沉管法在閩江取水口改造工程過(guò)江管道中的應(yīng)用

卓國(guó)勇

(中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350001)

1、工程概述

閩清縣城市供水閩江取水口改造工程位于閩江干流水口電站下游約12km，埋設(shè)江底的過(guò)江管道管線總長(zhǎng)312m，樁號(hào)為G0 +000～G0+312，自閩江東岸向西，橫跨閩江主航道至閩江中部，作為新建取水泵房的引水管道。管材采用2 根DN800 的鋼板卷管，內(nèi)外壁分別采用PN8710 互穿網(wǎng)絡(luò)涂料和環(huán)氧煤瀝青涂料做防腐處理，設(shè)計(jì)近期管道流速為0.44m/s，遠(yuǎn)期為0.76m/s。

管址處河段屬于閩江Ⅰ級(jí)階地向丘陵斜坡過(guò)渡地貌，管道部位河床地質(zhì)由上到下分別為①中砂②卵石③碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖④中風(fēng)化凝灰熔巖;江面常水位約為+4.50m，流速約0.3m/s～1.0m/s;洪水期間水位最高漲至+24.5m(1968年6月)，平均流速達(dá)到3.5m m/s;施工期間，④層巖石開挖難度大，河水沖刷對(duì)管道開挖及管道敷設(shè)作業(yè)影響較大，需采取相應(yīng)措施保障管道施工安全。

管道部位河床縱斷面中，河床線(①、②層)呈折線型，高程在-6.38m～+2.5m 之間，砂卵石層開挖深度最深可達(dá)9.9m;基巖線(③、④層)比較平緩，高程在-9.76m～-7.05m之間，設(shè)計(jì)管中標(biāo)高在-11.26m～-8.5m 之間，基巖爆破深度最深達(dá)2.65m，管道總體埋深約6.00m～12.00m。

2、沉管法在過(guò)江管道中應(yīng)用原理

(1)管道制作。管道由廠家加工后運(yùn)至工地，在現(xiàn)場(chǎng)陸域上將管節(jié)逐節(jié)焊接成管段，管端封堵兩端布設(shè)充水管后移至江面上依靠浮力自然浮起，并在管端、管中多個(gè)點(diǎn)用纜繩牽住，防止管道隨水流漂移。

(2)管道移位。將管道從岸邊拖移至沉管位置，移位前檢查管內(nèi)積水是否排清、端口是否密封、拖船水深是否滿足要求，在管道上做好拖點(diǎn)編號(hào)，拖船根據(jù)相應(yīng)編號(hào)對(duì)準(zhǔn)就位并固定。

(3)管道下沉定位。在管位下游設(shè)計(jì)外邊線上兩端打入鋼管樁，每個(gè)端部設(shè)置兩根管樁，作為管道定位下沉豎向?qū)к?，輔助管道下沉。下沉過(guò)程中，在水流和拖船的控制下，管道沿豎向?qū)к壪鲁痢?/p>

(4)管道注水。對(duì)管道進(jìn)行注水，在管道注水時(shí)，兩端注水管同步注水，對(duì)管道吊點(diǎn)略施吊力。管道兩端均有上彎的管段，可以連接成整體。管道注水后由于自重作用自然下沉至基巖面。

(5)落槽。自然沉放的管道通過(guò)控制進(jìn)水和排氣的速度，利用各吊點(diǎn)的起吊力來(lái)控制管道下沉的速度。管道中彎管部分必先行進(jìn)滿水，重心向下沉，彎管部分由南往北推進(jìn)沉管，自然沉管入槽。管道落沉到位后，兩端吊點(diǎn)在管道未在水下固定前不能解除。

(6)浮托力驗(yàn)算。沉管法在本工程的應(yīng)用中，管道在江面浮運(yùn)時(shí)需對(duì)浮托力進(jìn)行驗(yàn)算，以確保實(shí)際條件滿足浮運(yùn)要求，DN800 每延米Q235A 無(wú)縫鋼管浮力驗(yàn)算公式如下:

取值7.86g/cm3，經(jīng)計(jì)算，每延米鋼管在全排水情況下，△F=2.66KN，完全滿足浮運(yùn)要求。

3、施工技術(shù)特點(diǎn)

閩江是福建省最大的河流，并作為重要的水運(yùn)通道，左右岸分別建有鐵路和國(guó)道主干線，且閩江主航道位于管道G0 +230～G0 +280 處，施工期間，在不能影響周邊建筑物的同時(shí)，還需確保通航船只的正常航行。其主要施工技術(shù)特點(diǎn)為:

(1)閩江主航道船只通航頻繁，需與航運(yùn)部門統(tǒng)一調(diào)配，共同制定管理、監(jiān)護(hù)制度，確保施工與通航互不影響;［1］(2)河床地質(zhì)從上到下分別為中砂、卵石及巖石層，需先開挖后爆破，綜合考慮水流速度及深度的影響，精確定位水下鉆孔位置，確定裝藥等工藝參數(shù);(3)全段管道在陸域一次焊接成型，附帶有彎管，管道自重大，富有彈性，調(diào)運(yùn)過(guò)程中要求設(shè)備齊全，調(diào)度一致，從而保證管道的完好。

4、河床構(gòu)造及主要施工斷面圖

圖表4-1 過(guò)江管道縱斷面圖

圖表4-2 過(guò)江管道橫斷面圖

5、沉管法施工

5.1 沉管法施工工藝流程。沉管法在本工程的應(yīng)用中，因其施工原理較其他技術(shù)工藝具備較多優(yōu)勢(shì)，多道主要工序可平行施工，在本工程的應(yīng)用中，工藝流程如下:

圖表5-1 沉管法施工工藝流程圖

5.2 管道制作、防腐處理及閉水試驗(yàn)

5.2.1 管道廠家制作，現(xiàn)場(chǎng)焊接。本工程過(guò)江管道卷板鋼管按12m 為一節(jié)，在家廠制作并作防腐處理;管材材質(zhì)為Q235A 鋼板，厚12mm，焊縫的基本形式與尺寸應(yīng)符合《氣焊、手工電弧焊及氣體保護(hù)焊焊縫坡口的基本形式和尺寸》(GB985-88)，焊縫質(zhì)量應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205-2001)的三級(jí)要求，焊縫表面應(yīng)均勻、夾渣、焊瘤、弧坑和針狀氣孔等缺陷、更不得漏焊。

管道現(xiàn)場(chǎng)焊接施工平臺(tái)設(shè)在取水泵房上游河岸陸地上，自泵房起施工平臺(tái)沿河岸長(zhǎng)不小于70m，寬不小于6m，平臺(tái)高程為+5.5m。鋼管焊接平臺(tái)鋪墊用150 ×150mm 方木鋪設(shè)，方木底鋪墊粗砂找平夯實(shí)，每根方木頂高程誤差不大于2mm，并在同一條軸線上。每節(jié)鋼管支墊方木不少于4 根。陸地上將每節(jié)管段焊接成60m 一段，管端密封。每根管段設(shè)置4 個(gè)吊點(diǎn)，起吊點(diǎn)按管段重量平均分布，每個(gè)吊點(diǎn)負(fù)擔(dān)15m 管長(zhǎng)和重約3.5t。

5.2.2 管道防腐處理。鋼管管件噴砂除銹(等級(jí)Sa≥2.5)后內(nèi)壁采用IPN8710 互穿網(wǎng)絡(luò)防腐涂料，IPN8710-1 底漆厚度為50μmm;IPN8710-3 面漆二道，每道面漆厚度為100μmm，鋼管件外壁按環(huán)氧煤瀝青漆六油二布防腐。

5.2.3 閉水試驗(yàn)及消毒。管道全部焊接完成后，先進(jìn)行閉水試驗(yàn)，閉水壓力為設(shè)計(jì)洪水位與設(shè)計(jì)管中標(biāo)高高差加2m，合計(jì)35.5m，約0.355Mpa，閉水試驗(yàn)前，管段灌滿水后浸泡時(shí)間不應(yīng)少于24h，閉水檢測(cè)時(shí)間不小于30min。壓水試驗(yàn)合格后，應(yīng)進(jìn)行沖洗消毒，具體措施參照《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50268-2008 執(zhí)行。

5.3 施工測(cè)量。因水下施工情況不可見性強(qiáng)，水下測(cè)量放樣作業(yè)尤為重要。本工程采用GPS 全球定位儀進(jìn)行基線控制，用回聲探測(cè)儀進(jìn)行地形測(cè)量和槽挖高程控制。［1］

施工前，對(duì)擬開挖管槽進(jìn)行放樣，包括管槽底邊線、中線及起始位置等，同時(shí)在江兩岸設(shè)置水位尺和可通視的控制樁，用于隨時(shí)調(diào)整開挖線路偏差，觀察水位變化。

施工中，采用全站儀全天候跟蹤挖泥船及鉆機(jī)斷面位置，用測(cè)繩控制開挖深度，并及時(shí)做好記錄。［2］

5.4 水下開挖。本工程水下開挖擬采用鏈斗式挖泥船和長(zhǎng)臂挖機(jī)配合進(jìn)行。

1、挖泥船拖至起點(diǎn)導(dǎo)標(biāo)附近，調(diào)正船位，使定位樁對(duì)準(zhǔn)挖槽的施工中心導(dǎo)標(biāo)，吸管位于起點(diǎn)導(dǎo)標(biāo)線上，下放定位樁定位。若河水流速較大或基床土質(zhì)較硬，單靠定位樁不足以穩(wěn)住船位時(shí)，先拋尾錨，順流松尾纜，吸管位于起點(diǎn)導(dǎo)標(biāo)線上，下放定位樁定位。

2、吸砂船以尾部沿管軸中心線，擺動(dòng)吸管和船身，一方面按扇形挖泥，一方面移船前進(jìn)。為了一扇緊壓一扇而不出現(xiàn)漏挖，對(duì)準(zhǔn)施工中心線的定位樁應(yīng)以施工中心線導(dǎo)標(biāo)作為前移的軌跡。具體作業(yè)時(shí)，由駕駛臺(tái)上觀察視線進(jìn)行控制。

5.5 水下鉆孔爆破。根據(jù)本工程特點(diǎn)，巖石開挖與卵石開挖分段交替進(jìn)行，在河床卵石層開挖出一定的段長(zhǎng)后即可以進(jìn)行基巖開挖，考慮在水下石方開挖的特殊性，石方開挖量不大，采用鉆孔爆破炸礁船進(jìn)行水下鉆孔爆破施工，將巖石破碎，長(zhǎng)臂挖機(jī)取渣，鉆機(jī)采用YQ-120 型潛孔鉆。

施工工藝流程為:爆孔設(shè)計(jì)→錨定鉆孔作業(yè)平臺(tái)→移機(jī)就位→確定孔深→套管護(hù)孔→鉆孔→成孔沖洗→測(cè)量驗(yàn)孔→裝藥→連線→平臺(tái)撤離→起爆→解除警戒→下一施工循環(huán)。鉆孔爆破施工根據(jù)水位和設(shè)計(jì)管底高程以及實(shí)際水深計(jì)算巖層的厚度，確定鉆孔深度，一次鉆爆到設(shè)計(jì)深度，避免分層爆破。

水下鉆孔采用垂直鉆孔形式，平面布置為梅花形，同一橫斷面上布孔方式為擴(kuò)槽孔-掏槽孔-拔心孔-掏槽孔-擴(kuò)槽孔。根據(jù)現(xiàn)有施工船舶、機(jī)械的性能及施工經(jīng)驗(yàn)，主要參數(shù)為:孔距1.5m，排距1.3m，孔徑100mm，藥柱直徑70mm，孔深2.8m。根據(jù)計(jì)算并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，單位耗藥量為1.35kg/m3，爆破效果較好。

單孔裝藥時(shí)，拔出鉆具將帶有雷管的炸藥沿鉆機(jī)的套管往炮孔裝填，用探水桿復(fù)核拋空炸藥的就位情況，并用細(xì)砂填塞。炸藥裝好后，拔出套管，導(dǎo)爆管首先固定在平臺(tái)上，待平臺(tái)移位時(shí)，將導(dǎo)爆管移到系有繩索的浮胎上，漂浮在水面。通過(guò)五道工序，形成一個(gè)水下爆破孔的施工循環(huán)。

圖表5-2 鉆孔布置圖

5.6 測(cè)量驗(yàn)槽。整體管槽開挖清渣完成后，利用回聲測(cè)深儀對(duì)管槽進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，并繪制開挖斷面圖，初步驗(yàn)槽方法如下:

將測(cè)深儀放置于機(jī)動(dòng)駁上并把全站儀的棱鏡固定在測(cè)深儀的探桿上，確保探桿沿著管槽中心線移動(dòng)，測(cè)深儀每發(fā)出一次探測(cè)，其位置由全站儀定位并記錄，測(cè)量成果由測(cè)深打印機(jī)打出，成果內(nèi)管槽中心線應(yīng)與設(shè)計(jì)中心線相吻合。測(cè)完管槽中心線后，再對(duì)管底兩邊線各測(cè)一次。

槽底墊層由潛水員通過(guò)安裝在船上的漏斗連接鋼管將粗砂均勻卸放到槽內(nèi)，本工程砂墊層厚度為30cm，壓實(shí)度系數(shù)要求≥0.9。

5.7 管道浮運(yùn)、充水及沉管

5.7.1 管道浮運(yùn)。本工程采用整管拖運(yùn)、擺動(dòng)就位、翻轉(zhuǎn)下沉的施工工藝。管道焊接完成后，外層用泡沫片全線包扎，并在泡沫片外用竹片再次綁扎固定，管底部設(shè)置若干滾筒或圓木，在岸邊設(shè)置卷?yè)P(yáng)機(jī)，將管道從岸邊滑入水面。［1］

管道浮運(yùn)要綜合考慮當(dāng)天水流流速的影響，要求拖船保持均速緩慢前行，并且要特別注意管道彎曲半徑的控制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，DN800 的管道的彎曲半徑應(yīng)大于800m 才可保證管道的無(wú)損，因此在浮運(yùn)時(shí)要對(duì)管道進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，如發(fā)現(xiàn)彎曲半徑有變小的趨勢(shì)，及時(shí)對(duì)拖船進(jìn)行指揮調(diào)速。［3］

鋼管的起吊點(diǎn)應(yīng)經(jīng)力學(xué)驗(yàn)算后才可確定具體位置，且不宜直接接焊在管壁上，應(yīng)采用鋼制抱箍，吊環(huán)焊接在抱箍上，再將整個(gè)抱箍用緊固件固定在管壁上。

5.7.2 管道充水、沉管。管道浮運(yùn)至管道設(shè)計(jì)軸線位置時(shí)，采用定位船錨固、管內(nèi)充水、起吊翻轉(zhuǎn)、自然沉管的安裝措施，安裝過(guò)程中，應(yīng)注意控制以下問(wèn)題:

(1)管道內(nèi)充水體積約為157m3，即157t，充滿水后，可緩慢放下松動(dòng)吊繩，讓管道在重力的作用下懸浮并翻轉(zhuǎn)下沉;

(2)管道下沉過(guò)程中，嚴(yán)格要求各吊點(diǎn)等速、勻速沉放，防止因不均衡放管出現(xiàn)管道彎曲損壞。在翻轉(zhuǎn)階段，各吊點(diǎn)要吊繩要逐步松開，直至管道翻轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)圖紙要求位置;

(3)管道下沉就位后，派潛水員下水檢查墊層與管道的接觸是否均勻、緊密，水下敷設(shè)管道偏差應(yīng)根據(jù)下表確定。

圖表5-3 水下敷設(shè)管道允許偏差［3］

5.8 壓塊安裝、管槽回填

管道下沉就位并按要求管周回填級(jí)配砂卵石后，將馬鞍形壓塊用起重吊船配合潛水員進(jìn)行水下安裝，依次分層回填、鋪裝砂卵石、袋裝卵石及鉛絲石籠。

6、結(jié)束語(yǔ)

沉管法技術(shù)已走過(guò)百年發(fā)展歷史，而在我國(guó)還處于起步階段，此項(xiàng)技術(shù)在閩江取水口改造工程過(guò)江管道的應(yīng)用中，取得了良好的效果，實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)步，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為:①沉管法環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適用于福建多地江河水下管道、隧道工程;②在不影響通航及周邊建筑物安全的情況下，避免了江底管道施工帶來(lái)的危險(xiǎn)性;［4］③管道在陸地焊接完成，水上精確定位，施工質(zhì)量可靠，避免了水下焊接管帶來(lái)的質(zhì)量隱患;④沉管法多道工序可在多地點(diǎn)平行施工，在合理安排工序，加強(qiáng)管理力度的前提下，大幅度縮短了工期。

隨著城市化建設(shè)的不斷擴(kuò)大，以及對(duì)水利、交通工程重視程度的提高，充分利用沉管法簡(jiǎn)單、快捷、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，將得到廣大推廣和應(yīng)用。

［1］田桂滿.沉管法施工在貴港郁江管道穿越工程中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù).2004 (7).

［2］劉敏林.沉管施工技術(shù)在過(guò)河管道中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程.2004 (9).

［3］姚吉，吳艷，邵建惠.沉管法在寧波截污工程中的應(yīng)用［J］.管線工程.2010 (3).

［4］杜朝偉，王秀英.水下隧道沉管法設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國(guó)工程科學(xué).2009 (11).