急流深河道河道管快速安裝技術在沉管工程中的應用分析

王 池 黎昌源 王元文

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

0 引言

河道管一般包括河道沉管和架空管。河底沉管法是沉管技術的發展和延伸，采用河道管鋼管在岸上一次焊接成型，將其在岸邊搭設管道輸送平臺，在輸送平臺上焊接成型，通過卷揚機拉力將其拖動在河道水平面上，利用卷揚機和輸送平臺配合輸送就位，然后灌水下沉，直至鋼管沉放至設計底板高程為止，鋼管安放后進行回填施工，代替傳統的跨河管道采取的架空橫跨河道或修建斷水圍堰的施工工藝，由于河底沉管及輸送平臺施工技術具有施工安全、周期短、成本低等優點，在城市供排水管道跨河施工中應用廣泛。盡管河底沉管施工技術較為成熟，但由于河底沉管安裝好后是長期沉入河底的，維修比較困難，對沉入河底的管道的焊接質量以及安裝過程中控制鋼管撓度要求較高。對于直徑較大、跨河長度較大的河底沉管，普遍具有重量大等特點，且航道內不具備大型運輸船舶進入施工作業區，亟需解決河底沉管運輸至河道內的技術難題。另外由于河底沉管采用整體深入河底安裝工藝，如何保證鋼管安裝過程中撓度變形、就位后軸線和高程滿足設計要求以及保證下落過程中各吊點的平衡等，另外受沉管大小、水流速度、沉入深度、氣候條件等不同因素影響，在實際應用中河底沉管安裝定位、急流深河道管槽開挖回填和沉管安裝仍存在很多難點，需研究一種能夠保證河底沉管快速安裝、控制鋼管形變的方式，并配備相應的輔助設備工裝，確保河底沉管的安全快速安裝。急流深河道河道管快速安裝施技術就能克服傳統安裝方法導致的不足和困難。本文結合馬來西亞美里二期供水項目過河段沉管工程對就急流深河道河道管快速安裝施技術進行應用分析。

1 工程概況

馬來西亞美里二期供水項目過河段沉管主要是穿越Karap和Bakong河道的2條沉管安裝，其中Karap河道段沉管樁號為DK7+755.13～DK8+045.37，全長290.248m；Bakong河道段沉管樁號為DK15+133.88～DK15+309.69，全長175.81m。河底管道鋪設均采用直徑1200mm MSPUL雙管鋪設，兩管中心間距為2.75m，預埋河底2m以下。河底沉管直徑較大，距離較長，每根沉管為10m，鋼管壁厚15mm，重量為12t，沉管外側有75mm混凝土包裹，包裹混凝土厚度要根據調試設計水壓力計算數據取得，河底地質、河水位、河水流速及施工環境，溝槽的開挖及回填，設備的起吊安裝，吊裝運輸，沉管開挖面積較大，開挖完成后整體河寬約260m，移動平臺的搭設及管道在推拉過程中容易變形，且管頭容易制動等均屬于該工程的施工難點。由于Karap河航道區域水流速度較大，最大流速可達3m/s，水下沉管下水時最大接觸面積1140m2，對水下沉管在下水期間推力較大，河道管槽開挖深度約3.5m，開挖坡度為1∶3，開挖工程量巨大，開挖過程中急流對開挖作業面有嚴重影響作用，該河流寬度約50m，重型設備船舶無法運輸到施工現場，這些都是河底管道開挖回填安裝面臨的施工難題。

2 急流深河道河道管快速安裝施工工藝

針對該過河段沉管工程面臨的困難，公司決定采用急流深河道河道管快速安裝施工技術。

2.1 工藝流程

施工準備→河底管道設計生產→河底管道輸送裝置基礎混凝土施工→輸送裝置施工安裝→河底管道接縫處施工步驟→河底管道固定系統施工→河底管道懸浮控制系統施工→河底斜管道安裝系統施工→卷揚機及地錨系統施工→河底管道拉力受力裝置施工→河底管道流水線作業→注水下沉→河底沉管安裝完成→測量復測→水壓試驗→管道溝槽回填→河道管河岸邊場地平整恢復。

2.2 河底溝槽開挖回填施工工藝

首先河道區管槽開挖采用GPS定位、GPS-RTK測量技術進行水下原始地形測量及分析，建立水下三維開挖模型和立邊坡開挖數學模型。采用“長臂挖機+抓斗式挖泥沙船”聯合開挖施工，長臂挖機負責淺水區，抓斗式挖泥船負責深水區域。采用“分層開挖法”，開挖坡比為1∶3，階梯深度1m，確保邊坡開挖比例及安全，見圖1。設置溝槽開挖中心導向標，并基于GPS定位及測量技術進行實時檢測，及時調整分層開挖順序，實現急流中河底沉管水下溝槽開挖尺寸精確控制。采用“井點降水法”減少沼澤區域地下含水量，合理布置垂直排水管和土工布，改善開挖易塌落、回淤的情況。斷面開挖采用“分層開挖法”，采用機械+人工的聯合作業方式清表。利用超聲波深度檢測儀進行溝槽頂面高程控制。回填時要順水流方向回填，勤測水深，勤測量對標，潛水員下水檢測回填回淤情況[1]。

圖1 河底溝槽開挖示意圖

2.3 河道管快速安裝施工工藝

集沉管對裝、焊接及運輸為一體的分離式運輸裝置分別設置組裝區、焊接區及檢查區，該裝置基礎采用鋼筋混凝土制作平臺，按照河底管道安裝弧度或曲率采用鋼板及H型鋼作為立柱，立柱的高低可以控制河道管運行的弧度，以實現坡度與沉管在河道溝槽內坡度一致，管道中心與安裝中心線一致。弧形管道輸送安裝裝置屬于河底管道及大型壓力鋼管現場輸送安裝技術領域，底座上固定連接有兩個對稱設置的受力支座，兩個受力支座之間固定連接有若干塊橫向加強板，橫向加強板與受力支座之間垂直連接，受力支座均固定連接有兩塊縱向加強支撐，兩個受力支座的相對面對稱開設有卡槽，兩個卡槽之間旋轉連接有滾軸，滾軸的兩端固定連接有滾輪，滾輪為梯形圓柱體，滾輪的斜邊到滾輪水平中線的距離從底座中心向另一側逐漸增大。河道管輸送安裝裝置具有弧形軌跡或具有坡度的管道輸送、安裝可有效降低操作人員的勞動強度、施工更加方便、可有效保護受力裝置、人員受傷的安全風險也可大幅降低。河道管在河岸邊操作平臺上采用20T倒鏈，Ф25mm的鋼絲繩牽引雙管，通過倒鏈的松緊控制雙管在支架上面的位移，防止沉管在組裝過程中下滑，見圖2。管道內部借助安全繩進行防腐焊接，施工過程中要加強通風[2]。

圖2 管道下滑牽引裝置系統立面圖

河道管在岸邊輸送平臺上組裝、驗收、試驗完成后采用200T卷揚機，Ф71mm單根鋼絲繩為河底雙管提供拉力；在已換填沼澤地區域采用4根Ф500mm，12m長鋼管樁作為受力基礎，采用6m×5m×1m（長×寬×高）鋼筋混凝土作為卷揚機平臺。卷揚機布置在河對岸，其中心與管道中心一致。河道雙管采用U型堵頭連接，實現沉管封堵，堵頭中心設置拉環、吊耳，同時河面上布置吊船用于輔助起吊U型頭；將Ф71mm鋼絲繩與堵頭中心位置連接，見圖3，在卷揚機牽引過程中，吊船起吊堵頭，卷揚機緩慢拉動，使得管道沿溝槽緩慢前進。沉管堵頭上設置導向標，隨時檢測沉管運行軌跡；每移動5m，采用GPS技術進行測量，保證管道精確定位。基于上述裝置和技術，實現急流深河道河道管快速安裝技術的應用，即：在分離式運輸裝置上進行管道的對接、焊接和焊口填充，形成流水線作業；采用起吊船吊裝堵頭，卷揚機牽引裝置拉動管道在管道溝槽中緩慢前進，并輔以GPS測量檢測，以此實現河道管快速安裝技術的應用[3]。

圖3 卷揚機與地錨連接布置圖

2.4 急流深河道河道管施工裝置安裝

河底沉管在水下受重力、浮力、牽引力、拉力以及水流方向的推力，受力復雜，平衡控制難度大。河底沉管在水下受力復雜，且推拉力較大，施工過程中沉管撓度變形控制難度大。河道水流速度大，不能保證河底沉管在復雜受力條件下精準定位。針對河底管道安裝、現場施工進度要求，項目部技術人員通過認真梳理施工流程、施工方式等，根據現場施工條件及施工要求研發了河底管道輸送裝置[4]。

河底管道對裝、焊接及運輸為一體的分離式運輸系統是提供河底管道輸送安裝固定的裝置，是對河底管道在急流中固定安裝和精確輸送，以實現準確、方便、安全地運輸、快速安裝的裝置，是對具有弧形軌跡或坡度的管道同時輸送、安裝。輸送裝置采用12個支座按照5.48∶100的坡比（該坡比的確定是由河底管道的中心線運行曲率決定），間距為6m布置，支座頂部高程3.5m，支墩按照設計圖紙位置及頂部高程施工，支座采用4.5m×1.5m×0.3m鋼筋混凝土作為支座平臺，混凝土內置Ф12mm鋼筋4層間排距為200mm的螺紋鋼筋。支座基礎采用長12m，250mm×250mm方樁作為基礎，每個基礎6個樁點。輸送裝置包括：底座、受力支座、橫向加強板、縱向加強支撐、滾輪、滾軸、同心加強軸承、卡槽、混凝土平臺。底座上固定連接有兩個對稱設置的受力支座，兩個受力支座之間固定連接有若干塊橫向加強板，橫向加強板與受力支座之間垂直連接，每塊受力支座均固定連接有兩塊縱向加強支撐，兩個受力支座的相對面對稱開設有卡槽，兩個卡槽之間旋轉連接有滾軸，滾軸的兩端固定連接有滾輪，滾輪為梯形圓柱體，滾輪的斜邊到滾輪水平中線的距離從底座中心向另一側逐漸增大。

對稱焊接于底座寬度方向上的兩個受力支座，以及旋轉連接于兩個受力支座之間帶有滾輪的滾軸，使用過程中，將具有弧形軌跡或具有坡度的管道放置于滾輪上，滾輪連同滾軸繞受力支座的卡槽轉動，從而實現水平或斜坡面管道的輸送，不再采用焊接吊耳掛手拉葫蘆，將受力裝置懸空，用手拉葫蘆作為主要倒運操作機構，降低了操作人員勞動強度，施工更加安全，更加方便保護受力裝置，人員受傷的安全風險會大幅降低，尤其是對具有弧形軌跡或具有坡度的管道的安裝及其輸送過程效果最為明顯。底座是運輸安裝裝置的基礎平臺，其作用是支撐受力支座并增大受力支座的接觸面積，保證受力支座的穩定性。當受力支座重量較大時，可在底座下部澆筑混凝土平臺，在混凝土平臺上預埋螺栓，通過螺栓螺母將底座與混凝土平臺進行連接。底座是由鋼板或型鋼加工而成的長方體框架結構，在長方形兩個對稱短邊布置兩個受力支座，主要用于弧形受力物體的支撐，即受力支座布置于底座的寬度方向。受力支座與底座之間焊接牢固。受力支座由厚鋼板機械加工而成，其寬度與底座的寬度相當，高度可根據弧形受力物體安裝高度進行確定，主要用于支撐弧形受力物體。

滾軸與受力支座上開設的卡槽旋轉連接可以保證滾軸能夠繞卡槽進行自由轉動，從而在轉動過程中帶動滾輪轉動，通過滾軸與滾輪的共同作用達到水平或斜坡面管道的輸送、安裝。滾軸是由鋼材制作而成的實心圓柱體，與受力支座卡槽連接旋轉，與滾輪共同作用，從而達到水平或斜坡面管道的輸送。斜坡面輸送坡度比較大時可增加防滑裝置，河底沉管在河岸邊操作平臺上采用倒鏈、鋼絲繩牽引管道。如防滑裝置采用倒鏈在操作平臺處牽引，通過倒鏈的松緊控制雙管在支架上面的位移，防止沉管在組裝過程中下滑。卡槽的設計尺寸應嚴格按照滾軸的尺寸略大設計，以保證滾軸能夠在卡槽內進行自由轉動。滾軸的兩端進入卡槽后與軸承連接，從而減少滾軸轉動過程中與卡槽之間的摩擦，避免摩擦損耗，延長受力支座與滾軸的使用壽命。滾輪的大小可根據實際使用需求進行相應的選擇。

滾輪是由鋼材制作而成的實心圓柱體，滾輪設計成梯形圓柱體，與弧形受力物體接觸，用于輸送及固定弧形物體。滾輪與滾軸之間通過同心加強軸承焊接牢固，同心加強軸承焊接于滾軸與滾輪相連接的部位。橫向加強板由鋼板加工制作而成，橫向加強板與受力支座成90°對接，并將對接縫施焊固定，橫向加強板主要用于連接加強受力支座，增加受力支座的抗彎扭矩力。受力支座均固定連接有兩塊縱向加強支撐，縱向加強支撐設置于兩塊受力支座的相背側。兩塊縱向加強支撐分別位于受力支座中心軸線的左右兩側，兩塊縱向加強支撐距離中心軸線100mm。縱向加強支撐是由鋼板制作，用于加強受力支座豎向受力，保護受力支座的安全穩定，位于受力支座的后方；通過焊接與受力支座相連接，位于受力支座中心軸線左右兩側，距離中心軸線100mm，主要防止設備在輸送過程中受力支座的橫向應力，從而達到受力支座的安全穩定，從而能夠穩固地支撐滾軸、滾輪及弧形受力物體。縱向加強支撐與受力支座中心軸之間的距離為100mm，可根據實際需求進行相應的調整，在80～120mm范圍內均可。滾輪上包裹有防滑塑性材料，滾輪在安裝前可包裹防滑塑性材料，如防水面料等，目的是為了減少滾輪與管道之間的接觸，防止被輸送的弧形管道外壁刮傷或損壞。

河底管道對裝、焊接及運輸為一體的分離式運輸系統是河底管道能快速施工安裝的關鍵，該系統共計12個支撐設置三個區進行河底管道安裝，從而形成流水線作業。能在最短的時間內完成河底管道的施工。三個區分別為：管道對接區、焊接區、射線檢測區。管道對接區主要用于管道的對接，對接必須緊密，對接可通過電焊將兩條管連接成整體；焊接區設置主要用于管道之間的焊接，該區必須設置防雨防曬棚，焊接區主要用于管道連接縫之間的焊接，焊接完成后，將進行管道焊縫檢測；射線檢測區主要用于管道焊縫的檢測，每條焊縫必須進行射線RT檢測，檢測合格后才可進行下一道工序。檢測合格后要進行兩條管道接縫處外包混凝土的施工，首先對兩條管道連接區域進行清理打磨，焊縫區域進行打磨處理，處理完成后進行塑性材料的包裹，塑性材料包裹完成后進行鋼筋網片包裹，外包模板安裝，進行速凝外包混凝土澆筑[5]。

3 結束語

急流深河道河道管快速安裝施工技術在馬來西亞美里二期供水項目過河段沉管工程中表現出施工工藝簡便、安全系數高、可控性強等優點。河道管輸送裝置的研發使得河底管道在安裝運輸期間施工更加安全，河底溝槽開挖步驟及施工工藝控制能夠有效防止溝槽垮塌，從而使開挖的安全風險大幅降低，河道管能快速安全地安裝定位，結合技術規范對沉管實現高精度控制技術、實現現場人工操作向機械化、自動化的轉型，該方法簡單、節約成本、安裝安全、定位準確。實踐證明，急流深河道河道管快速安裝施工技術有效克服了傳統技術中的種種缺點，減少施工時間，合理管理和節省建造成本費用，在工程造價方面也有著突出優勢。