沉管技術在廣西輸氣管道河流穿越中的應用

房海曉 孫 禹

廣西天然氣管道有限責任公司, 廣西 北海 536000

0 前言

廣西輸氣管道工程是國家重點工程,起于廣西北海市鐵山港區,主干線敷設至廣西全境,粵西支線敷設至廣東西部地區,途經北海、欽州、南寧、湛江、茂名等地市。廣西輸氣管道主干線管徑為Φ 813 mm×17.5 mm,粵西支線管徑為Φ 559 mm×12.5 mm,防腐結構為常溫加強型3層PE,設計壓力為10 MPa。九洲江、郁江、紅水河三條大中型河流穿越均采用沉管技術施工[1],但根據河流自然條件沉管施工方案又各有不同。

九州江穿越位于粵西支線,位置為廣東省廉江市石嶺鎮上坡仔村,穿越管道接點之間水平長度486.72 m,管道實長491.38 m;郁江穿越位于主干線,位置為南寧市橫縣六景鎮六景村,穿越管道接點之間水平長度482.99 m,管道實長491.68 m;紅水河穿越位于主干線,位置為廣西來賓市興賓區高龍村和毛塘村,穿越管線接點間水平長度312.69 m,管線實長347.74 m[2]。

1 自然條件對比

1.1 地形地貌對比

九洲江穿越區域屬河谷—平壩地貌單元,穿越段河床兩側地形平坦開闊,起伏較小。河床呈對稱“U”型,兩岸坡角約45°,兩岸均為土質岸坡,均有防洪大堤,高出地面3.4～4.0 m。

郁江穿越區域屬河谷地貌單元,北側屬于山間洼地,附近地勢較平緩,起伏不大,南側屬河漫灘地貌,地勢平緩,為農田[3]。

紅水河穿越區域南北兩岸屬溶蝕準平原,地形平坦、開闊,喀斯特地貌特征明顯,河流兩岸皆為天然陡坎,兩岸岸坡高約40 m,坡度約55°,臨水面處坡度約88°。

通過三條河流兩岸地形地貌對比可以看出,雖然九洲江穿越、郁江穿越的長度大于紅水河穿越的長度,但紅水河穿越與其它兩條河流穿越沉管施工相比難度相對較大。紅水河地處喀斯特地貌區,兩岸的天然陡坎高度高、坡度大、石方多,給沉管施工帶來不小的困難。

1.2 地質條件對比

九洲江河床地質主要為粗—礫砂、淤泥質土、砂夾粘土、粘土、粉質粘土、粘土夾卵礫石、卵礫石夾粘土和砂夾卵礫石,下伏基巖為泥質灰巖、灰巖。河底管溝開挖土方量58 500 m3,石方量7 200 m3。

郁江河床底部地層上部為第四系全新統沖洪積粘土、淤泥質粘土、粉質粘土、卵石和角礫[4],下伏泥盆系中統石灰巖、泥質灰巖和泥盆系下統泥質砂巖。河底管溝開挖土方量19 500 m3,石方量16 500 m3。

紅水河河床地層上部為第四系上新統坡洪積層粉質粘土,下伏基巖為石炭系中統灰巖[5-6]。河底管溝開挖石方量15 000 m3,溝底開挖土方量較少。

1.3 水文條件對比

九洲江穿越區域屬于丘陵山區地帶,從海洋吹來的暖濕氣團受到該地區山嶺的阻擋,抬升后與山區冷空氣遭遇,形成較大降雨,降水量年內分配極不均勻,降雨主要集中在6～9月，百年一遇洪水流量4 781 m3/s,最大沖刷深度2.6 m。

郁江是珠江流域西江水系最大支流,為常年性河流,主要補給為大氣降雨,受季節影響明顯,百年一遇洪水流量19 000 m3/s,最大沖刷深度2.85 m。

紅水河屬珠江流域西江水系,河道彎曲較大,全年降雨集中在春夏季,百年一遇洪水最大流量25 700 m3/s,主河槽最大流速3.498 m/s,岸坡沖刷深度1.19 m,穿越段河床為裸露灰巖,河床沖刷深度0.01 m。

通過氣象水文條件對比可以看出,三條河流受季節性降雨影響較大,雨季流量大、流速高時不利于沉管施工[7],故三條河流施工均于旱季。郁江水流量最大,漂管、沉管作業時需注意船只和管道的固定;九洲江水流較為平緩,比較適合漂管、沉管施工[8];紅水河旱季時流量較小,但因其石方河床下有溶洞,河底水流有旋渦、紊流,沉管時需要特別注意。

2 沉管技術對比

2.1 管道預制對比

九洲江穿越預制管長404 m,材質為Φ 559×12.5 mm X 65 M PSL 2級SAWL鋼管,防腐方式為常溫加強型3層PE防腐。因東岸原作業帶超過300 m范圍內沒有轉角,且地勢較好,故利用其作業帶內進行穿越管道預制。預制管與河道相垂直,整管預制[9]。

郁江穿越預制管長420 m,材質為Φ 813 mm×17.5 mm X 70 M PSL 2級SAWL鋼管,防腐方式為常溫加強型3層PE防腐[10]。由于場地受限,選擇在郁江北岸邊灘上作為焊接施工平臺。預制管與河道相平行,分兩段進行焊接拼裝,單段拼接長度210 m。

紅水河穿越預制管長251 m,材質為Φ 813 mm×17.5 mm X 70 M PSL 2級SAWL鋼管,防腐方式為常溫加強型3層PE防腐。根據紅水河穿越地理位置及地形,選擇位于穿越位置上游約800 m的一處淺灘進行管道預制,淺灘基本是巖石,無植被,高差在4 m左右。利用此處焊接管線,對場地進行填土整平,預制場地形狀約為50 m×250 m的長形帶狀。預制管與河道相平行,整管預制,兩段彎頭均同時預制完成。

相較而言,九洲江穿越施工較為便利,預制管位于主線路作業帶中,直接垂直于河道發送入水即可;郁江穿越和紅水河穿越不具備直接沿主線路方向入水條件,采用的是另開辟預制場,入水后進行漂管作業,漂至指定位置后再沉管;郁江穿越預制管較長,整段入水難度較大,故而分兩段漂管,在水上平臺組隊焊接[11]。

2.2 漂管方式對比

九洲江穿越采用浮筒漂浮系統漂管方式,由施工單位根據現場實際情況自主研究設計。由于配重形式為“對夾式配重塊”,配重塊在管道預制過程中一并安裝,管道無法自行漂浮,需要浮筒輔助。

郁江穿越采用自身浮力漂浮漂管方式[12],密閉的管道經計算自身浮力大于自重,可以在水中漂浮。預制管采用吊車吊裝發送,入水后,利用牽引船牽引管段漂浮至規定位置進行水上組對焊接。

紅水河穿越采用自身浮力漂浮漂管方式,預制管采用吊車吊裝發送,入水后,利用牽引船牽引管段順流而下,漂浮至規定位置。由于紅水河水流較急,漂管距離較長,為避免因河水湍急而造成管線下游段彎頭變形、管線橫移、不平穩等現象,由6艘船只配合牽引。

相較而言,采用不同的漂管方式主要是因為管道配重形式的不同,當管道配重過大,自身浮力不足以漂浮時,就需要采用額外的浮力系統,如九洲江穿越施工采用的自制“浮箱”；郁江穿越相較于九洲江穿越,增加了水上焊接的工序,就需要增設水上作業平臺,以方便組對焊接、檢測補口等多個工序的施工[13]。

2.3 沉管方式對比

九洲江穿越采用松放倒鏈,自重下沉沉管方式。“浮箱”設計有人站平臺和倒鏈,漂浮筒上每兩人用一個對講機,由專人統一喊話,統一松放倒鏈,每次松放 0.5 m 長度,每送一步待管道緩沖穩定后,再送倒鏈,以保證管道平衡有序逐步下沉就位[14]。

郁江穿越采用安裝鑄鐵配重塊下沉沉管方式。管道浮運就位后,各吊裝船拋設八字錨全部固定穩住整管后,把整管吊高出水面。按設計要求安裝鑄鐵配重塊,間距1.3 m,每塊加工成內圓外方兩塊,把配重塊套在管外壁并用螺栓固定。安裝完成后,各起吊船統一指揮,每次下沉0.5 m,并同時進行管中線與基槽軸線校正的測量監控工作,在接近河床底部位置時,派潛水員對管道與管溝中心線的相對位置進行檢查,保證沉管就位[15]。

紅水河穿越采用安裝鑄鐵配重塊下沉沉管方式。根據管道兩端的情況分多次指揮各吊船放松鋼絲繩,使鋼管逐次下沉,每次下沉不得大于0.5 m。管道逐次下沉,各吊點同時不斷進行調整,以保證各吊點的合理分布。管道下沉后,派遣潛水員潛至水下基槽,進一步查看管道是否擺放正確,若擺放正確,則通過潛水員松開吊鉤,纜繩通過布管船的卷揚機收回。

郁江穿越和九洲江穿越沉管的下沉方式基本相同,主要依靠起吊船的吊裝設備進行控制,通過安裝鑄鐵配重塊增加管道自重下沉;九洲江穿越由于處于非通航段,因此采用了較少的船只,主要通過“浮箱+倒鏈”進行控制,設計比較精巧,實際操作也非常便利。三條河流下沉時均沒有采用“注水自重下沉”沉管方式,其弊端明顯:注水后管道整體重量不均衡,易產生晃動和偏移,不利于管道安全;下沉后管道需進行掃水清管作業,增加作業量。“注水自重下沉”沉管方式的優點則是易于操作,充分利用了環境優勢,就地取材,針對長度不大的沉管作業使用[16]。

3 穩管措施對比

3.1 配重方式對比

九洲江穿越采用對夾式配重塊配重方式,配重塊為兩塊砼澆筑半圓形塊對夾,用鋼板夾子固定。郁江穿越和九洲江穿越采用鑄鐵配重塊+馬鞍式配重塊配重方式[17]。鑄鐵配重塊為內圓外方形,兩塊對夾安裝,螺栓固定。

對夾式配重塊的優點:固定緊密,在水下長時間不會出現因河底沖刷造成的傾覆、翻轉等問題,可以起到很好的穩管效果;陸上一次性安裝較為便利,減少船舶作業時間。缺點:陸上安裝完成后管道整體重量較大,吊裝難度和入水難度增加,不適合長距離漂管;如果不在陸上安裝,在入水前用船只安裝,那么安裝難度較大,不易控制。

鑄鐵配重塊+馬鞍式配重塊的優點:安裝較為方便,沉管完成后由潛水員和起吊船配合即可;安裝鑄鐵配重塊使管道整理均勻加重,便于沉管控制[18]。缺點:極端水文條件下,受河床下長時間流沙沖刷等因素影響,會造成馬鞍塊下方掏空,馬鞍塊翻轉,不利于管道運行安全;水上作業時間長,非一次性安裝完成,在通航頻繁的河道較為不便。

3.2 溝底回填和護岸水工保護對比

九洲江河底回填:先用袋裝砂土對管溝進行拋填,覆蓋至管頂上方1 m,潛水員下水檢查回填情況并報告,合格后在管溝上拋撒塊石,但高度不得超過原河床底高。兩岸護岸進行專項設計,采用格賓石籠基礎+漿砌石擋土墻方式。

郁江河底回填:按設計要求拋填砂礫石料至原河床地貌齊平,先進行大方量的水下拋填,用挖泥船將砂礫石裝到泥駁上,用拖輪直接將泥駁拖到需回填處開倉回填,再采取水下整平式的回填料拋填方式,通過導管由潛水員在水下指揮拋填。河道兩岸護岸采用格賓石籠基礎+漿砌石擋土墻方式[19]。

紅水河河底回填:先進行袋裝混凝土回填,采用水灰比為0.54的C 20商砼裝袋,由潛水員根據管線溝槽與管道的安放的情況,以管道邊緣開始碼放至溝槽邊緣為一層,管道兩邊袋裝混凝土回填到設計高程要求;再回填天然級配砂礫石,最后回填片石。兩岸護岸進行專項設計,岸坡方式基礎采用格賓石籠方式,岸坡巖質管溝內回填袋裝混泥土,其他岸坡采用漿砌石擋土墻[20]方式。

相對而言,紅水河溝底回填和護岸水工保護具有特殊性,因其喀斯特地貌,河床與兩岸坡均為巖石,管溝成型于巖石溝槽中,故而回填時多用袋裝混凝土,確保回填料與巖壁緊密結合,保護管道安全。

4 設備與經濟投入對比

九洲江穿越主要設備:布管船1艘,交通船1艘,卷揚機4臺,吊車1臺,挖掘機64臺,浮箱30組;郁江穿越主要設備:布管船10艘,牽引船2艘,警戒船1艘,指揮船1艘,交通船1艘,挖掘機40臺;紅水河穿越主要設備:牽引船2艘,布管船4艘,交通船1艘,指揮船1艘,挖掘機20臺,卷揚機6臺。

從整體經濟投入相比較,紅水河穿越,郁江穿越次之,九洲江穿越最少。九洲江穿越船只使用較少,挖機使用較多,以便吊運已配重的預制管入水；郁江穿越需要在江中船上組隊焊接,并安裝鑄鐵配重塊沉管,船只使用較多；紅水河穿越河床、岸坡石方量較大,爆破清渣、開挖管溝及護岸水工保護的費用投入較大。

5 結論

沉管施工是長輸管道建設中穿越河道所采用的一種常規施工方式。相對于其他通過方式(如跨越等),具有施工難度較小,施工成本較低等特點,在水系發達的南方地區,河流穿越管道施工中選擇沉管技術是相對較優的工藝方法。基于不同的地質和水文條件,沉管具體實施的施工方案也將采取相應變化,因地制宜,因時制宜。廣西輸氣管道工程中分析比較的三條河流的沉管施工，因水文地質等因素采取的施工方案不同,可為同類工程提供借鑒。