內(nèi)湖封閉水域輸水管道水上浮吊施工技術(shù)

胡 煒 湯 武 徐小飛 李劉歡

上海建工（浙江）水利水電建設(shè)有限公司 上海 200082

1 工程概況

大溪水庫取水口遷移工程位于江蘇省溧陽市，主要施工內(nèi)容包括在大溪水庫內(nèi)新建至南渡水源廠輸水管道2根（DN1 000鋼管，壁厚12 mm，單根管道長度1 180 m）、至中心水廠輸水管道2根（DN1 400鋼管，壁厚16 mm，單根管道長度485 m），并同步建設(shè)和改造取水頭部。

工程建成后，南渡水源廠的取水規(guī)?？蛇_(dá)6×104m3/d，中心水廠取水規(guī)?？蛇_(dá)1×105m3/d，可為溧陽市供水安全提供有效保障。

2 工程難點與特點分析

工程位于大溪水庫內(nèi)，施工區(qū)域內(nèi)水深較大，輸水管道主要采用沉管法水上施工。由于本工程地處內(nèi)陸湖泊水源保護(hù)地內(nèi)，常規(guī)浮吊船等大型施工機(jī)械無法進(jìn)入，如何選擇水上沉管設(shè)備并合理組織管道焊接、運輸、沉放全過程，是本工程需要解決的首要問題。

同時，輸水管道沉管施工難度大、風(fēng)險高，如何在無大型施工機(jī)械的情況下，保證沉管作業(yè)的精度和質(zhì)量，是本工程面臨的一大難題。

3 浮吊裝置設(shè)計

3.1 沉管方法對比

目前常用的水上沉管方法主要有起重船吊沉法、浮箱吊沉法、扛吊法、騎吊法[1-3]（表1）?？紤]到本工程地處內(nèi)陸湖泊的特點，且輸水管道管徑較小，擬采用浮箱吊沉法組織輸水管道水上沉管施工。

表1 沉管方法對比

3.2 裝置構(gòu)成

浮吊裝置采用浮箱拼裝，利用2只浮箱拼裝成龍門架式浮吊裝置，每組2只浮箱用鋼桁架連成整體，在浮箱龍門架頂上安設(shè)2組5 t起吊卷揚機(jī)以及配套2組32 t滑輪組，并在浮箱四周安裝定位卷揚機(jī)連接定位錨。起吊卷揚機(jī)配套的吊索采用鋼絲繩，鋼絲繩型號根據(jù)吊裝質(zhì)量計算確定，初步采用5根長10 m的φ44 mm鋼絲繩，確保單個浮吊裝置起吊承載力在1 000～1 500 kN之間。浮吊裝置和現(xiàn)場拼裝情況如圖1所示。

圖1 拼裝式浮吊裝置

4 浮吊法施工方案設(shè)計

浮吊法施工流程為：施工準(zhǔn)備→水下溝槽開挖、管道陸上拼接→溝槽整平、管道下水浮運→溝槽鋪碎石墊層、浮吊就位→沉管下放→回填→混凝土包封→收尾驗收。

浮吊法施工主要施工步驟如下：

1）水下溝槽開挖。根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境等情況，水下溝槽采用抓斗式挖泥船開挖。在施工放樣時，將管線的中軸線、溝槽的邊線等分別引測至水面上，采用導(dǎo)標(biāo)的方法進(jìn)行控制，導(dǎo)標(biāo)測量用長5～10 m花桿，施工過程中應(yīng)用全站儀隨時進(jìn)行復(fù)核，保證溝槽開挖平面、高程位置的準(zhǔn)確。在溝槽開挖到施工過程中，不間斷跟蹤測量，以保證溝槽的開挖質(zhì)量。

2）溝槽整平。溝槽整平采用潛水員配合工作船進(jìn)行，在工作船上設(shè)置漏桶，由人工拋填。根據(jù)設(shè)計的碎石墊層厚度，即250 mm，確定拋填的碎石量，最后在水面控制測量的基礎(chǔ)上，由潛水員水下用刮板找平。

3）管道拼接。將廠家制作好的節(jié)長12 m的成品管運到現(xiàn)場，在加工場地坡道上將管道加工、接長到擬安裝長度的長管節(jié)。自流管鋼管接頭焊縫采用K形坡口焊，雙面焊接。構(gòu)件表面采用噴射除銹工藝進(jìn)行基體表面預(yù)處理，并采用涂料防腐，選用IPN8710-2B涂料，做法為二底三面。底漆實干后方可涂刷面漆，鋼構(gòu)件表面涂層厚度不小于500 μm，焊縫處涂層厚度不小于400 μm。此外，在管道兩端采用盲板封堵，在盲板上分別設(shè)進(jìn)水閥、排氣閥。

4）管道浮運。拼裝焊接后的管道兩端被盲板封閉而浮在水面上，在管道首尾各設(shè)置2艘機(jī)動船，利用機(jī)動船將管道浮運到安裝水域。拖航時注意水流速度、風(fēng)浪對管段的影響，控制浮運管段的曲率半徑，盡可能使管段直線浮運。

5）浮吊就位。浮吊裝置通過錨機(jī)收放錨纜進(jìn)行移位、定位，定位前根據(jù)管道長度計算均勻布置浮吊。管道在機(jī)動船牽引下橫入浮吊龍門架下，到吊點相應(yīng)位置后，放下各浮吊船的滑輪鉤頭穿掛鋼絲繩吊索，每根鋼絲繩吊索沿管道穿繞一周半，2個鋼絲扣用卸扣分別與浮船龍門架兩側(cè)的滑車連接。將管段吊離水面1～2 cm，并保證管道首、尾以及中間管段中心精確位于管座中軸線上。

6）沉管下放。管道定位完成后，拆除管道兩端封板。在統(tǒng)一指揮下，各浮吊同時緩慢放松鋼絲繩、下放管道，使管道兩端同時灌入湖水，直至管道灌滿水且管道各吊點在同一高程上，然后再緩慢向湖底下放管道。下放過程中各浮吊協(xié)同作業(yè)，保證下放速度的一致性，并將速度嚴(yán)格控制在15 cm/s，以防管道傾斜移位或者剪斷破壞；同時，潛水員在水下對管道中線與基槽軸線的一致性進(jìn)行動態(tài)校正。下放到設(shè)計高程后，潛水員下水探摸沉放情況，確定管道穩(wěn)固且精確沉放于溝槽后再松開撤去鋼絲繩。

7）回填。管道沉放符合要求后，對管道進(jìn)行回填?；靥顣r，先投拋碎石固定管道，再拋塊石至500 mm厚度，最后采用開挖土料將管道周邊回填至現(xiàn)狀湖底高程。為保證回填的密實度，管道兩側(cè)同時回填。在回填中，測量人員進(jìn)行高程測量，并安排潛水員進(jìn)行水下檢測，以保證回填質(zhì)量。

5 浮吊施工精度控制技術(shù)

5.1 水下地形探測技術(shù)

本工程溝槽開挖和管道固定、回填均屬于水下作業(yè)，由于內(nèi)湖水深較大，施工中水下情況難以確定。雖然安排了潛水員在水下監(jiān)測和指導(dǎo)施工，但由于水上、水下信息溝通不便，水上的施工作業(yè)人員仍難以直觀掌握水下情況，施工作業(yè)存在一定的盲目性。

為直觀獲取水下情況，采用配備多波束測深系統(tǒng)的無人船對沉管區(qū)域進(jìn)行水下地形動態(tài)測量。多波束測深系統(tǒng)通過換能器以一定的頻率向水下發(fā)射多個波束，形成扇形聲波束探測區(qū)；聲波在水中傳播，遇到水底后發(fā)生反射、透射和散射反射回來的回波，經(jīng)換能器接收，根據(jù)聲波在水中的傳播速度及往返的時間可計算出每個波束對應(yīng)點的水深值，若干個測量周期組合就形成了水深圖。多波束測深原理如圖2所示。

圖2 多波束測深原理

水下溝槽開挖前，首先采用多波束無人船對沉管區(qū)域水下地形進(jìn)行摸排，復(fù)核溝槽沿線的原始湖底高程，精確確定出沿線各處的開挖深度。溝槽初步開挖完成后，再用無人船復(fù)測溝槽開挖情況，確定開挖深度是否滿足要求。管道回填時，除過程中的高程測量和潛水員水下檢測，采用無人船對回填后的管道沿線湖底高程進(jìn)行復(fù)測，確?；靥顫M足設(shè)計要求。

5.2 浮吊設(shè)備高精度定位技術(shù)

要實現(xiàn)管道水上精確浮吊，浮吊設(shè)備的高精度定位是關(guān)鍵。本工程位于內(nèi)湖封閉水域內(nèi)，從岸邊鋼管拼裝場到水上沉管區(qū)域的距離在3 km以內(nèi)，且沿線無遮擋、透視良好。

考慮到上述特點，采用實時動態(tài)載波相位差分（RTK）技術(shù)對浮吊設(shè)備進(jìn)行高精度定位[4-5]，為浮吊設(shè)備配備高精度衛(wèi)星定位裝置，形成流動站，并在岸上鋼管拼裝場設(shè)定位基準(zhǔn)站。浮吊流動站通過圓盤天線實時接收衛(wèi)星發(fā)來的定位信息，并通過無線電臺接收基準(zhǔn)站發(fā)來的差分信息。流動站利用差分信息對定位信息進(jìn)行校正，從而得到高精度的實時定位（圖3）。

圖3 RTK定位系統(tǒng)架構(gòu)

管道浮吊就位前，首先根據(jù)管道質(zhì)量確定所需的浮吊設(shè)備數(shù)量，然后根據(jù)設(shè)計吊沉中心線，按均勻布置的原則確定各浮吊設(shè)備的位置，最后在RTK技術(shù)的輔助下，各浮吊依次精確就位。通過現(xiàn)場與全站儀設(shè)備的對比，浮吊設(shè)備的定位精度可達(dá)到厘米級，實現(xiàn)了浮吊精確定位。

在無人船多波束測量技術(shù)和RTK技術(shù)的輔助下，本工程輸水管道吊沉順利完成，且管道一次安裝成功率高，施工中未出現(xiàn)由于管道位置和深度偏差帶來的返工現(xiàn)象，既提高了施工效率，又為施工質(zhì)量提供了有效保證。

6 結(jié)語

1）針對內(nèi)湖封閉水域水上沉管施工特點，對比了不同沉管方法的適用性，最終選擇浮箱吊沉法進(jìn)行沉管，并設(shè)計了龍門架式浮吊裝置。

2）對輸水管道水上浮吊法方案進(jìn)行了設(shè)計，確定了包括水下溝槽開挖、管道拼裝與浮運、浮吊就位、水上沉放、管道回填等工序在內(nèi)的浮吊法工藝流程。

3）為提高輸水管道浮吊精度，確保管道施工質(zhì)量，采用配備多波束測深系統(tǒng)的無人船在溝槽開挖前后以及管道回填后對沉管區(qū)水下地形進(jìn)行檢測，確保沉管深度滿足要求。同時，為浮吊裝置配備高精度衛(wèi)星定位設(shè)備，通過RTK技術(shù)實現(xiàn)了浮吊裝置的精確定位。浮吊施工精度控制技術(shù)取得了良好的效果，保證了工程質(zhì)量和進(jìn)度。