給排水鋼管管道穿越江河水下安裝施工技術(shù)

李勇 曾治國(guó) 周超 劉維

湖南省第二工程有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410015

隨著我國(guó)的城市化進(jìn)程發(fā)展越來(lái)越快，市政工程的完善一方面給人民帶來(lái)了極大的便利，但同時(shí)也對(duì)市政工程施工提出了更高的要求。在市政給排水工程建設(shè)中，管道常常要穿越河流、湖泊。目前，過河管道水下安裝一般采用倒虹管作業(yè)、架空管過河、拱管過河等技術(shù)，這些施工技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，促進(jìn)了城市市政給排水工程不斷完善，進(jìn)而給城市美好發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 工程概況

衡南縣云集鎮(zhèn)污水工程項(xiàng)目，總投資2.5億，過江污水管道采用涂塑鋼管直徑為φ377*10，單管總長(zhǎng)為440m，河床地形條件復(fù)雜，彎管多，施工水深15-21m，且當(dāng)?shù)睾拥缹儆诤降乐鞲傻?，運(yùn)輸船只較多[1]。

2 施工難題及方案選擇

衡南縣云集鎮(zhèn)污水工程項(xiàng)目所處位置河道跨度大，地形復(fù)雜，且當(dāng)?shù)卣笫┕に蚍秶鷥?nèi)河道封航不得超過8天。鑒此，如何在工期緊迫的條件下高質(zhì)量完成過河給排水鋼管管道施工是本工程的難題。目前，過河管道的施工方法主要有倒虹管法、架空管法與拱管過河技術(shù)，其中架空管道、拱管過河方法雖具有施工難度低，安全性高，質(zhì)量有保障的特點(diǎn)，但其施工成本高，所需人力、物力大，且施工周期長(zhǎng)，不適用于本工程。綜合考慮下，最終決定采用倒虹管施工方法，通過浮沉管道的方式下沉。

浮沉管法下沉施工，是在底部挖溝，通過水上漂浮布置管道，最后整體下沉至已挖好的溝槽內(nèi)。其優(yōu)勢(shì)在于不影響兩岸的景觀，同時(shí)對(duì)兩岸的施工工況沒有過高的要求，但此方法施工難度大，下沉精度要求高，同時(shí)對(duì)航道也存在一定的影響。因此，本文在浮沉管法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，通過地面鋼管焊接與水下安裝相結(jié)合的方式，形成了一種新的給排水管道水下安裝技術(shù)，成功解決了工程難題。

3 工藝原理

給排水鋼管管道穿越江河水下安裝施工技術(shù)是根據(jù)過河管道總長(zhǎng)在岸上分段焊接好鋼管，鋼管兩端焊裝法蘭并采用盲板臨時(shí)封堵。將封閉管道浮于水面，下沉?xí)r鋼管一端進(jìn)水，一端排氣，通過控制進(jìn)水速度解決管道在水中下沉的速度問題。鋼管下沉到位后，潛水員進(jìn)行水中法蘭擰接，并拍攝影像，安裝完成后進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試壓合格后，采用導(dǎo)管法澆筑水下混凝土對(duì)管道進(jìn)行包管保護(hù)和管槽的回填[2]。

4 工藝流程及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量→管道分段制作及防腐工作→水下管道溝槽開挖→管道拖航吊裝→管道水下安裝→水下管道包管砼的施工→基槽回填、恢復(fù)河床。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以下結(jié)合衡南縣云集鎮(zhèn)污水工程項(xiàng)目，詳細(xì)介紹本技術(shù)施工流程中操作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)。

4.2.1 施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

水下安裝工程的施工測(cè)量是施工的重要組成部分，測(cè)量的精確度直接關(guān)系到安裝工程的施工質(zhì)量，施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量包括平面控制測(cè)量、高程控制測(cè)量、水位控制測(cè)量、水深控制測(cè)量、測(cè)繪開挖水域地形圖。

4.2.2 管道分段制作及防腐

1.本工程管道分段制作在河灘上進(jìn)行，根據(jù)管道過江總長(zhǎng)度做管道的分段制作，其制作工藝與陸上常規(guī)管道安裝基本一致。但沉管的管段制作需要確保管道的制作質(zhì)量、撓度、抗扭能力，需要做好以下幾點(diǎn)措施：

（1）管道焊口處采用不銹鋼內(nèi)圈補(bǔ)口補(bǔ)傷，管道外焊接頭處采用環(huán)形抱箍加強(qiáng)。

（2）吊環(huán)位置采用環(huán)形抱箍，做好加強(qiáng)措施。

（3）管道兩端用封板封閉。

（4）管道在陸上分段進(jìn)行水壓試驗(yàn)，保證分段管道制作合格。

2.本工程管道防腐內(nèi)外均采用涂塑方式，即成品涂塑鋼管。管道制作完成后，對(duì)焊口部位進(jìn)行防腐的補(bǔ)口補(bǔ)傷；及補(bǔ)口補(bǔ)傷按特加強(qiáng)級(jí)防腐要求進(jìn)行。在內(nèi)圈進(jìn)行不銹鋼內(nèi)防腐圈焊接防腐[3]。

4.2.3 水下管道溝槽開挖

1.基槽開挖寬度和深度：底寬每側(cè)根據(jù)管外徑加0.8-1.0m。開挖深度一般為管徑的3-4倍，以避免船只拋錨，河床沖刷等影響，邊坡系數(shù)根據(jù)河床的土質(zhì)確定，一般為1:2-1:4。粘土河床的回淤情況并不嚴(yán)重開挖邊坡系數(shù)選1:2，沙土回淤迅速開挖邊坡系數(shù)選1:4。本工程鋼管管徑為377mm，回淤情況較好，選擇溝槽開挖深度為1.2m，邊坡系數(shù)為1:2。

2.為提高工效，挖泥時(shí)采取扇形挖泥方式，保證槽內(nèi)不留死角。針對(duì)不同的泥層厚度，應(yīng)進(jìn)行分層開挖。在開挖過程中采用測(cè)深桿或測(cè)深繩測(cè)量水深，以便隨時(shí)掌握挖泥斷面的底標(biāo)高情況。當(dāng)遇到巖石層時(shí)，可采用鑿巖機(jī)、風(fēng)鎬破除開挖或水下爆破方式。

3.為不影響挖槽高程和拋石基床的密實(shí)性，需對(duì)挖泥和清碴后殘留的泥沙和可能的回淤泥沙進(jìn)行沖吸泥，沖吸泥采用空氣壓縮機(jī)和吸管吸頭進(jìn)行，并派潛水員下潛擺動(dòng)吸頭進(jìn)行配合。水下開挖（包括沖吸泥）完成后，用回聲測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)槽，基坑基槽斷面尺寸必須符合《疏浚與吹填工程施工規(guī)范》JTS 207的要求。

4.由于水下開挖后的基坑和管基槽不平，且高程不滿足設(shè)計(jì)要求，必須進(jìn)行基槽拋石整平。包括拋塊石粗整平、拋砂卵石基床細(xì)平、基床精平，其中基床經(jīng)平采用混凝土塊（內(nèi)鋪高強(qiáng)度的鐵絲網(wǎng)），并配合潛水員完成。水下基床整平最終應(yīng)達(dá)到平整度精度在±30mm以內(nèi)。

4.2.4 管道拖航吊裝

為了檢驗(yàn)鋼管焊接質(zhì)量，應(yīng)進(jìn)行水面氣壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行吊裝施工。

鋼管不能由吊船直接起吊，鋼管底部應(yīng)分段鋪設(shè)枕木，并以鋼板將鋼管隔開，讓鋼管在枕木上滑移，以免鋼管防腐層破壞。

當(dāng)鋼管吊離地面足夠高度后，調(diào)整各邊的起吊高度和受力，各吊船在統(tǒng)一指揮下絞錨同步向后平移，將鋼管平移至水面上方處于自浮狀態(tài)后，兩端各留一艘吊船固定鋼管。

管段橫管就位后，管段在河面上通過法蘭擰接對(duì)接。

4.2.5 管道水下安裝

1.管內(nèi)注水

當(dāng)橫管完成后，拆開兩管端的法蘭封板，打開進(jìn)水口。一側(cè)管頭注水，岸灘一側(cè)管頭設(shè)排氣閥排氣，注水速度不可過快，每小時(shí)控制在10m3-15m3之間，在統(tǒng)一指揮下將鋼管吊起成形，各吊船同時(shí)收緊或放松錨纜與鋼管同步移動(dòng)，直至鋼管完全處于基槽上方，將管道呈半成型就位基槽的狀態(tài)。

2.基于浮力沉管

通過往管內(nèi)不斷注水使鋼管逐漸下沉，每次下沉0.2m。隨著水不斷灌入，管道逐漸下沉，各吊點(diǎn)同時(shí)不斷進(jìn)行調(diào)整，以保證各吊點(diǎn)的合理分布。在管道有序地沉放過程時(shí)，進(jìn)行管中線與基槽軸線校正的測(cè)量監(jiān)控工作，各吊船移動(dòng)以達(dá)到逐步對(duì)準(zhǔn)基槽軸線及兩岸起止點(diǎn)位置，直至基本符合設(shè)計(jì)要求（沉管下沉?xí)r潛水員檢查管道著床位置時(shí)停止注水）。

3.管道水下對(duì)接

當(dāng)管底距基槽有0.3m時(shí)停止下沉，利用兩岸邊設(shè)立的三個(gè)手拉葫蘆，分上下及軸線將鋼管重新調(diào)整，確保管道位于中軸線上，水面用船舶利用吊環(huán)對(duì)管道中間定位，全站儀兩臺(tái)配合精確定位，直至準(zhǔn)確無(wú)誤后，在統(tǒng)一指揮下兩端起重設(shè)備同步沉放管道于槽底就位，各吊船將吊索放松至預(yù)緊狀態(tài)。鋼管下沉到位后，潛水員進(jìn)行水中法蘭擰接，將全部過江管理全部聯(lián)接成整體，并拍攝影像形成驗(yàn)收資料。

圖1 管道下沉就位

圖2 水下鋼管法蘭連接

4.2.6 水下管道包管砼的施工

水下砼澆筑采用水下導(dǎo)管法現(xiàn)澆壓灌砼,水下砼澆筑分二步進(jìn)行，包括鋼模穩(wěn)管混凝土澆筑，穩(wěn)管后基槽滿槽混凝土澆筑。

沉管后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行水下砼穩(wěn)管澆筑，為確保管道水下安全、在水下混凝土澆筑時(shí)不得對(duì)已入槽管道產(chǎn)生擾動(dòng)，防止管道偏移軸線、管道起拱，變形及應(yīng)力集中。

本工程水下混凝土澆筑模板采用永久性鋼模，鋼模尺寸為4m×2.5m×2m，間隔為12m，鋼模內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)筋，鋼模外側(cè)采用沙石袋加固。水下混凝土采用導(dǎo)管法進(jìn)行澆筑，澆筑時(shí)導(dǎo)管的長(zhǎng)度應(yīng)隨水位變化及作相應(yīng)的調(diào)整，導(dǎo)管頂部盛料漏斗可做成錐形，其容量為2m3左右。鋼模尺寸選擇以及鋼模是否回收利用可根據(jù)工程實(shí)際情況合理選擇即可。

水下混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)比設(shè)計(jì)高出一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，坍落度保持在18-24cm之間，并摻入一定比例的不分散絮凝劑、抗?jié)B化工聚丙烯纖維。本工程水下混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)為C30，實(shí)際施工時(shí)選用C35混凝土，不分散絮凝劑比例為1.6%，聚丙烯纖維為1.0kg/m3。

4.2.7 基槽回填、恢復(fù)河床

基槽可采用塊石、砂卵石以及砂袋進(jìn)行回填，受水流和浮力的影響，為保證回填石確保能夠落入管槽內(nèi)，應(yīng)預(yù)先進(jìn)行定位，定點(diǎn)拋填，并配合潛水員疊放。管槽回填完成以后應(yīng)進(jìn)行水下河床測(cè)量，對(duì)未到原河床標(biāo)高的區(qū)段必需采取淤泥回填，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后才可恢復(fù)通航。

5 質(zhì)量保證措施

1.為保證水下混凝土的質(zhì)量，采用鋼模板，模板不再拆除。

2.測(cè)量保證管槽軸線及沉管過程軸線必須精確控制。

3.由于管道沉入水底埋設(shè),安裝好后幾乎不能維修，因此必須嚴(yán)格控制鋼管的焊接質(zhì)量、防腐質(zhì)量，嚴(yán)格進(jìn)行的焊縫外觀及內(nèi)部探傷檢查。

4.管線制作保證，各彎管必須確保角度及軸線。

5.軸線保證，各翻轉(zhuǎn)吊點(diǎn)必須保證在同一軸線上。

6.沉放速度保證，沉放速度必須控制在計(jì)劃軸線曲線上。

7.水下回填保證，水下回填不得有大石塊，不得有架空部分。

8.鋼管吊入河中吊點(diǎn)布置適當(dāng)，鋼管要均勻受力，避免變形甚至折斷。

6 安全保證措施

1.施工現(xiàn)場(chǎng)按符合防火、防風(fēng)、防雷、防洪、防觸電等安全規(guī)定及安全施工要求進(jìn)行布置，并完善布置各種安全標(biāo)識(shí)。

2.各船舶必須配備完整的水上安全救援設(shè)備，所有水上施工人員在船倉(cāng)面操作時(shí)必須穿戴救生衣。船上應(yīng)做好清潔防滑工作，并設(shè)置防滑條等防滑設(shè)施，以防止操作人員不慎滑倒跌入河中。

3.所有船舶燈光、聲響系統(tǒng)及信號(hào)旗齊全，特別是夜間施工時(shí)，所有船舶打開信號(hào)燈以防止過往船舶駛?cè)胧┕^(qū)域。

4.施工水域必須設(shè)置水上施工標(biāo)志-水上浮標(biāo)，以防止過往船舶誤入施工水域。

5.在施工船舶靠近航道一側(cè)，船舶定位不準(zhǔn)采用鋼絲繩，而應(yīng)采用錨鏈沉入河底，以防錨纜掛壞過往船舶。

6.密切注意天氣變化和水位變化，當(dāng)水位上漲迅猛流速加快時(shí)，所有施工船舶應(yīng)暫停作業(yè)駛向岸邊，并加固錨纜，防止走錨；當(dāng)江水位下落時(shí)，應(yīng)防止船舶因退水而擱淺。

7.開工前在河道以及港監(jiān)等有關(guān)部門辦理水上作業(yè)施工許可證，并發(fā)布航行公告。

8.所有潛水員必須在勞動(dòng)部門或中國(guó)潛水運(yùn)動(dòng)協(xié)會(huì)或其他有關(guān)部門培訓(xùn)合格，持證上崗。

9.潛水員進(jìn)行水下作業(yè)時(shí)，潛水工作船上懸掛潛水員水下施工標(biāo)志，嚴(yán)禁其他船舶駛?cè)霛撍鳂I(yè)區(qū)。

10.潛水員執(zhí)行下潛任務(wù)前禁止飲酒、禁止帶病下潛、禁止下潛時(shí)間超過規(guī)定作業(yè)時(shí)間和疲勞作業(yè)。

11.潛水員下潛前，必須認(rèn)真檢查所有潛水機(jī)具、供氣設(shè)備是否完好。

12.當(dāng)水流速度超過1.5m/s時(shí)，禁止?jié)撍畣T下水作業(yè)。

7 施工效果

以衡南縣云集鎮(zhèn)污水過江管道穿越湘江水下安裝工程為例，采用本技術(shù)施工，不需要大型施工設(shè)備，不受場(chǎng)地影響，施工準(zhǔn)備時(shí)間為7天，沉管施工為4天，相較于其他過河管道施工技術(shù)，節(jié)約工期約15～20天，滿足當(dāng)?shù)卣畬?duì)于航道封航8天的要求，節(jié)省施工綜合成本近100萬(wàn)元。另外，本技術(shù)具有施工質(zhì)量高，操作安全等優(yōu)點(diǎn)，至今我司多個(gè)污水管道項(xiàng)目應(yīng)用了該技術(shù)，未出現(xiàn)管道滲漏、管道破壞等質(zhì)量問題和人員傷亡的安全事故[4]。

8 結(jié)語(yǔ)

給排水鋼管管道穿越江河水下安裝施工技術(shù)適用于鋼管類給排水管道穿越江河的管道安裝工程。該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)深水域、大跨度、地形復(fù)雜管道安裝一次沉放，相較于傳統(tǒng)施工技術(shù)，具有工期短，對(duì)航道運(yùn)輸影響較少，施工成本低的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，該技術(shù)采用焊接連接與水下法蘭連接相結(jié)合，可確保鋼管管道的撓度，彎曲度及抗彎、抗扭、抗折、抗剪應(yīng)力在安全值內(nèi)及管道精確定位，保證了工程質(zhì)量，具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景[5]。