紅水河漂管沉降施工技術

許 航 吳曉麗

廣西天然氣管道有限責任公司,廣西 北海 536000

0 前言

隨著中國長輸管道工程建設的不斷發展,油氣管道的數量不斷增加,大型管道不可避免地要通過各種類型的河流,而廣西地區獨特的自然環境給相關河流的穿跨越技術提出了新的要求[1-2]。廣西天然氣管道工程是中國石化北海LNG項目配套的天然氣外輸工程,輻射兩廣地區十六個市,是中國西南重要的能源保障。廣西天然氣管道管徑為Φ 813 mm×17.5 mm,防腐結構為常溫加強型3層PE,工作壓力10 MPa,需要在來賓市橋鞏鄉境內由南向北穿越紅水河峽谷段。紅水河是喀斯特地貌明顯的一條河流,具有岸坡陡、巖層厚、水流急、河道曲等特點,對于此種地貌條件下河流的沉管穿越沒有任何施工和管理經驗可以借鑒。對紅水河穿越軸線進行詳勘,河谷兩岸為天然陡坎,岸邊坡度約55°,臨近水面處的坡度超過88°,穿越斷面形狀為開闊“U”形,岸邊布滿大小不一的溶洞,并向水下延伸。紅水河穿越處河水較為湍急,洪水季節的流速超過2 m/s,這些極端的自然條件給沉管施工帶來了巨大的施工難度。該工程針對喀斯特地區特有的實際情況,采取了一系列的施工措施,利用旋轉漂管沉降的施工方法,成功進行了漂管沉降穿越,以下著重介紹管段漂管沉降過程中的施工原理及關鍵施工技術。

1 漂管沉降施工原理及可行性分析

紅水河水下溶洞裂隙較多,定向鉆鉆頭在前進過程中容易出現卡死的現象,造成重復性施工,并且定向鉆施工費用較高,為了減少施工難度,降低成本,經過多方討論決定選擇在枯水季節進行沉管施工[3]。具體施工工藝流程見圖1[4-6]。

圖1 紅水河漂管沉降施工工藝流程

根據管段漂浮牽引就位的方式不同,漂管沉降可以分為直線漂管沉降、旋轉漂管沉降和起重漂管沉降三類[7-8]。垂直于紅水河流動方向的施工場地小于河流寬度,且地形狹窄,無法在穿越軸線上進行管段預制,所以選擇旋轉漂管沉降進行沉管施工。首先選擇位于穿越處上游約800 m的一處淺灘作為管段預制場地,沿著河流方向預制管段,待無損檢測、管段試壓、防腐補口合格、管溝平整及檢驗合格之后再將管段移入水中,利用管子自身的浮力使其漂浮于水面之上,加上水上船舶的牽引,在水力的作用下使預制管段漂浮到位,然后在牽引船和起吊船的配合下旋管橫江,安裝鑄鐵配重塊使其緩慢下沉,進入管溝中心位置,最后完成管段穿越。

每米管段的自重計算[9]:

G=[(D/2)2π-(d/2)2π]×1m×ρ1×9.8N/kg

(1)

每米管段橡膠保護墊層(10 mm厚)的重量:

(2)

每米配重鑄鐵塊的重量：

(3)

每米管段完全沉入水中的的浮力計算:

F=(D/2)2π×1m×ρ2×9.8N/kg

(4)

由式(1)～(2)和式(4)可得:

(5)

故對預制管段兩段封堵后，即可進行管段的拖浮就位作業。

由式(1)～(4)可得:

(6)

故就位后對預制管段上添加鑄鐵配重塊后,管段會緩慢下沉。

2 漂管沉降關鍵施工技術

2.1 水下爆破管溝成型技術

圖2 水下爆破管溝爆破流程

爆破碎片通過清礁船清理完成后,采用測深儀及GPS對管溝中心線、管溝邊線及溝底標高進行檢測,對于管溝底部標高低于設計管底標高的部分認為合格,對于沒有達到設計標高的部分采用補爆進行處理,對于溝底起伏不平則交由管溝平整設備處理[9]。管溝平整設備由方駁船、平臺及水下平整設備構成，見圖3。

圖3 管溝平整設備

回填的沙礫通過管溝平整設備的導管進入管溝會稍高于設計管底標高,然后再由潛水員下水,推動刮尺沿著基槽中心線前進,這樣高出部分的沙礫就會刮平。對管溝底部砂礫較少的部分,潛水員會做好標記,再通過抓斗將砂礫石送到指定位置,直至管溝底部標高及平整度達到設計及規范的要求,同時解決了溝槽開挖不平出現的管道底部懸空產生局部應力的問題[14-15]。

管溝開挖成型后,為了保證水下管溝的開挖深度和平整度達到設計要求,第三方機構將用測深儀和水下攝像的方法進行管溝復測,對存在問題的個別點位進行處理,直到管溝總體達到設計要求。經檢測:開挖前穿越軸線河底最深處高程為45.4 ～53.1 m,開挖后直管段管溝高程為41.5 m,冷彎段管溝高程為41.5 ～47.2 m,管溝寬度約5 m,溝底填砂平均厚度為0.5 m,管溝中心軸線與設計軸線偏差 <300 mm,溝底設計標高偏差 <150 mm。

2.2 3 PE防腐層及熱煨彎頭的保護

預制管段以整管的形式從預制場順流漂至沉管穿越的位置,為了避免在漂管過程中淺灘礁石和水流沖擊對3 PE防腐層及熱煨彎頭的影響,需要采取一些保護措施[16-17]:預制管段漂管前,在3 PE防腐層外面固定厚 10 mm 橡膠皮保護層,每塊橡膠皮寬1 m、長度略長于管線的周長，用鋼帶固定在防腐層外側;為了防止熱煨彎頭在漂管及翻轉下沉過程中在水流沖擊下產生變形,在距離彎頭3 m處,直管上綁扎一直徑159 mm×4.5 mm的鋼管,加強熱煨彎頭處的強度。熱煨彎頭鋼管綁扎見圖4。

圖4 熱煨彎頭鋼管綁扎

2.3 減小預制管段的旋轉半徑

預制管段在南岸就位后橫江需要一定的旋轉半徑,紅水河穿越處兩岸高程較大,水面到岸邊的距離常年保持在30 m以上,岸坡極為陡峭,導致岸邊的開挖量大。為了減少施工開挖量,需要對原先管段進行角度和長度的改變:將彎頭由30°改為60°,將南岸出水直管段截短10 m,將北岸出水直管段截短7 m,改變后管段的旋轉半徑縮短近25 m,大大減小了開挖量和施工難度。同時,管段翻轉就位后直管段依然可以露出水面,采用立管焊接的方法進行后續施工。

2.4 漂管沉降過程中船舶對管段的控制

在漂管沉降的過程中,考慮到水流的沖擊,所以必須在管段橫江過程中保持預制管段的穩定[18]。待預制管段從上游漂浮至南岸預定位置,固定一端,通過船舶的牽引使其產生旋轉,旋轉過程中讓背弓面迎著水流,以減小其在漂管過程中的變形量。管段前后的船只分別起到拖管和頂管的作用,讓管段逆流而上,最終使管段的中心位于水下管溝的正上方。在牽引機和施工人員的配合下,均勻安裝鑄鐵配重塊,使其緩慢下沉。預制管段的旋轉過程見圖5。

圖5 預制管段的旋轉過程

2.5 管段下沉過程的控制

紅水河河水較為湍急,在預制管段下沉過程中,預制管段受到浮力、管段及鑄鐵配重塊的重力和水流的沖擊力等多種外力的影響,需要采取一些控制措施來防止預制管段因外力而產生過大的變形:

1)控制鑄鐵配重塊的數量。由式(6)得知鑄鐵配重塊的添加使得每米管段產生-922.87 N的合力以便管段順利下沉。為了加快施工的進度,一部分鑄鐵配重塊的安裝在岸上進行,一部分安裝在水面上進行。在水面上安裝鑄鐵配重塊時由起吊船和牽引船共同牽引預制管段,待各船的牽引繩均受向下的力時,停止安裝鑄鐵配重塊,在保證管段順利下沉的同時避免管段受到過大的向下外力。在安裝配重塊時也應注意間隔均勻地安裝,使得管段均勻受力。

2)合理布船,協調施力。在管段下沉過程中起吊船和牽引船分別沿著預制管段方向均勻排布,通過牽引繩拉住管段,抵消水平方向的水流沖擊力,減小因水流沖擊力而產生過大的變形。牽引船為主要施力船,逆流而上,通過前后進退來擺正下沉過程中的管段。起吊船在牽引船的另一側均勻分布,在豎直方向上吊住預制管段,輔助牽引船施力,協同前退。預制管段下沉過程中船只分布見圖6。

圖6 預制管段下沉過程中船只分布

預制管段采取逐次逐段的方式下沉,由牽引船和起吊船共同進行控制[19]。預制管段旋轉就位后,兩端熱煨彎頭各由1艘起吊船控制其前后擺動,在沉管過程中使用牽引繩調整位置,使得彎頭始終處于變坡點正上方。兩岸各布置2臺卷揚機分別位于管段兩側,通過松緊牽引繩來擺正彎管角度,保證熱煨彎頭下潛到位,預制管段進入中心軸線。預制管段在下沉的過程中,根據管段兩端的情況松放牽引船和起吊船的鋼絲繩,管段每下沉0.5 m暫停一次,通過儀器檢測管段是否偏離設計的下沉路線,并適當調整牽引纜,使得管段中線與管溝軸線的相對位置在可控范圍之內[20]。待管段下沉至距管溝溝底約0.5 m時,用全站儀及水下定位系統對管段中線進行監測控制,直至與管溝中心軸線相一致,再將管段沉至管溝之上。管段下沉完成后,通過岸上卷揚機和船只微調扶正管道到設計角度。待調整完畢,管段兩端分別在岸上進行固定和支撐,同時水下進行馬鞍塊安裝,穩定管段,防止發生位移和扭轉。管段逐次逐段下沉控制見圖7。

圖7 管段逐次逐段下沉控制

3 結論

綜上所述,廣西天然氣管道工程紅水河沉管穿越結合廣西喀斯特地區河流的自然環境特點,對沉管施工中的水下爆破管溝成型技術、3 PE防腐層及熱煨彎頭的保護技術、預制管段的旋轉控制、漂管及沉管過程控制等主要的關鍵工序控制點進行了相應的改進和探索,較好地保護了管道,減小了施工難度和工程量,成功進行了沉管穿越,證明了喀斯特地區河流沉管穿越切實可行,為在類似地質條件的沉管穿越施工提供了借鑒。