沉井內大高差大直徑S形彎管接攏方法探討與實施

張亦弛

上海市政建設有限公司 上海 200438

1 工程概況

上海黃浦江上游水源地連通管工程C8標段范圍為：自松江泵站—金山分水點段的JC26號井（不含），金山分水點—閔奉分水點的JD07號井（含）。包括1個分水點（金山分水點）、8座頂管井（JC27～JC28、JD01～JD07）、7個頂進區段，頂進長度4 569.53 m。

該標段中JD01基坑井內凈尺寸為φ17 m，沉井下沉深度21.25 m，井壁厚度1.0 m。JD01井內有1根DN3 600 mm連通管需與另一端DN3 600 mm開槽埋管段相連接，也就是本文討論的大S彎鋼管井內連接施工技術（圖1）。

圖1 JD01頂管井平面布置

JD01井內大S彎中心線高差為11.8 m，管節最上沿至底端15.4 m，彎中水平角度偏轉7°50'1''，對于這種一定深度井內大質量的管節連接，施工存在相當的難度及風險，需要施工人員合理細致地規劃施工。

2 可行性方案

考慮到大口徑鋼彎管運輸有別于直管，經分析卡車實際裝載空間尺寸（標準車寬小于2.5 m）及超寬車輛運輸備案情況，應盡量避免平躺運輸增加裝載寬度，同時由于豎向運輸途中易造成彎管損壞變形，故應盡量減少彎管長度，經協商后將大S彎分成4段45°管節及一部分直短管加工運輸較為穩妥，45°管節裝車后采用三角木墊塊及綁帶固定，管段運輸在夜間進行，減少交通影響（圖2）。

圖2 45°彎管裝車示意

經劃分后，井內接攏共分6段管節、7道焊縫，剩余焊縫由加工廠完成（圖3）。管段內細實線為加工廠焊縫，粗實線為現場焊縫，同時6#管節作為橫向直管主要用于橫向調節偏差，3#管節則用于縱向調節偏差。

圖3 大S彎進場管節劃分

管節運抵現場后，經由現場焊工拼接。拼接可采用沉井外預焊接再井內整體吊裝，也可采用管節分段下井拼裝。經過對三維模型和現場工況的分析以及以往的施工經驗，井下焊接的難度一定程度上大于地面，有條件地減少井下焊縫數量，同時采用合理的吊裝方法是更為穩妥的施工方案，經研究，存在2種可行性方案。

1）整體吊裝：將大S彎各段先由沉井外施工場地進行預拼接，完成后由2臺汽車吊雙機抬吊入井拼接，此方案為類似工程較多選用的施工方法。

2）分段吊裝：合理的分段吊裝并非由加工廠運輸至現場后直接下井進行拼接，選擇合適的管節進行預拼接，減少下井段數，同時也要保證吊裝質量不宜過大，降低施工風險。根據計算，將吊裝分為3段，包括1段90°彎頭、1段90°彎頭加縱向短管及1段排氣三通。

3 施工方式分析與選擇

雖整體吊裝為傳統常用施工方案，但在具備一定深度的地下施工時，在可行的條件下應避免采用危險性較大的施工方案，我們認為分段吊裝比整體吊裝具備如下優勢：

1）整體吊裝管節質量大、體型大，總質量接近60 t，理論對角最長達19.3 m，且管節中心線呈大S形，無論單機吊裝或是雙機抬吊，起吊后的管節姿態都較難控制，對起吊要求相當高。若采用分段吊裝可控制每次起吊質量，降低施工風險等級，同時分段后的管節結構更為簡單，吊點更易選取，整體施工難度相應降低[1-2]。

2）采用整體吊裝時，無論井邊加工場地如何放置大S彎管，起吊的難度都較大，如若采用側躺放置，在起吊時必須經過翻身操作，易造成管節彎心或邊口受損。最佳方案采用“∽”形放置，同時墊設大量的鋼結構作支撐，起吊時配合采用溜尾吊，避免管段受損變形。而分段吊裝由于結構相對更為簡單，起吊難度遠低于整體吊裝，同時整體吊裝還存在場地堆放的局限、大起重量汽車吊地基加固等問題。

3）在整體吊裝中，S彎下口拼接完成后需在拐角重心下布置鋼支撐結構，在未澆筑混凝土支墩前，鋼支撐結構需能夠承載整個大S彎的全部質量，對鋼結構支撐載荷強度要求較高，同時大S彎管上端吊鉤不可脫鉤，直至上端完成接攏后方可脫鉤進行混凝土支墩的澆筑，整體施工風險大。采用分段式吊裝可以在第1個90°彎管完成后即可進行混凝土支墩澆筑，鋼結構支撐的載荷遠小于整體吊裝，相應的可靠度更高，施工風險進一步減小。

4）在整體吊裝完后進行上端口拼管焊接時，由于施工工序的原因，可以搭設多層鋼平臺（或是類貝雷梁結構）協助焊工焊接（圖4），搭設高度為10 m，工人高空作業存在較大的安全隱患。而分段施工則采用邊施工邊回填的工序，不存在高空作業風險。

圖4 整體接攏鋼支撐形式

5）在施工措施費方面，這里估計三段式吊裝采用2個臺班160 t汽車吊及1個臺班80 t汽車吊，共計2×1.8萬＋0.8萬=4.4萬元，整體吊裝采用2臺250 t汽車吊雙機抬吊各1個臺班，共計2×2.5萬=5萬元。

在人工費用方面的區別主要體現在拼管人工上，在下井前一般只需要2名工人進行拼管，下井后由于施工難度加大，則需要4人進行拼管。這里我們計算整體吊裝下井前需完成5條焊縫，下井后只需2條，以人工費400元/日計算，共計（2×4＋5×2）×400=7 200元；分段吊裝下井前需完成3條焊縫，下井后只需4條，共計（4×4＋3×2）×400=8 800元。

同時由于整體吊裝需要更為牢固的管道鋼支撐以及高15 m鋼支撐平臺的租賃費用，在施工過程中也存在費用上的區別。

根據計算，2種吊裝接攏方式整體費用差距不大，預計分段吊裝節省0.7萬元。

但同時整體吊裝也有它的優勢。在工期方面，采用分段吊裝施工時穿插混凝土支墩支模、澆筑等，勢必影響階段性施工節點要求[3-4]。

根據計算，預計多花費時間約為15 d。在接攏管精度控制方面，整體吊裝相對分段吊裝更為容易，分段拼接每一段的施工偏差都有延續性，對拼管的精度要求更高。

4 大S彎三段式接攏

根據如上分析，我們認為，將大S彎管節分成三段分別進行吊裝，即90°彎頭、90°彎頭加縱向短管及1段排氣三通這一方案更具可行性。

三段管段分別為：A段45°彎頭雙拼并在其上部焊接上500 mm短管，B段45°彎頭雙拼形成90°彎頭，C段排氣三通。根據計算，A段質量為27.93 t，B段質量為26.32 t，C段質量為6.45 t。

根據JD1井DN3 600 mm連通管的外形尺寸、安裝位置、安裝形態、起吊質量及沉井邊場地情況，A、B段吊裝選擇1臺160 t汽車吊，C段選擇1臺80 t汽車吊，依次分步驟完成吊裝。

4.1 A段吊裝

A段管段，由45°彎頭雙拼及500 mm短管組合而成，為不規則形管，由計算重心來確定臨時吊耳位置。根據管段重心，且安裝就位時一端管口截面水平，一端管口截面豎直，因此主吊點為2個20 t級的吊耳布置于重心上方偏離垂直管口側，在截面垂直管口前端設置1個20 t級輔助吊耳（圖5）。

圖5 A段管段吊耳布置

兩主吊耳通過鋼絲繩掛于汽車吊吊鉤上，主要負責管節起吊；截面垂直管口前端處設置的輔助吊耳通過手拉葫蘆掛于汽車吊吊鉤上，主要負責調解管口截面垂直度和管節吊裝姿態，保證吊裝拼接質量。

在起吊前，被吊管段兩口處做好十字鋼結構支撐，保證施工過程中管口的橢圓度不受外力原因超出標準以至對口困難。待準備工作就緒后，采用160 t汽車吊將A段吊入JD01井內，在吊裝過程中，管節的角度控制稍大于安裝角度，在對接口設置了導向型靠模，吊裝管節在上部進入靠模后，緩緩松鉤，使其下部管口對接重合；在焊縫未完成燒焊連接前，汽車吊保持不松鉤；彎管內搭設鋼平臺逐步往上，方便焊工操作[5-6]。

在A段管吊裝時，在管底布置鋼支撐托架（圖6），以保證在混凝土支墩澆筑及井內回填前，管節不會因為重力原因導致形變，同時也能保證管道電焊施工的安全性。托架采用20a#工字鋼，底部鋪設厚12 mm鋼板，兩支腿側向各增加斜撐以保證穩定性。

圖6 鋼支撐托架示意

A段管節完成吊裝后，在不拆除鋼管支撐托架的情況下進行混凝土支墩澆筑及井內回填，回填至管口標高下1 m，實際標高為－6.50 m，便于后續B段的吊裝、焊接工作。

4.2 B段吊裝

B段管節為45°彎頭雙拼，其重心在中心線上，由于安裝就位時一端管口截面水平向下，一端管口截面豎直，因此主吊點設置為2個20 t級的吊耳布置于重心上方偏截面垂直管口側，采用鋼絲繩連接汽車吊主吊鉤；在截面水平管口上端設置1個20 t級輔助吊耳，采用手拉葫蘆連接汽車吊吊鉤，用于調節安裝水平度（圖7）。

圖7 B段吊裝重心及吊耳布置示意

B段吊裝同樣采用160 t汽車吊，吊裝方式及施工要點都類同A段吊裝。

在B段管吊裝時，在管底布置同A段相同的管道支撐托架，上部鋪設橡膠墊以保護管節防腐涂層，并在其下方架設臨時支撐平臺，保證管段整體穩定性。

B段管節完成吊裝后在井內進行回填，回填至管口標高下1 m，實際標高約為－2.50 m，便于后續C段的吊裝、焊接工作。

4.3 C段吊裝

C段吊裝相應較為簡單，在排氣口兩端平均分配2個15 t吊耳（圖8），并采用80 t汽車吊進行吊裝。

圖8 C段吊耳布置位置

在C段管吊裝時，在管底同樣布置帶橡膠墊的管道支撐托架，以保證管節質量及焊工安全。

5 實施效果

在施工決策階段，項目部技術人員經討論選擇了一個相對穩妥的施工方案，施工前期做好了完善周全的準備工作，各方面人員協同努力，按計劃井然有序實施，最終未產生任何施工安全及質量問題，各階段施工中都消除了可能出現的隱患問題[7-8]。

采用分段下井接攏的施工方法不僅在施工安全上面有顯著地提高，在成本上也得到很好的控制。分段吊裝采用更小噸位的單臺吊機，同時減少了一定量的鋼支撐，雖然需要更多地拼管人工費用，但整體費用略低于雙機整體吊裝。

由于前期準備工作充足，施工階段井然有序，從第1根鋼管下井至最后1根鋼管焊接完成共用16 d，其中包括混凝土支墩的澆筑、養護，井內回填土等較為耗時的工作，基本符合施工計劃。

本項目大S彎鋼管由于分為3段井下拼接，故對前2段的拼接精度要求非常高，且施工偏差是具備延續性的，操作不當很有可能造成最后一個管段無法接攏，因此必須高度重視拼管質量。為此，在實際施工中，我們每拼完一段即做一次復測，嚴控精度，最終在合理的尺寸誤差內完成了大S彎接攏施工。

6 結語

考慮到井內施工較為不便，往往在施工中總想著化零為整，盡量將工作轉移到較為方便的井邊施工場地，減少井內的工作。但從這次大S彎接攏施工中，總結出了更進一步的施工經驗。

在保證施工安全的前提下，做好合理的規劃與準備，可以有效地減少施工工期，分段施工確實比整體吊裝所需工期更長，但只要計劃合理，可以將工期差距減到很小，同時也能減少施工相關費用。

所以，我們認為最合理的施工方法不是依靠經驗按圖索驥，施工總有它的相似性和差異性，根據實際情況做好統籌準備，合理布置，即可達到高效施工。