大型過江輸水鋼管水下敷設整體沉管施工技術

毛建平

（中國水利水電第十二工程局有限公司浙江，杭州 310004）

1 工程概況

廣西桂西北治旱百色水庫灌區輸水總干管和南干管工程ZG9+863.500～ZG10+092.500 m段為總干管跨右江（東筍）沉管段，沉管采用公稱內徑DN2200、壁厚28 mm雙鋼管敷設。水下敷設后在鋼管周邊及上部回填砂卵礫石，固濱石籠護面，坡頂轉彎處設置砼鎮墩，斜坡處管道砼包封。跨右江（東筍）輸水鋼管采用水下敷設整體沉管法施工，沉管段全長178.288 m，水深6.48 m，河底溝槽設計高程109.800 m，槽深6.2 m，沉管最大深度12.18 m，兩管間距1.2 m。

跨右江（東筍）輸水鋼管已于2021 年4 月20 日沉管到位，施工取得了圓滿成功。

2 跨右江沉管處水文及地質情況

根據觀測資料，跨右江（東筍）沉管處施工期水位116.280 m，流量692 m3/s，流速為0.8 m/s。

河床段地質情況：高程107.4 m以下為泥巖，高程107.4 m以上為河流新近沖積砂卵礫石，層厚2～4 m，松散～稍密狀。跨江沉管基礎置于基巖上，承載力滿足設計要求。

3 工程特點和難點分析

（1）輸水鋼管管徑2200 mm，如此大口徑的水下敷設整體沉管在百色市尚屬首次，在廣西也為數不多，可借鑒的案例較少。右江流量大，流速快，沉管深度大，水下施工工序復雜，施工難度較大。

（2）該項目地處城郊結合部百色市城區右江上游，右江為通航河流，必須確保河段的通航安全；工程規模大、關鍵工序多，標準要求高、涉及多部門協調，管理跨度大，組織難度高。

（3）環保要求高。工程位于右江上，施工區域為百色市飲用水取水源地保護區。施工中必須采取有效措施，控制各種污染源，保護好周圍生態環境。

（4）確保DN2200 大口徑輸水鋼管一次性沉放到位，質量和安全風險加大，特別是一次性沉管段彎頭處90°翻轉要確保一次性成功，是本次施工的重點和難點。

4 總體施工方案及施工工藝流程

跨右江（東筍）大口徑水下敷設整體沉管采用直線漂浮下沉法施工。水下敷設沉管先沉放上游管，后沉放下游管。管段岸上焊接，首節管端頭帶截門盲板封閉，焊接完成一節，溜放下水一節，利用管節自身浮力浮于岸邊水面。待穿河鋼管全部焊接完成后，將末節管端帶截門盲板也封閉，利用拖船將總成管段拖運至沉管軸線下游右岸側并固定，當確定沉管日期后將鋼管浮運至沉管位置，然后在鋼管中灌水自然下沉至設計管位。

水下敷設整體沉管主要施工內容包括：組裝場地建設、水下溝槽開挖、軟基處理、基礎墊層，管道組裝及氣壓試驗、鋼管沉管穩管、總成管段水壓試驗、水下級配砂礫石回填及整平、固濱石籠制作安裝等。

沉管工程主要施工工藝流程如圖1所示。

圖1 沉管施工工序流程圖

5 沉管前的各項工作

5.1 施工審批程序辦理

沉管水下基槽開挖前一個月完成施工方案審批，由建設單位辦理與航務、海事、應急辦、環保等職能部門的審批備案手續，按照相關部門的審批意見做好施工準備工作，且在主流媒體上公告施工對航道的影響時間段、區域等。

施工區域沿岸豎立醒目的標志牌，以警示來往的船舶經過施工區域要減速慢行，在施工區段做好航道交通疏導工作，設置航標和航道頻閃警示燈。

5.2 施工作業船舶進場

在辦理好各項施工審批程序手續后，施工所需大型船只陸續進場。主要作業船舶見表1。

表1 右江（東筍）水下沉管主要作業船舶表

5.3 水下管槽開挖

根據埋深要求管道槽底高程為103.6 m，河床段槽底寬度為6.6 m，岸坡段槽底寬為6.6 m。為減少回淤量的影響，水下溝槽采用超深超寬處置，槽底寬度每側超寬1 m，超深0.3 m。

當河床地層為粘土或砂礫石時，施工區域內深水區采用鏈斗式挖泥船開挖管槽基礎；兩岸淺水區岸坡采用定位樁式挖泥船開挖。當河床底層為泥巖時，采取水下爆破法施工。

5.4 管槽基礎找平處理

基槽開挖完成經各方驗收合格后，進行管槽基礎找平處理，在管槽底部鋪筑厚50 cm 的級配砂卵礫石找平層。

施工船將級配砂卵礫石運至回填區，將船舶定位，在船舷設置溜筒，由溜筒卸至管槽基礎上。由潛水員用專用刮平尺進行水下粗平和細平。

平整好后，由潛水員用水下成像設備對開挖后成型情況進行水下攝影，報經監理、業主驗槽。同時委托第三方對水下溝槽采取GPS+測深設備儀器進行檢測。

5.5 鋼管組焊及溜放下水

根據施工條件，鋼管組焊及溜放平臺設置在右江（東筍）沉管處下游約10 km處右岸側。施工平臺高于水面1 m，與岸坡成4°斜角。鋼管焊接選用75 t履帶吊進行管口組對，在每節鋼管下端設置3 組發射架，供鋼管溜放下水使用。鋼管焊接完成一節，溜放下水一節，利用管節自身浮力浮于岸邊。

鋼管組焊工藝流程：鋼管進場驗收→鋼管吊裝→管口組對及清理→定位焊接→鋼管焊接→焊后清理及修整→防腐處理。

為防止水流沖擊對鋼管造成彎曲應力過大損壞管道，鋼管浮于水面時，管頭采用有效起重能力50 t 起重船固定，管尾設兩個地錨，通過鋼絲繩固定。

5.6 氣壓試驗

在鋼管全部焊接完成溜放下水后，進行氣壓試驗。在氣壓試驗前，每一道焊接縫都經過了超聲波探傷合格。氣壓試驗時利用空壓機向沉管內打氣，氣壓緩慢升至1.7 MPa 后，用目視管道水下部分有無氣泡和管道水面以上部分涂肥皂水的方法進行排查，若無泄漏及異常情況，氣壓能穩壓60 min 不變，指針無顫抖現象，則氣壓試驗合格。

6 水下整體沉管施工

根據現場勘察和施工條件，右江（東筍）沉管采用直線漂浮下沉法。在橫管的前兩天將總成管從下游的鋼管制作場由拖輪經右江浮運至東筍沉管軸線下游側附近，平行于右岸線停泊并錨定待用。

6.1 沉管時機選擇

根據沉管施工安排，提前1 個月測量右江（東筍）沉管處的水面高程和流速，以7 d 為周期，每日測量間隔2 h，繪制右江水面的月（日）變化曲線，根據水面變化曲線確定沉管時間。沉管日期以右江流速較小的日期為佳。

具備沉管的天氣條件：一是確定橫管、沉管日期的前后4 d內沒有暴雨、大風等極端天氣，如果天氣、水文條件不允許，沉管日期延后；二是充分做好應急措施，以應對突發的天氣變差、上游泄洪等情況。在橫管前若遇以上情況，在鋼管上增加固定纜繩，固定在水上定位起重船和岸上地錨錨固點。

6.2 橫管

6.2.1 橫管方法

根據觀測資料，橫管當天沉管處右江相應河水位為116.28 m，流速小于0.8 m/s，風力小于4級。

采用5 艘起重船配合橫管，橫管時起重船已在過江管一側（即凹起側）就位并拋錨固定。右岸履帶吊將管道尾部固定，1 艘75 kW 動力船將管端從右岸向左岸推出，隨著拖管的長度增加，5艘起重船（編號分別為1#～5#）逐步收緊鋼絲纜，水平劃弧，旋轉漂管過江。拖管過程中起重船控制浮運速度，根據實際情況控制浮運狀態，使浮運時管道允許的曲率半徑控制在彈性范圍內，盡可能使管段直線浮運。為避免鋼管外防腐材料破損，吊點處選用棉布柔性吊帶采取兜吊的方式起吊。

由于鋼管呈倒虹吸狀，鋼管的水平投影長度大于兩岸距離，浮運時彎管部分平躺于水面，自然橫管不能夠使鋼管橫于基槽上，因此在管道基槽開挖時，兩岸岸坡擴挖成“U”型槽（左岸“U”型槽長27.5 m，寬14.5 m；右岸“U”型槽長27.5 m，寬19 m），當管兩端將與兩岸接觸時，停止橫管，右岸管端先利用起吊船拖入右岸“U”型槽內，左岸管端利用75 t 履帶吊及5#起重船共同起吊彎管段，將彎管段抬高1 m后就位于左岸"U"型槽內。橫管施工軌跡見圖2。

圖2 橫管施工軌跡示意圖

6.2.2 管道翻轉

當管道橫管就位后，先將兩側彎頭翻轉30°，然后直管段起吊船將直管段吊高10 cm，使右側彎頭的高度低于其他管段高度，然后由管道右端開始注水，使注入的水向此彎頭集中開始下沉，同時各起重船及吊車配合，邊下沉邊使管道自然翻轉90°，實現彎管垂直于水面，從而實現整體彎管垂直向下，并讓右側彎頭端先沉到河床。

6.2.3 管道橫江過程中彎曲度控制

管道在橫江運行過程中，管道浮于水面，受風向、水流因素影響，管道易發生彎曲變形，要嚴格控制管道的曲率半徑，保證其強度和變形均控制在彈性范圍內，否則管壁會因為受折而破壞。

橫管拖運過程中，隨時根據水流方向控制管段在水中的浮運狀態，根據施工前計算好管道允許的彎曲半徑計算出極限弦長，在浮運時隨時對管道彎曲后弦線的長度L（L應大于極限弦長，本工程控制為123.617 m）進行跟蹤觀測，并及時溝通各拖運機械操作人員做好相應調整。務必注意緩速拖運，盡可能使管段直線浮運。

弦長觀測工作從管道橫江開始，到管頭、管尾基本進入兩岸邊基槽位置為止。弦長測量方法為在管道兩端設立標志點，在岸邊架設全站儀測出標志點坐標，通過坐標換算兩點間距離。

6.3 沉管

6.3.1 吊點布置

根據鋼管的長度（173.54 m），共設計7個吊點，彎頭斜管段吊點由兩岸履帶吊配合起重船起吊，直管段設3個主吊點，由3艘60 t起重船起吊。吊點應處于管道中心線上，以免在吊裝時管道發生扭轉。吊點設置見圖3所示。

圖3 鋼管吊點設置示意圖

6.3.2 定位

當管道橫進基槽內浮于水面時，管道兩端利用岸邊的兩臺履帶吊精確定位，水面利用起重船對管道軸線進行精確定位，兩臺全站儀立于兩岸配合精確定位。鋼管水中定位完成后，由于管道跨越右江，右江水流湍急，管道浮運就位下沉過程中水流會對管道產生沖擊造成彎曲應力。這就必須考慮管道和穩管工程船的錨固點布置。其錨固點布置如圖4所示。

圖4 江中定位穩管及錨固點設置示意圖

6.3.3 進（注）水

當橫管定位完成后，即可打開管道的進水閥和排氣閥，右岸端進水，左岸排放口排氣，利用2 臺水泵注水，控制纜控制管段保持好適當的位置形態，使管段在一端進水時另一端排氣順暢，防氣阻和水錘的產生。進水閥和排氣閥設置示意圖見圖5。

圖5 進水閥和排氣閥設置示意圖

6.3.4 下沉就位

灌水過程中，密切關注灌水總量，當管體和水的總重量略大于浮力時，此時沉管處于臨界狀態，管道開始下沉。因管內的水流動空間較大，保持管體平衡是沉管下沉的關鍵。沉管總指揮根據管道排氣端的排氣情況分多次指揮各吊船同時平穩勻速釋放吊索，使鋼管逐漸下沉。在管道下沉過程中，起重船主要控制管道形態，下沉過程中務必控制下沉速度，各吊點同時不斷進行調整，使管道均勻下沉，管道受力控制在容許范圍內。

管道每下沉1.0 m，岸上測量儀器根據起重的吊鉤和起吊鋼絲繩作為參照物，確定管道的軸線位置，進行一次吊點、吊力、管位及船位的檢查和調整，調整完成后再將管緩緩下沉。

當管道軸線長度方向每下沉10 m后，潛水員下水檢查管底與基槽接觸的均勻程度和緊密性，管下如有沖刷，大量時采用碎石鋪筑，少量時采用中粗砂鋪筑。沉管就位后，安放楔子并固定好沉管兩端端頭，穩定管體。

在管道下沉過程中管道變形應力最大的兩個點是即將著河床段和水面即將下沉段（見圖6）。利用起重船的吊點調整管道下沉的姿態，讓管道變形應力控制在允許范圍內。期間不斷地復測管體高程和方位，若有偏差，由起重船配合移動管體糾正。

圖6 沉管過程中管道示意圖

6.4 沉管后水壓試驗

（1）預先制作兩塊悶板和鋼管直接焊接，并在悶板上焊接橫向、縱向加強筋固定。悶板厚度為26 mm 的Q235C 鋼板，悶板上分別設進水閥、排氣閥、壓力表。

（2）試壓前將鋼管內充滿水，排盡空氣，鋼管充水浸泡時間為24 h。

（3）水壓試驗壓力采用1.5 倍設計壓力。管道試壓應滿足《給水排水管道工程施工及驗收規范》（GB 50268-2008）的相關規定。

7 沉管后的管道加固和保護

根據設計要求，沉管段就位后，在管道周邊及管頂以上回填1.9 m 級配砂卵礫石，上部采用厚1.0 m的固濱石籠護面固定管道防止沖刷。

7.1 管身兩側及頂部回填

管身兩側回填級配砂卵礫石，采用溜筒回填，施工方法同管槽基礎回填，施工時需注意管身兩側均衡卸料，潛水員隨時下水檢查回填效果，防止一次性水下某個點堆料太多擠壓管道位移。

管頂回填采用自卸船回填。先由一艘工程船拋錨定位在管道軸線上方，岸上的全站儀準確定位工程船的網格化位置。裝載量36 m3自卸船靠泊上定位船后，由岸上的全站儀確定位置準確后再開倉卸料。自卸船回填施工中采用“劃分小區、轉船定位、定量拋投”的方法，以達到“拋足、拋準、拋勻”的質量標準。

7.2 固濱石籠保護

沉管段石籠防護范圍寬23.6 m，水平投影長度204 m，固濱石籠在岸上拼接填石組裝后再利用起重船吊入安裝到河底。其施工工藝流程：拋前水下地形測量→施工網格劃分→測量、放樣→石籠制作→石籠填石→拋石籠→施工完工后水下測量。

固濱石籠頂部再回填1.0 m厚級配砂卵礫石與現狀河道持平。

8 結語

（1）大型鋼管水下敷設整體沉管施工工序復雜，具有一定的施工難度，管理跨度大，組織難度高，必須建立健全統一的組織機構和一個強有力的指揮協調系統，統一指揮、協調沉管的各項工作。

（2）大型鋼管水下敷設整體沉管施工前，必須掌握沉管期間的氣象，河流上下游的水文、水情，詳細摸清沉管軸線附近的水下旋流、渦流情況，了解河床的地質情況，為大型鋼管水下敷設施工提供基礎材料。

（3）水下敷設整體沉管施工可實現水下基槽開挖和基礎處理、兩岸坡相關設施施工、鋼管制作及溜放的平行作業，可以加快施工進度，縮短工期。

（4）過江管道整體沉管施工技術能實現鋼管全部在岸上焊接，確保了管道焊接安裝質量，實現管道精確定位入槽，保證管道的撓度、彎曲半徑、抗扭、抗剪、抗折應力在安全值內。

（5）大型水下敷設整體沉管施工工藝合理、可靠性高、適用性廣、可操作性強，與常規的圍堰法施工相比較，可解決沉管難以解決的大跨度穿越、深水穿越問題，施工水域封航時間短，對航運影響不大，對下游不會產生污染，降低勞動強度，減少不安全因素，具有明顯的經濟效益和社會效益。