大型輸水過江沉管水面浮運法施工關鍵工序研究

趙志 盛松濤 長沙理工大學水利學院

1.引言

隨著城鎮化建設的高速發展，通水、排污、通氣等管道在現今城鎮建設中越來越普遍，而江河、海灣對管道的阻礙一直是城市建設中常見的難題。水下沉管技術具有對環境影響小、預算低、能有效抵御惡劣天氣的影響等優勢，是解決這一難題的有效辦法；大型輸水過江沉管建設項目也日益增多。

由于江河、海灣水深較大，水下沉管的施工不可避免會受水流影響，尤其是大直徑長距離水下過江沉管的施工難度更大，其施工方法一般有盾構法、圍堰明挖法、沉管法和水面浮運法。水面浮運法憑借其埋深淺、地質適應能力強、兩岸接線短及對岸線環境影響小等優勢，已成為修建跨江越海管道的重要工法，并在國內城市水下工程中得到廣泛應用。

本文以廣州市某新建污水廠穿增江輸水管道施工為例，系統介紹大型水下沉管的主要施工內容與工序，分析工程施工的重點難點與對策，著重分析介紹了該過江沉管水面浮運法施工關鍵工序的方法與思路。可對類似水下沉管工程施工提供重要參考。

2.工程背景

廣州增城某污水處理系統工程穿增江污水管道，為兩根平行敷設的DN1600污水壓力鋼管。穿江管線位于增城大橋南側，沉管段里程為DK0+202～DK0+610,過江管平面布置見圖1。穿江段采用沉管施工，穿河堤段采用頂管施工，其余段為支護開挖施工。

根據設計要求，穿江沉管段采用兩根D1620×22（Q355B）鋼管，沉管兩端為連接頂管的彎管。沉管段里程為408m，沉管直管部分單管長度360m，總長720m，管徑1.60m，兩根管道中心距2.6m。沉管段管材采用焊接鋼管，鋼管除閥門等處采用法蘭連接外，其余均采用焊接，管道接口采用對焊接口。

圖1 過江管平面圖

3.施工內容與關鍵工序

3.1 施工內容

大型水下過江沉管一般采用水面浮運法施工，即在加工場地先行預制好大直徑管道，同時在江內開挖好放置管道的溝槽。然后在浮吊、卷揚機、拖輪等機具設備的保護下進行管道下水、浮運及下沉就位，并在水下進行管道試壓、水下砼鎮墩的澆筑。通過灌砂、基槽回填進行沉管基礎處理，沉管與兩端頂管相對接，最終形成水陸對接的管道系統。過江沉管總體施工工藝流程如圖2所示。

3.2 關鍵工序

過江管下水及浮運、過江管下沉就位工藝復雜，對施工技藝要求高。管道下水前的下水滑道布置、平板滑車制作、吊運過程中的機械設備布置與控制都極為復雜繁冗。下沉就位的施工機械船舶多而雜，施工工況差管道受力分析較繁瑣。而這兩道工序的施工好壞，會直接影響工程最終的質量、功能、耐久性及成本，故過江管下水及浮運、下沉就位工序是本工程的關鍵施工工序。

3.2.1 管道下水

按設計要求，本工程預制直管部分單根長180m，直徑1.6m，每根管道重158.4t，體量很大。管道下水吊運施工工況很差，管道下水是整個沉管施工的主要工序之一，也是施工的重點與難點。

3.2.2 管道整體沉放

因預制場地受限，岸邊制作管道最長只有180m，增江寬360m，需在岸邊場地先預制四根管道下水后浮運到下沉位置。通過水上焊接平臺將其兩兩焊接后再一次性整體下沉，下沉時需多種水上施工船舶配合潛水作業人員控制沉放位置。因此，管道整體沉放施工難度大。

4.分段下水及浮運

4.1 施工工藝

過江管重量大、體型長，下水及浮運難度大。本工程將預制管道分四段施工，每根管段長約180m，下水時需要大型牽引設備控制。下水施工牽引及控制設備包括岸上的卷揚機和汽車吊，江中的浮吊、拖輪等。下水時為避免管道與地面的摩擦造成管道磨損，需用多個平板滑車承載，在多個船舶機械的控制下，通過預制好的下水滑道上緩慢入水。

4.2 過江管下水

預先將焊接好并固定在枕木上的整管用液壓千斤頂就位至平板滑車上。沿管道軸線布置6-8個50t千斤頂，每次同時下降5cm，并拆除相應枕木，直至管道就位至平板滑車上。下水前將管口用封板焊接密封，并在下水施工場地挖設平緩的坡道（坡度i=0.02）制成下水滑道。在場地上安裝好卷揚機、汽車吊，用于控制下水速度。在管道軸線上部焊接吊環，吊環在同一條直線上，并且與管軸線重合。通過下水滑道，利用汽車吊將管道滑送到水里，管段接近水面時，用浮吊船吊住管頭，慢慢將管道拖入水面。

4.3 過江管拖輪浮運

本工程浮運鋼管單根直徑1.6 m，管長約180米，單根自重W=3.1415×(0.8112－0.7892)×7.85×180=158.4t；總浮力F=3.1415×0.811 ×0.811×180=370.8t。管道浮力＞管道自重，因此管道下水后將處于懸浮狀態。

管道整管下水后，管道懸浮水面需臨時錨泊在水上直至沉管施工工序開始。利用拖輪拖帶管道至設計位置，與事先已經拋錨定位的船舶綁在一起，等待下沉就位。

5.整體灌水下沉

5.1 施工工藝

管道下沉就位位置要求精確，管道軸線應與管槽軸線重合，以確保沉管與頂管精準對接。本工程采用多艘船舶拋錨形成多吊點來校核管道軸線。管道灌水下沉時，船舶吊點控制管道下沉速度及下沉量，復測軸線準確后試壓，試壓完成后即可錨固管道。管道整體沉放由東側向西側依次采用注水下沉方法施工。

圖2 過江沉管施工總體工藝流程圖

5.1.1 管道注水與排氣

管道浮運就位至軸線位置復核后即可開始注水下沉，采用一臺DN 150mm泥漿泵進行注水，并根據管道實際下沉情況調整注水速度。根據水泵流量50～60m3/h，注水約422m3（約8小時）后，鋼管全部入水。管道在浮力作用下處于懸浮狀態，完全注滿管道約需16小時。在管道注水下沉過程中，通過在管道兩端封板上及管中軸線上部設置DN400排氣閥將空氣排出。

5.1.2 管道下沉

管道注水從東岸開始，東岸端管道先開始下沉。。管道下沉施工所有施工人員及機械都須經24小時連續作業。管道完全就位后，利用潛水員對管槽進行摸測，并安排測量員進行實測。使管軸線位置、管頂標高均符合設計及施工規范要求后，就可以進行管道試壓工作了。

5.1.3 下沉控制要點

測量定位需準確，每個位置都須布置測深繩，一端固定在吊環上，并在沉放中經常校測，并及時做好管道沉放記錄。應控制沉放速度，確保管道整體均勻、緩慢下沉；管道充水的同時排氣，充水應緩慢、適量，并應保證排氣通暢。

6.結論

大直徑長距離過江管道下水、浮運與沉管施工工況較差，本工程采用將過江管分段下水浮運、整體灌水下沉、多吊點卷揚控制的施工方法。利用下水滑道、平板滑車、牽引船只與控制浮吊實現管道下水；利用輪拖帶管浮運，浮吊與拖輪錨泊；管道灌水下沉，利用多船舶多吊點卷揚機控制管道下沉速度及下沉量。下水、沉放安全可靠，定位比較準確。而且管道位置被固定，上下高程升降完全由升降系統控制，升降十分方便且精度較高，可輕松做到上下微調。實現了大型輸水管的下水浮運和沉放的安全精確施工，有利于后續水下施工作業的順利實施。