沉管法在閩江取水口改造工程過江管道中的應用

卓國勇

(中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350001)

1、工程概述

閩清縣城市供水閩江取水口改造工程位于閩江干流水口電站下游約12km，埋設江底的過江管道管線總長312m，樁號為G0 +000～G0+312，自閩江東岸向西，橫跨閩江主航道至閩江中部，作為新建取水泵房的引水管道。管材采用2 根DN800 的鋼板卷管，內外壁分別采用PN8710 互穿網絡涂料和環氧煤瀝青涂料做防腐處理，設計近期管道流速為0.44m/s，遠期為0.76m/s。

管址處河段屬于閩江Ⅰ級階地向丘陵斜坡過渡地貌，管道部位河床地質由上到下分別為①中砂②卵石③碎塊狀強風化凝灰熔巖④中風化凝灰熔巖;江面常水位約為+4.50m，流速約0.3m/s～1.0m/s;洪水期間水位最高漲至+24.5m(1968年6月)，平均流速達到3.5m m/s;施工期間，④層巖石開挖難度大，河水沖刷對管道開挖及管道敷設作業影響較大，需采取相應措施保障管道施工安全。

管道部位河床縱斷面中，河床線(①、②層)呈折線型，高程在-6.38m～+2.5m 之間，砂卵石層開挖深度最深可達9.9m;基巖線(③、④層)比較平緩，高程在-9.76m～-7.05m之間，設計管中標高在-11.26m～-8.5m 之間，基巖爆破深度最深達2.65m，管道總體埋深約6.00m～12.00m。

2、沉管法在過江管道中應用原理

(1)管道制作。管道由廠家加工后運至工地，在現場陸域上將管節逐節焊接成管段，管端封堵兩端布設充水管后移至江面上依靠浮力自然浮起，并在管端、管中多個點用纜繩牽住，防止管道隨水流漂移。

(2)管道移位。將管道從岸邊拖移至沉管位置，移位前檢查管內積水是否排清、端口是否密封、拖船水深是否滿足要求，在管道上做好拖點編號，拖船根據相應編號對準就位并固定。

(3)管道下沉定位。在管位下游設計外邊線上兩端打入鋼管樁，每個端部設置兩根管樁，作為管道定位下沉豎向導軌，輔助管道下沉。下沉過程中，在水流和拖船的控制下，管道沿豎向導軌下沉。

(4)管道注水。對管道進行注水，在管道注水時，兩端注水管同步注水，對管道吊點略施吊力。管道兩端均有上彎的管段，可以連接成整體。管道注水后由于自重作用自然下沉至基巖面。

(5)落槽。自然沉放的管道通過控制進水和排氣的速度，利用各吊點的起吊力來控制管道下沉的速度。管道中彎管部分必先行進滿水，重心向下沉，彎管部分由南往北推進沉管，自然沉管入槽。管道落沉到位后，兩端吊點在管道未在水下固定前不能解除。

(6)浮托力驗算。沉管法在本工程的應用中，管道在江面浮運時需對浮托力進行驗算，以確保實際條件滿足浮運要求，DN800 每延米Q235A 無縫鋼管浮力驗算公式如下:

取值7.86g/cm3，經計算，每延米鋼管在全排水情況下，△F=2.66KN，完全滿足浮運要求。

3、施工技術特點

閩江是福建省最大的河流，并作為重要的水運通道，左右岸分別建有鐵路和國道主干線，且閩江主航道位于管道G0 +230～G0 +280 處，施工期間，在不能影響周邊建筑物的同時，還需確保通航船只的正常航行。其主要施工技術特點為:

(1)閩江主航道船只通航頻繁，需與航運部門統一調配，共同制定管理、監護制度，確保施工與通航互不影響;［1］(2)河床地質從上到下分別為中砂、卵石及巖石層，需先開挖后爆破，綜合考慮水流速度及深度的影響，精確定位水下鉆孔位置，確定裝藥等工藝參數;(3)全段管道在陸域一次焊接成型，附帶有彎管，管道自重大，富有彈性，調運過程中要求設備齊全，調度一致，從而保證管道的完好。

4、河床構造及主要施工斷面圖

圖表4-1 過江管道縱斷面圖

圖表4-2 過江管道橫斷面圖

5、沉管法施工

5.1 沉管法施工工藝流程。沉管法在本工程的應用中，因其施工原理較其他技術工藝具備較多優勢，多道主要工序可平行施工，在本工程的應用中，工藝流程如下:

圖表5-1 沉管法施工工藝流程圖

5.2 管道制作、防腐處理及閉水試驗

5.2.1 管道廠家制作，現場焊接。本工程過江管道卷板鋼管按12m 為一節，在家廠制作并作防腐處理;管材材質為Q235A 鋼板，厚12mm，焊縫的基本形式與尺寸應符合《氣焊、手工電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口的基本形式和尺寸》(GB985-88)，焊縫質量應符合《鋼結構工程施工及驗收規范》(GB50205-2001)的三級要求，焊縫表面應均勻、夾渣、焊瘤、弧坑和針狀氣孔等缺陷、更不得漏焊。

管道現場焊接施工平臺設在取水泵房上游河岸陸地上，自泵房起施工平臺沿河岸長不小于70m，寬不小于6m，平臺高程為+5.5m。鋼管焊接平臺鋪墊用150 ×150mm 方木鋪設，方木底鋪墊粗砂找平夯實，每根方木頂高程誤差不大于2mm，并在同一條軸線上。每節鋼管支墊方木不少于4 根。陸地上將每節管段焊接成60m 一段，管端密封。每根管段設置4 個吊點，起吊點按管段重量平均分布，每個吊點負擔15m 管長和重約3.5t。

5.2.2 管道防腐處理。鋼管管件噴砂除銹(等級Sa≥2.5)后內壁采用IPN8710 互穿網絡防腐涂料，IPN8710-1 底漆厚度為50μmm;IPN8710-3 面漆二道，每道面漆厚度為100μmm，鋼管件外壁按環氧煤瀝青漆六油二布防腐。

5.2.3 閉水試驗及消毒。管道全部焊接完成后，先進行閉水試驗，閉水壓力為設計洪水位與設計管中標高高差加2m，合計35.5m，約0.355Mpa，閉水試驗前，管段灌滿水后浸泡時間不應少于24h，閉水檢測時間不小于30min。壓水試驗合格后，應進行沖洗消毒，具體措施參照《給水排水管道工程施工及驗收規范》GB50268-2008 執行。

5.3 施工測量。因水下施工情況不可見性強，水下測量放樣作業尤為重要。本工程采用GPS 全球定位儀進行基線控制，用回聲探測儀進行地形測量和槽挖高程控制。［1］

施工前，對擬開挖管槽進行放樣，包括管槽底邊線、中線及起始位置等，同時在江兩岸設置水位尺和可通視的控制樁，用于隨時調整開挖線路偏差，觀察水位變化。

施工中，采用全站儀全天候跟蹤挖泥船及鉆機斷面位置，用測繩控制開挖深度，并及時做好記錄。［2］

5.4 水下開挖。本工程水下開挖擬采用鏈斗式挖泥船和長臂挖機配合進行。

1、挖泥船拖至起點導標附近，調正船位，使定位樁對準挖槽的施工中心導標，吸管位于起點導標線上，下放定位樁定位。若河水流速較大或基床土質較硬，單靠定位樁不足以穩住船位時，先拋尾錨，順流松尾纜，吸管位于起點導標線上，下放定位樁定位。

2、吸砂船以尾部沿管軸中心線，擺動吸管和船身，一方面按扇形挖泥，一方面移船前進。為了一扇緊壓一扇而不出現漏挖，對準施工中心線的定位樁應以施工中心線導標作為前移的軌跡。具體作業時，由駕駛臺上觀察視線進行控制。

5.5 水下鉆孔爆破。根據本工程特點，巖石開挖與卵石開挖分段交替進行，在河床卵石層開挖出一定的段長后即可以進行基巖開挖，考慮在水下石方開挖的特殊性，石方開挖量不大，采用鉆孔爆破炸礁船進行水下鉆孔爆破施工，將巖石破碎，長臂挖機取渣，鉆機采用YQ-120 型潛孔鉆。

施工工藝流程為:爆孔設計→錨定鉆孔作業平臺→移機就位→確定孔深→套管護孔→鉆孔→成孔沖洗→測量驗孔→裝藥→連線→平臺撤離→起爆→解除警戒→下一施工循環。鉆孔爆破施工根據水位和設計管底高程以及實際水深計算巖層的厚度，確定鉆孔深度，一次鉆爆到設計深度，避免分層爆破。

水下鉆孔采用垂直鉆孔形式，平面布置為梅花形，同一橫斷面上布孔方式為擴槽孔-掏槽孔-拔心孔-掏槽孔-擴槽孔。根據現有施工船舶、機械的性能及施工經驗，主要參數為:孔距1.5m，排距1.3m，孔徑100mm，藥柱直徑70mm，孔深2.8m。根據計算并進行現場試驗后，單位耗藥量為1.35kg/m3，爆破效果較好。

單孔裝藥時，拔出鉆具將帶有雷管的炸藥沿鉆機的套管往炮孔裝填，用探水桿復核拋空炸藥的就位情況，并用細砂填塞。炸藥裝好后，拔出套管，導爆管首先固定在平臺上，待平臺移位時，將導爆管移到系有繩索的浮胎上，漂浮在水面。通過五道工序，形成一個水下爆破孔的施工循環。

圖表5-2 鉆孔布置圖

5.6 測量驗槽。整體管槽開挖清渣完成后，利用回聲測深儀對管槽進行測驗，并繪制開挖斷面圖，初步驗槽方法如下:

將測深儀放置于機動駁上并把全站儀的棱鏡固定在測深儀的探桿上，確保探桿沿著管槽中心線移動，測深儀每發出一次探測，其位置由全站儀定位并記錄，測量成果由測深打印機打出，成果內管槽中心線應與設計中心線相吻合。測完管槽中心線后，再對管底兩邊線各測一次。

槽底墊層由潛水員通過安裝在船上的漏斗連接鋼管將粗砂均勻卸放到槽內，本工程砂墊層厚度為30cm，壓實度系數要求≥0.9。

5.7 管道浮運、充水及沉管

5.7.1 管道浮運。本工程采用整管拖運、擺動就位、翻轉下沉的施工工藝。管道焊接完成后，外層用泡沫片全線包扎，并在泡沫片外用竹片再次綁扎固定，管底部設置若干滾筒或圓木，在岸邊設置卷揚機，將管道從岸邊滑入水面。［1］

管道浮運要綜合考慮當天水流流速的影響，要求拖船保持均速緩慢前行，并且要特別注意管道彎曲半徑的控制。根據經驗，DN800 的管道的彎曲半徑應大于800m 才可保證管道的無損，因此在浮運時要對管道進行跟蹤觀測，如發現彎曲半徑有變小的趨勢，及時對拖船進行指揮調速。［3］

鋼管的起吊點應經力學驗算后才可確定具體位置，且不宜直接接焊在管壁上，應采用鋼制抱箍，吊環焊接在抱箍上，再將整個抱箍用緊固件固定在管壁上。

5.7.2 管道充水、沉管。管道浮運至管道設計軸線位置時，采用定位船錨固、管內充水、起吊翻轉、自然沉管的安裝措施，安裝過程中，應注意控制以下問題:

(1)管道內充水體積約為157m3，即157t，充滿水后，可緩慢放下松動吊繩，讓管道在重力的作用下懸浮并翻轉下沉;

(2)管道下沉過程中，嚴格要求各吊點等速、勻速沉放，防止因不均衡放管出現管道彎曲損壞。在翻轉階段，各吊點要吊繩要逐步松開，直至管道翻轉至設計圖紙要求位置;

(3)管道下沉就位后，派潛水員下水檢查墊層與管道的接觸是否均勻、緊密，水下敷設管道偏差應根據下表確定。

圖表5-3 水下敷設管道允許偏差［3］

5.8 壓塊安裝、管槽回填

管道下沉就位并按要求管周回填級配砂卵石后，將馬鞍形壓塊用起重吊船配合潛水員進行水下安裝，依次分層回填、鋪裝砂卵石、袋裝卵石及鉛絲石籠。

6、結束語

沉管法技術已走過百年發展歷史，而在我國還處于起步階段，此項技術在閩江取水口改造工程過江管道的應用中，取得了良好的效果，實現了突破性進步，其主要優點表現為:①沉管法環境適應性強，適用于福建多地江河水下管道、隧道工程;②在不影響通航及周邊建筑物安全的情況下，避免了江底管道施工帶來的危險性;［4］③管道在陸地焊接完成，水上精確定位，施工質量可靠，避免了水下焊接管帶來的質量隱患;④沉管法多道工序可在多地點平行施工，在合理安排工序，加強管理力度的前提下，大幅度縮短了工期。

隨著城市化建設的不斷擴大，以及對水利、交通工程重視程度的提高，充分利用沉管法簡單、快捷、經濟的特點，將得到廣大推廣和應用。

［1］田桂滿.沉管法施工在貴港郁江管道穿越工程中的應用［J］.水利水電技術.2004 (7).

［2］劉敏林.沉管施工技術在過河管道中的應用［J］.西部探礦工程.2004 (9).

［3］姚吉，吳艷，邵建惠.沉管法在寧波截污工程中的應用［J］.管線工程.2010 (3).

［4］杜朝偉，王秀英.水下隧道沉管法設計與施工關鍵技術［J］.中國工程科學.2009 (11).