淺析長(zhǎng)距離輸水管線水下整體下沉施工技術(shù)

陳玲 廣東省源天工程有限公司

沉管施工技術(shù)于19世紀(jì)末開始應(yīng)用于輸水管線工程中，科技的發(fā)展促使這一技術(shù)得到相應(yīng)的優(yōu)化與完善，拓寬技術(shù)應(yīng)用范圍。長(zhǎng)距離輸水管線的施工難度大，且水下作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)性高，若采取傳統(tǒng)的沉管方法會(huì)因建設(shè)架空橫過(guò)水道支架、修建水中圍堰等作業(yè)而影響航道正常通行，還會(huì)增多工程量與施工成本。對(duì)此，需注重管線水下整體下沉施工技術(shù)的運(yùn)用，優(yōu)化施工流程，提高管線工程施工效率與質(zhì)量。

1.沉管施工技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

對(duì)于水下作業(yè)的長(zhǎng)距離輸水管道工程來(lái)說(shuō)，可借助沉管施工技術(shù)來(lái)保障整體施工效果，技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）適應(yīng)能力強(qiáng)?；坶_挖深度較淺，開挖以及基礎(chǔ)處理施工工藝流程簡(jiǎn)單。且在水浮力的作用下，可減輕地基總荷載，削弱沉管自身重量對(duì)地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。由于管段施工時(shí)，按照先預(yù)制再浮運(yùn)沉放的施工工序，減少在水下環(huán)境的工作量，因此，這一技術(shù)適用于深水作業(yè)中，水流速以及潮差對(duì)于技術(shù)的應(yīng)用效果影響程度不大；（2）施工期間，大多數(shù)作業(yè)于岸上進(jìn)行，只需將完成制備的管道按照要求下放至水下便可，只涉及到少部分的潛水作業(yè)，施工人員不必承受水壓，為作業(yè)安全提供基本保障；（3）每節(jié)管線較長(zhǎng)，對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管線，只使用少量的預(yù)制管段便可搭建而成，且基槽開挖和預(yù)制管段制作、運(yùn)輸工作同時(shí)進(jìn)行，既提高施工效率，還規(guī)避各作業(yè)環(huán)節(jié)彼此間的干擾；（4）水下基槽開挖時(shí)，土方量較少，與地面上的挖土單價(jià)相比，施工成本較低，而管段預(yù)制的施工形式所需費(fèi)用也遠(yuǎn)低于盾構(gòu)隧道施工方法。

2.沉管施工技術(shù)原理及要點(diǎn)研究

2.1 技術(shù)原理

管線下沉施工技術(shù)是在岸上執(zhí)行鋼管焊接工作，達(dá)到穩(wěn)固后，借用吊裝設(shè)備將其平穩(wěn)放置于水面上，再加以運(yùn)輸船的配合，緩慢下放管道，在充水后自動(dòng)下沉，直達(dá)底板，鋼管安放結(jié)束后組織回填施工。與以往跨河道管線布設(shè)形式相比，可省去斷水圍堰修建、河道架空橫跨等施工流程，直接在岸上進(jìn)行焊接并按照要求下放至水下便可，極大程度地提高施工效率，降低工程造價(jià)。同時(shí)，這一技術(shù)大多環(huán)節(jié)在水下工作，可保證道路交通的順暢性。

2.2 管段平移

與岸邊距離較近的管線吊放下水后，遠(yuǎn)離岸邊的管道需要借助氣囊運(yùn)輸至岸邊。通常來(lái)說(shuō)，平移氣囊共有4組，彼此間的距離控制在50m左右。在此之前，應(yīng)將鋼板平整鋪放在氣囊移動(dòng)線路上，并為氣囊配備專用托架，兩側(cè)放置同規(guī)格墊塊，以達(dá)到鋼管固定的目的。將牽引繩兩端分別設(shè)置在起重船與托架前進(jìn)端構(gòu)件上，實(shí)現(xiàn)氣囊的移動(dòng)，但在橫移過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管線防腐層的保護(hù)。

2.3 壓力試驗(yàn)

所有下沉的管線至少進(jìn)行三次壓力試驗(yàn)，具體要求、試驗(yàn)開展時(shí)間如下：第一次試驗(yàn)在岸上管道拼裝、焊接作業(yè)結(jié)束后且在吊運(yùn)下沉前進(jìn)行，設(shè)定的試驗(yàn)壓力約0.9MPa；第二次試驗(yàn)于管線完全下放至水中時(shí)進(jìn)行，壓力設(shè)置為0.1MPa；第三次試驗(yàn)開展于下沉結(jié)束后、回填前，試驗(yàn)壓力為0.9MPa。分段制作管線是沉管施工技術(shù)的突出特點(diǎn)，因此，需保證首次試驗(yàn)時(shí)應(yīng)在管線制備場(chǎng)地對(duì)待下沉所有管段進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

2.4 水面對(duì)接

岸上作業(yè)空間有限，盡量設(shè)計(jì)管線兩段成型施工方案，利用起重船執(zhí)行水面上各段管線的對(duì)接。這一施工工藝的操作難度較大，且作業(yè)條件較復(fù)雜，對(duì)接質(zhì)量是管道是否成型的關(guān)鍵，亦是保障施工作業(yè)安全的重要前提。在此期間，如果管道受到較大程度的干擾，便無(wú)法保證下沉位置的準(zhǔn)確，還會(huì)增大水面對(duì)接焊接難度，不利于管道快速、高質(zhì)量成型。開展焊接工作時(shí)，如果未嚴(yán)格按照施工順序進(jìn)行，極易引發(fā)眾多施工質(zhì)量問(wèn)題，并增大作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。這就需要合理選擇管線對(duì)接水域，盡可能在水浪小、水流緩的區(qū)域進(jìn)行，確定最適宜的施工時(shí)間。同時(shí)，應(yīng)加大對(duì)水域其他行駛船只的管控，盡量避開船舶行進(jìn)路線，以此降低外來(lái)船只對(duì)施工進(jìn)度的不良影響。

水面對(duì)接施工流程如下：①打造對(duì)接工作艙。若無(wú)特殊施工要求，可將水面工作艙規(guī)格設(shè)計(jì)成4×7×2.4m。應(yīng)保證管道外壁與對(duì)接工作艙具備極強(qiáng)的水密性，為達(dá)到這一施工標(biāo)準(zhǔn)，需在工作艙制作時(shí)，科學(xué)、嚴(yán)格把控設(shè)計(jì)精度；②完成工作艙設(shè)計(jì)、制作后，立即組織管線與工作艙彼此間的吻合試驗(yàn)，只有達(dá)到規(guī)定的密封要求后，才可執(zhí)行后續(xù)作業(yè)；③根據(jù)施工空間以及實(shí)際工作量，引進(jìn)起重船開展管線下沉定位工作；④組織施工人員按照設(shè)計(jì)圖紙以及操作說(shuō)明書安裝水面對(duì)接工作艙。這一施工工序應(yīng)用的施工設(shè)備為起重船，將工作艙設(shè)置在管線對(duì)接口處，檢驗(yàn)合格后，借助4個(gè)10kN手拉葫蘆收緊管線與工作艙；⑤將2臺(tái)直徑為2cm的潛水泵引入現(xiàn)場(chǎng)，其作用是盡數(shù)抽出艙內(nèi)的囤積水；⑥使用板條以焊接的形式整合兩段管線；⑦安排專業(yè)焊接人員進(jìn)入工作艙開展接口焊接工作，達(dá)到所要求的施工質(zhì)量后，使用打磨設(shè)備平滑處理焊口，再釋放超聲波，對(duì)焊口內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，細(xì)致、全方位清潔、烘烤焊口，并做好防腐處理工作；⑧組織施工者按照操作流程圖拆卸工作艙，此時(shí)便可宣告水面對(duì)接施工結(jié)束。

3.輸水管線水下整體下沉施工技術(shù)在工程中的具體運(yùn)用

3.1 項(xiàng)目背景

某退圩還湖試點(diǎn)項(xiàng)目的取水設(shè)施經(jīng)改造后，原有的取水泵站與取水頭部向南移動(dòng)600m，結(jié)合改造后的工程情況，對(duì)取水規(guī)模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)為11萬(wàn)t/d。取水管道采用DN1000雙排埋設(shè)方式設(shè)置，開挖總長(zhǎng)度2.7km，經(jīng)測(cè)量，取水設(shè)施占地面積約4000m，包括取水泵房、加藥間、監(jiān)控室以及輔助用房組成，不同設(shè)施的功能存在較大差異，在彼此間聯(lián)動(dòng)作業(yè)下，賦予取水工程更強(qiáng)的控制、配藥、加藥、藥劑存儲(chǔ)等功能，其中，控制功能主要體現(xiàn)在可全過(guò)程、跟蹤管控4臺(tái)200kW離心泵方面。

輸水管線工程受地形條件的限制，最初設(shè)計(jì)時(shí)，K1+400—K1+640段橫穿固城湖堤壩，K1+640—K2+640段埋于湖底，施工工藝復(fù)雜，增大施工難度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及匯總得到的各項(xiàng)調(diào)研數(shù)據(jù)，決定采用頂管施工、明挖施工、沉管施工相結(jié)合的作業(yè)形式。具體施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)沉管作業(yè)開展難度較大，主要是因?yàn)樽鳂I(yè)區(qū)域開展于飲用水水源地，且航道與湖泊通聯(lián)，船舶數(shù)量多，為保證不影響船只的正常運(yùn)行，當(dāng)?shù)卣?guī)定的施工周期短，同時(shí)，又提出綠色、環(huán)保施工要求。此外，湖中多個(gè)區(qū)域的水深超過(guò)2m，意味著開挖基槽的深度應(yīng)大于7m，提高水下作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)，還不利于施工的有序進(jìn)行。

于是，沉管施工前，所有參建人員組織會(huì)議，借鑒相似案例施工方法，最終決定采取整體式沉管施工形式，運(yùn)用管線水下整體下沉施工技術(shù)實(shí)現(xiàn)管線工程的水上+水下進(jìn)行。選用的取水管道規(guī)格為DN1000×2，單根管道長(zhǎng)度達(dá)1km，管中心標(biāo)高為0.06m，管道底端的土質(zhì)構(gòu)成有黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土。而素填土與雜填土表現(xiàn)出良好的工程性質(zhì)，可將其設(shè)計(jì)成管道基礎(chǔ)持力層。

3.2 施工準(zhǔn)備

沉管水下基槽開挖前，應(yīng)保證所有設(shè)計(jì)圖紙以及施工方案審批通過(guò)，建設(shè)方需辦理與當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門、海事單位、航務(wù)單位等職能部門的審批備案手續(xù)，依據(jù)審批部門提出的各類意見(jiàn)積極落實(shí)施工準(zhǔn)備工作。同時(shí)，還需通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、新媒體軟件告知施工時(shí)間以及區(qū)域等，為航道運(yùn)行調(diào)整提供參考。施工范圍內(nèi)應(yīng)沿岸設(shè)置醒目標(biāo)識(shí)牌，以起到警示的作用，便于船舶行駛速度與方向的調(diào)控。還需做好作業(yè)區(qū)域內(nèi)航道交通疏導(dǎo)工作，增設(shè)航標(biāo)、航道頻閃警示燈。完成所有施工審批程序手續(xù)辦理后，組織各施工設(shè)備及船只陸續(xù)進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，包括起重船、挖泥船、拖船等。

3.3 管道發(fā)射

以往所開展的管線下沉施工常采用接近岸邊組織管線加工、拖拽入水的作業(yè)方式，從而達(dá)到省去水下法蘭連接的施工環(huán)節(jié)，但也暴露出另一方面的不足即管道入水前若向其長(zhǎng)時(shí)間施加較大拖拽力，極易損壞管線外部的防腐層。而水上加工可防范對(duì)管道表層的破壞，降低管線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，卻增多水下連接作業(yè)量，不利于對(duì)管線工程造價(jià)的有效控制。為從根本上優(yōu)化、改良沉管施工工藝，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，便在工程執(zhí)行前研發(fā)一款管道發(fā)射裝置，以此達(dá)到管道無(wú)傷下水的目的。

發(fā)射裝置構(gòu)成包括5部分即焊接操作井、制定卷?yè)P(yáng)機(jī)、牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)、軌道發(fā)射平臺(tái)、軌道車。當(dāng)完成每三根鋼管起吊裝載并移動(dòng)到軌道上后，作業(yè)人員便需在焊接操作井中執(zhí)行管線對(duì)接焊接施工；完成一節(jié)36m管線焊接后，運(yùn)行船舶卷?yè)P(yáng)機(jī)，向管線施加牽引力，以保證管道緩慢、勻速滑行。管道發(fā)射至指定位置后，湖岸側(cè)卷?yè)P(yáng)機(jī)會(huì)自動(dòng)收緊鋼絲繩進(jìn)行制動(dòng)，完成最后一段管線拼裝、焊接作業(yè)后，使用法蘭盲板進(jìn)行密實(shí)封堵，直至管線整體入水，運(yùn)行器械船將其托運(yùn)至下沉定位點(diǎn)。重復(fù)上述施工流程，最終可得到長(zhǎng)度為1km的長(zhǎng)距離輸水管線。

3.4 作業(yè)規(guī)劃

要想保證管線下沉施工作業(yè)的順利、有序進(jìn)行，并在規(guī)定工期內(nèi)高質(zhì)量完成各項(xiàng)施工任務(wù)，設(shè)計(jì)的施工方案如下：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，合理劃分水上工程得到兩個(gè)工作面，并為不同作業(yè)分別配置充足施工人員同時(shí)開展施工。其中一個(gè)施工團(tuán)隊(duì)在取水泵西側(cè)岸灘打造鋼管發(fā)射平臺(tái)，其作用是焊接、發(fā)射鋼管，確保最終搭建的管線總長(zhǎng)度達(dá)到1km；另一施工團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)水下土方開挖，由于管線下沉區(qū)域與現(xiàn)處于運(yùn)行中的航道線路有交叉，為降低施工對(duì)通航的影響，最終決定采取分兩段、同方向的施工方法，在此期間，嚴(yán)格按照政府提出的要求合理、科學(xué)布設(shè)警示標(biāo)識(shí)，以保障沉管施工、通航安全。

水上開挖深度達(dá)150m后，需立即組織施工人員開展水上定位樁與溝槽基礎(chǔ)平整施工，由于管線較長(zhǎng)，因此管線下沉敷設(shè)分為三段進(jìn)行：①中間段。下沉管線的長(zhǎng)度約1004m；②取水頭部段。這一分段的管線較短，約7m；③頂管連接段。完成沉管區(qū)域的開挖作業(yè)后，使用盲板實(shí)現(xiàn)管線兩端法蘭的連接，并在注水口處安裝讀數(shù)準(zhǔn)確的壓力表。

各項(xiàng)作業(yè)完成后，利用發(fā)射平臺(tái)將管線輸送至指定位置。待其平穩(wěn)后，組織施工人員開展水壓試驗(yàn)。為獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，需保證所選用的壓力表配備有專業(yè)機(jī)構(gòu)出具的檢驗(yàn)合格證書。將水注入管道中，從管道內(nèi)部施加壓力，當(dāng)達(dá)到規(guī)定壓力值后，開啟排氣閥，盡數(shù)排出管道中的空氣，再由技術(shù)人員對(duì)管道整體情況，如密實(shí)度、完好程度進(jìn)行細(xì)致、全面檢查。在此期間，需做到對(duì)壓力表顯示數(shù)值的全過(guò)程觀察與詳細(xì)記錄，直至內(nèi)部空氣排出后，再逐步升壓，達(dá)1.5MPa時(shí)立即停止。壓力趨于穩(wěn)定后，檢查管體、各接口是否有滲漏問(wèn)題，只有在滿壓狀態(tài)下靜置10min且壓力值下降小于0.05MPa，便可判斷管道整體質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

3.5 溝槽開挖

水下的溝槽開挖施工受作業(yè)條件的限制會(huì)遇到較多突發(fā)性事件，不利于開挖施工的安全、秩序進(jìn)行。因此，施工放樣時(shí)，盡量于岸上進(jìn)行，具體來(lái)說(shuō)就是將溝槽邊線以及管道中軸線引到湖岸，借助導(dǎo)標(biāo)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)施工工序的有效控制。使用長(zhǎng)度為3m的花桿測(cè)量導(dǎo)標(biāo)，依據(jù)施工標(biāo)準(zhǔn)確定相鄰導(dǎo)標(biāo)的間距，應(yīng)始終超過(guò)管線施工長(zhǎng)度的0.2倍。作業(yè)期間，運(yùn)行全站儀復(fù)核所有數(shù)據(jù)，確保溝槽開挖平面位置的準(zhǔn)確性。施工前，還應(yīng)安排專業(yè)人員重新測(cè)量河道斷面，以管道中心線為基準(zhǔn)，彈一條鋼絲繩，而測(cè)量人員則在交通船的幫助下實(shí)現(xiàn)對(duì)管線位置的有效測(cè)量，測(cè)繪作業(yè)需每行進(jìn)1m進(jìn)行一次，使用的測(cè)量工具有測(cè)繩、鉛錘，整合所有測(cè)量結(jié)果繪制出河床橫斷面。

溝槽開挖工程的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在工期短、難度大、縱向距離長(zhǎng)、工作量多等方面，對(duì)各類因素加以綜合考量，決定選用的開挖設(shè)備為反鏟挖泥船。且由于施工位置在運(yùn)行的航道線路上，因此，1km的輸水管線溝槽開挖劃分為兩段進(jìn)行，但同時(shí)施工：第一段開始于管道中間，朝著岸邊的方向延伸；第二段的起始位置于最遠(yuǎn)端，同樣以岸邊為方向組織施工。在此期間，應(yīng)適當(dāng)增加管道與取水頭部段連接部位的開挖深度，以保證作業(yè)空間的充足性。挖泥時(shí)，使用八字錨，并為每艘挖泥船配置兩艘自航泥駁船，其中一艘的工作是在水上進(jìn)行裝泥，另一艘則停靠在岸邊，將泥土運(yùn)輸至指定場(chǎng)地。采取分段開挖原則，將航道中心線作為基準(zhǔn)，先在航道右側(cè)約45m寬的水域開展施工，另一側(cè)則用于通航。完成開挖作業(yè)后，再對(duì)航道左側(cè)進(jìn)行處理，確保航線正常運(yùn)行。

3.6 溝槽回填

沉管管線溝槽回填時(shí)使用的回填土為該作業(yè)區(qū)域開挖得到的土方，先將開挖淤泥運(yùn)輸至固定拋泥點(diǎn)，為管線下沉施工創(chuàng)造有利條件，施工結(jié)束后再將原土拋卸于溝槽中?；靥顣r(shí)，應(yīng)在管線兩側(cè)以及中間部位均勻拋填，遵循對(duì)稱、分段回填原則，嚴(yán)禁出現(xiàn)單側(cè)回填過(guò)多或過(guò)少問(wèn)題，防范下方管線或溝槽受力不均引發(fā)管道局部變形。作業(yè)期間，應(yīng)做到隨填隨測(cè)，并安排專業(yè)潛水員定期檢查水下溝槽回填進(jìn)度，確保施工質(zhì)量。

4.結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)距離輸水管線下沉、敷設(shè)施工難度較大，施工組織復(fù)雜，為保證施工效果與安全，不影響船舶正常通行，需注重管線整體下沉施工技術(shù)的運(yùn)用，充分發(fā)揮其可操作性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、工藝科學(xué)等優(yōu)勢(shì)，從根本上處理沉管深水穿越難、施工作業(yè)成本高、施工周期有限、下沉施工污染大等問(wèn)題，以保證管線工程生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益。