔn)備20個(gè)大沙袋，當(dāng)發(fā)現(xiàn)管道下沉不均勻，局部過高時(shí)，可通過吊放沙袋加壓的方式糾正，鋼管下沉?xí)r，攬風(fēng)繩通過地錨同步緩慢松放，必須保證鋼管的中心軸線位置。鋼管就位后，復(fù)測(cè)管體里程、高程、軸線方位，符合要求后，在管道水平段每隔30m吊裝一U形壓塊，以固定管道。

4 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

（1）吊裝過程中，吊車司機(jī)及副指揮隨時(shí)關(guān)注吊車起吊重量?jī)x表，超過平均吊裝重量后，及時(shí)調(diào)整吊力變化，防止出現(xiàn)單一吊車吊裝重量過大，造成鋼絲繩崩斷和車輛損壞甚至傾覆，而致吊裝失敗，關(guān)鍵控制吊裝設(shè)備的同步問題。

（2）沉管過程中保證管道均勻下沉，及時(shí)增加或減少管道上沙袋數(shù)量，防止因不均勻下沉導(dǎo)致的鋼管變形或局部應(yīng)力過大，造成鋼管損壞。

（3）沉管完成后及運(yùn)行期保證管道內(nèi)處于滿水狀態(tài)，禁止抽排管道中水體，防止浮管。

5 結(jié)語

本工程于2014年7月1日進(jìn)行了管道沉放，整個(gè)沉放過程安全有序，達(dá)到了設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，沉管施工法獲得成功。如此長(zhǎng)度的大管徑鋼管采用沉管法施工在南水北調(diào)配套工程中應(yīng)用尚屬首次，本工程沉管施工的順利完成有利于沉管施工法的驗(yàn)證及完善，為今后類似的工程提供了借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

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