官烈勘探試驗(yàn)段隧洞工程一都溪跨河管道安裝施工技術(shù)方案研究
——福建省平潭及閩江口水資源配置（一閘三線）工程

劉宏

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 工程概況

福建省北水南調(diào)平潭及閩江口水資源配置（一閘三線）工程是福建省優(yōu)化水資源配置的重要民生工程，工程主要為平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)及福州主城區(qū)、福清、長(zhǎng)樂(lè)、閩侯等區(qū)域提供飲水資源。福建省官烈勘探試驗(yàn)段隧洞工程是福建省平潭及閩江口水資源配置（一閘三線）工程的重要組成部分，該試驗(yàn)段屬于大樟溪～三溪口水庫(kù)輸水線路，其中一都溪管道為連接兩岸輸水隧洞，管道布置為橫河向穿越一都溪主河道。

2 方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料

2.1 工程地質(zhì)

一都溪主河道寬約80 m，河道底高程6～7 m，右岸為寬50～55 m 平緩的沖洪積灘地，左岸為寬度90～100 m 平緩的沖洪積灘地。河道及左右岸灘地地表以沖洪積砂卵石層為主，局部為人工堆積碎石土，根據(jù)鉆孔揭示，砂卵石層厚度為5.2～6.3 m，砂卵石層密實(shí)，以卵石為主，卵石含量約占55%，粗砂含量約為40%。卵石粒徑10～15 cm，最大約為30 cm。砂卵石層下伏基巖為鉀長(zhǎng)流紋巖，巖體弱風(fēng)化，管道區(qū)地下水類型為孔隙潛水，一都溪主河道地表水體發(fā)育，主河道水深3～4 m，兩岸地下水埋藏于第四系松散堆積層和風(fēng)化巖土體中，地下水位埋深0～3 m。管道跨溪流地表水豐富，管道沿線出露的砂卵石層屬?gòu)?qiáng)透水層。

2.2 水文情況

一都溪主河道屬大樟溪流域，受海洋季風(fēng)和山地地形影響，氣候濕潤(rùn)、溫和，屬中亞熱帶山地氣候，其特點(diǎn)是夏季不酷熱，冬短少嚴(yán)寒，一年四季分明，干季雨季明顯，海洋性、大陸性氣候兼具。大樟溪流域年平均降水150 d，年平均降水量1 499 mm，降水主要集中于汛期4～9 月，約占全年的3/4。

2.3 過(guò)河鋼管安裝要求

一都溪管道連接左右兩岸隧洞輸水管道。管道布置為橫河向穿越一都溪主河道，管道水平投影長(zhǎng)度185 m，為埋地管道，跨越河中心段為105 m，采用1×DN3200 mm鋼管，壁厚28mm，重約240 t，外包C25 鋼筋混凝土保護(hù)。

3 原設(shè)計(jì)方案過(guò)河鋼管安裝思路

一都溪跨河段管道安裝原設(shè)計(jì)方案采用分期導(dǎo)流方式進(jìn)行，選用土石圍堰施工，枯水期河床水位高程約6.0 m，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用10 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量為64.6 m3/s，土石圍堰為粘土斜墻式。

圍堰形成后在圍堰內(nèi)部進(jìn)行過(guò)河鋼管溝槽開(kāi)挖和降排水，然后將鋼管分段吊入溝槽進(jìn)行焊接，焊接連成整體后，在管身周圍進(jìn)行鋼筋綁扎、立模和管身外包混凝土澆筑，混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)和河灘鋼管兩端連接完成后進(jìn)行回填和圍堰破除，完成該段過(guò)河鋼管安裝。

一都溪過(guò)河鋼管施工工期為6 個(gè)月，采用2 期土石圍堰施工的工程造價(jià)為204.83 萬(wàn)元。由于當(dāng)時(shí)施工時(shí)間為2015 年12 月，則施工時(shí)需分段進(jìn)行，跨越2 個(gè)汛期，預(yù)計(jì)2016 年11 月完工。

4 優(yōu)化后方案鋼管安裝思路及安裝實(shí)施過(guò)程

4.1 優(yōu)化方案鋼管安裝思路

利用枯水期右岸灘地創(chuàng)造施工場(chǎng)地條件，在左岸開(kāi)挖一段簡(jiǎn)易河溝將河水引流至下游，避免上游來(lái)水影響右岸灘地和河床內(nèi)的管溝開(kāi)挖及其它施工，然后在管道安裝位置開(kāi)挖管道安裝溝槽，在溝槽附近平行溝槽位置進(jìn)行管道拼裝焊接，過(guò)河鋼管整體拼接完成后利用多臺(tái)起重設(shè)備將過(guò)河鋼管整體抬吊入槽進(jìn)行安裝，過(guò)河鋼管位置調(diào)整確定后，將預(yù)先綁扎好的管身混凝土罩筋吊裝就位，然后進(jìn)行水下混凝土澆筑，同時(shí)通過(guò)向管道內(nèi)緩慢注水以防止在混凝土澆筑過(guò)程中管身周圍介質(zhì)密度增大造成浮力增大引起浮管，確保安裝位置精度，混凝土澆筑完成并養(yǎng)護(hù)后，最終完成鋼管安裝，再進(jìn)行后續(xù)施工。

4.2 一都溪過(guò)河鋼管安裝施工程序

根據(jù)優(yōu)化后的鋼管安裝思路，按照以下安裝程序進(jìn)行施工和工藝流程設(shè)定：

施工準(zhǔn)備（河流改道引流、右岸河灘河床場(chǎng)平及起重設(shè)備布置點(diǎn)加固）—→測(cè)量放樣—→管溝開(kāi)挖—→鋼管拼裝焊接—→立側(cè)模及底筋安放—→鋼管整體吊裝—→罩筋安放立模—→水下混凝土澆筑—→混凝土養(yǎng)護(hù)。

4.3 過(guò)河鋼管安裝技術(shù)要點(diǎn)

1）河流改道導(dǎo)流

根據(jù)枯水期河床水位高度和上游河水流量來(lái)確定導(dǎo)流明渠的過(guò)流面積及尺寸。

經(jīng)過(guò)測(cè)量人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，2015 年12 月一都溪河水最大流量為3.75 m3/s（河床寬5 m，深度2.5 m，水流流速0.3 m/s），現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)采取在一都溪河床上游填筑長(zhǎng)10 m、高4 m、頂寬1 m 的簡(jiǎn)易圍堰，同時(shí)在一都溪左岸開(kāi)挖一條長(zhǎng)80 m、寬5.5 m、深4.5 m 的導(dǎo)流明渠進(jìn)行導(dǎo)流，經(jīng)計(jì)算導(dǎo)流明渠過(guò)流面積為24.75 m2，按照同等水流流速0.3 m/s，過(guò)流流量可達(dá)到7.425 m3/s，接近一都溪12 月最大流量的2 倍，完全滿足一都溪河水過(guò)流。

2）整體鋼管吊裝時(shí)所用起重設(shè)備選型及數(shù)量確定

本節(jié)管道施工長(zhǎng)度主要根據(jù)枯水期河床水位高度及跨河段管道長(zhǎng)度來(lái)確定。根據(jù)設(shè)計(jì)的管道縱坡面圖，管道下穿河床，兩頭連接隧洞，類似“u”型，管道中心高程為3.2 m，基礎(chǔ)開(kāi)挖底標(biāo)高為1.0 m，枯水期水平面高程為6.0 m，本節(jié)管道安裝完成后需滿足后期管道施工在干地以上，經(jīng)計(jì)算本次起吊鋼管總長(zhǎng)為105m，重量約為240t。

①起重設(shè)備的吊裝幅度確定

考慮管溝邊坡穩(wěn)定性，防止鋼管自重壓垮邊坡，則鋼管焊接固定架擺放距溝槽邊坡需有2 m 以上的距離；同時(shí)考慮鋼管自身直徑尺寸3.2 m（近溝槽側(cè)鋼管母線距岸坡邊線約1.6 m），以及吊車本身回轉(zhuǎn)中心到尾部的最小距離約4 m（經(jīng)驗(yàn)值）；同時(shí)滿足將鋼管吊放至離邊坡岸線5.2 m，則吊車最小起吊幅度為14 m。

②起重設(shè)備的數(shù)量和起重能力確定

現(xiàn)場(chǎng)河床可供汽車吊打腿場(chǎng)地長(zhǎng)度約90 m，以每臺(tái)吊車支腿全伸9 m 的寬度計(jì)算，同時(shí)考慮一定的裕量，以每臺(tái)吊車占用空間寬度為10 m 計(jì)算，最多可并排擺放9 臺(tái)起重設(shè)備。以起吊240 t 的總重量進(jìn)行分?jǐn)偅瑒t每臺(tái)吊車需承擔(dān)的最小重量為26.7 t，考慮多臺(tái)汽車吊抬吊的不均衡系數(shù)和動(dòng)載荷系數(shù)及安全系數(shù)，以起重設(shè)備額定起重量的70%為吊裝時(shí)實(shí)際出力，則汽車吊在14 m 幅度時(shí)需要具備38 t 以上的起重能力。

③選型結(jié)果

通過(guò)模擬和綜合考慮過(guò)河鋼管整體剛度及起吊點(diǎn)對(duì)鋼管產(chǎn)生的形變、汽車吊負(fù)荷分配、汽車吊擺放位置、多臺(tái)汽車吊起吊同步性、抬吊安全系數(shù)、載荷系數(shù)、對(duì)河灘90 m 的空間分布利用以及當(dāng)?shù)氐钠鹬卦O(shè)備擁有情況等，最終選用6 臺(tái)260 t 汽車吊。以6 臺(tái)汽車吊為計(jì)算依據(jù)，每臺(tái)汽車吊需分擔(dān)40 t 的起重量，根據(jù)260 t吊車性能參數(shù)特點(diǎn)，當(dāng)配重為97.5 t，回轉(zhuǎn)半徑14 m 時(shí)理論起吊重量為58 t；考慮采用多臺(tái)吊車起吊同步性因素，負(fù)荷率按70%考慮，則單臺(tái)最大起吊重量為40.6 t，可滿足吊裝需求。

3）現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)備選型結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)需滿足長(zhǎng)度為105 m，直徑為3.2 m 的鋼管拼裝焊接場(chǎng)地，同時(shí)需滿足6 臺(tái)汽車吊的擺放、支腿支撐及回轉(zhuǎn)半徑距離要求。

①創(chuàng)造施工場(chǎng)地布置條件：管道安裝位置及附近已開(kāi)挖場(chǎng)平，滿足管道拼裝焊接需求，同時(shí)管道焊接擺放位置臨近下游面有一塊寬約90 m 的沖洪堆積灘地，場(chǎng)地較為寬闊平緩，地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，均為砂卵石層覆蓋，經(jīng)局部修整加寬可滿足6 臺(tái)大噸位吊車的擺放。

②創(chuàng)造起吊回轉(zhuǎn)半徑條件：枯水期水位接近地表高程6.0 m，通過(guò)沿水流方向向下游按0.2%的坡度進(jìn)行河床開(kāi)挖，降低河床水位，使該處水位降低至5.0 m 以下高程即可滿足吊裝距離的布置要求。

③選擇合適的擺放位置：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，管槽基礎(chǔ)開(kāi)挖寬度為5.4 m，開(kāi)挖坡比按1∶1 控制；根據(jù)理正邊坡分析軟件計(jì)算，鋼管拼裝軸線位置距管道安裝中心線8 m 即可滿足邊坡穩(wěn)定要求，考慮到砂卵石邊坡可能發(fā)生局部垮塌等因素，為保證安全可靠，將管道拼裝軸線擺放在距管道安裝中心線10 m 處；另根據(jù)吊車自身結(jié)構(gòu)尺寸，吊點(diǎn)中心位置可至距管道中心線17 m位置擺放，在位于起吊順序2 時(shí)（管道已經(jīng)進(jìn)入水中，當(dāng)管體淹沒(méi)水中體積達(dá)到240 m3時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)中阿基米德原理，此時(shí)水浮力等于管道自重，吊車起重重量為零），回轉(zhuǎn)半徑為14 m，可滿足起吊要求。吊裝過(guò)程如圖1 所示。

4）6 臺(tái)吊車同時(shí)抬吊的同步性研究

圖1 鋼管吊裝示意圖

采用6 臺(tái)汽車吊抬吊鋼管時(shí)，吊車的同步性至關(guān)重要。如何將各吊車在起吊過(guò)程中受力相對(duì)均勻、步驟一致、達(dá)到同步起升降落是抬吊的關(guān)鍵。為使每臺(tái)汽車吊分?jǐn)偟匿摴苤亓烤鶆颍鸬踹^(guò)程起升降落同步。本工程施工過(guò)程中采用一條主鋼絲繩牽引各吊點(diǎn)副鋼絲繩以及平衡各汽車吊受力，同時(shí)通過(guò)滑輪組來(lái)實(shí)現(xiàn)各吊點(diǎn)平衡和起降同步，各汽車吊吊點(diǎn)位置按照管道重量均勻分布原則，每隔17.5 m 布置一個(gè)吊點(diǎn)，各吊點(diǎn)連接示意圖見(jiàn)圖2，吊具選用見(jiàn)表1。

表1 所用吊具材料表

5）鋼管水中安裝就位

圖2 各吊點(diǎn)連接示意圖

過(guò)河鋼管吊入安裝溝槽后，可利用溝槽內(nèi)水的浮力減少汽車吊受力，然后操作汽車吊將管道由起吊位置2 移動(dòng)至起吊位置3。汽車吊緩慢降鉤利用鋼管自重沒(méi)入水中，鋼管進(jìn)入安裝溝槽后由于水的浮力存在，鋼管無(wú)法順利下沉，此時(shí)需利用水泵向管道內(nèi)注水，當(dāng)注水重力與鋼管自重大于水對(duì)鋼管的浮力時(shí)，鋼管才能繼續(xù)下沉，在注水過(guò)程中汽車吊不能松鉤，并根據(jù)重量顯示器上的數(shù)據(jù)顯示來(lái)進(jìn)行下降操作，當(dāng)汽車吊的重量顯示器上顯示的起重量大于吊鉤重量且不斷增大時(shí)，停止注水，操作汽車吊下降，當(dāng)顯示器上重量回歸至吊鉤重量時(shí)繼續(xù)注水，反復(fù)進(jìn)行，逐次下降直至降到安裝高程。經(jīng)計(jì)算本次鋼管下沉就位需向管道注水604 m3。

為確保鋼管安裝精度，在注水過(guò)程中，需做好以下幾項(xiàng)工作：

①分別在管道兩端焊接一個(gè)標(biāo)尺（可采用Φ8 鋼筋制作，做好高程標(biāo)記），以方便觀測(cè)管道的就位情況。

②在管道兩端適當(dāng)位置設(shè)置一個(gè)剪刀支撐，通過(guò)10 t 的手拉葫蘆，對(duì)管道水平方向和豎直方向進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到鋼管精確就位的目的。

③在兩端非過(guò)水?dāng)嗝娑嗽O(shè)置一橫梁和限位擋板，限位擋板和橫梁的位置及高程設(shè)置要與管道中心線樁號(hào)相匹配。

④分別在管道兩端和上下游兩側(cè)準(zhǔn)備適當(dāng)數(shù)量的混凝土支撐塊和2 臺(tái)反鏟挖掘機(jī)，當(dāng)就位完成后，兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行填塞混凝土支撐塊，防止管道偏移。

在管道就位過(guò)程中，6 臺(tái)吊車可適當(dāng)輔助就位，經(jīng)測(cè)量?jī)x器（可選用全站儀）觀測(cè)。當(dāng)安裝就位滿足規(guī)范要求后，預(yù)制混凝土支撐塊進(jìn)行填塞，將管節(jié)與橫梁臨時(shí)焊接，拆除剪刀支撐。作業(yè)人員進(jìn)行手拉葫蘆微調(diào)時(shí)，做好安全防護(hù)措施防止人員落入水中。鋼管水下就位詳見(jiàn)鋼管水下就位示意圖（圖3）。

圖3 鋼管水下就位示意圖

鋼管安裝就位后，利用汽車吊將預(yù)先分段綁扎好的罩筋吊起安放在安裝位置，并做好連接，在罩筋安放時(shí)需注意控制溝槽兩側(cè)的位置及下放力度，避免罩筋觸壓鋼管引起鋼管位置變動(dòng)，如有少量位置偏差可通過(guò)兩端葫蘆配合吊車對(duì)鋼管位置進(jìn)行微調(diào)確保安裝精度。

6）水下混凝土澆筑

采用導(dǎo)管法進(jìn)行水下混凝土澆筑，導(dǎo)管的直徑為25 cm，每節(jié)長(zhǎng)2 m，用橡皮襯墊的法蘭盤連接，底部應(yīng)裝設(shè)自動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門，頂部裝設(shè)漏斗。導(dǎo)管沿溝槽以5 m的間距均勻分布。澆筑過(guò)程中，導(dǎo)管只允許上下升降，不得左右移動(dòng)。開(kāi)始澆筑時(shí)，導(dǎo)管底部應(yīng)接近地基5～10 cm，而且導(dǎo)管下口必須恒埋于混凝土表面下約1.0 m，僅使表面一層混凝土與水接觸。隨著混凝土的澆筑，徐徐提升漏斗和導(dǎo)管。每提到一個(gè)管節(jié)高度后，即拆除一個(gè)管節(jié)，直到混凝土澆出水面為止。

澆筑過(guò)程中需注意鋼管的位置變化，同時(shí)需間隔向管內(nèi)注水，防止隨著混凝土的澆筑過(guò)程中管身周圍介質(zhì)密度增大造成浮力增大引起浮管，確保安裝位置精度，混凝土澆筑完成后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，與水接觸的表層約10 cm 厚的混凝土，因質(zhì)量較差，最后進(jìn)行簡(jiǎn)單清除。

一都溪過(guò)河鋼管吊裝過(guò)程如圖4 所示。

圖4 一都溪過(guò)河鋼管整體吊裝現(xiàn)場(chǎng)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)福建省官烈勘探試驗(yàn)段隧洞工程一都溪過(guò)河鋼管安裝施工技術(shù)方案的優(yōu)化和成功實(shí)施探索出一種新型的跨河管道安裝施工方法，打破了常規(guī)以導(dǎo)流形式進(jìn)行旱地施工的傳統(tǒng)思維。在工程施工中利用起重設(shè)備對(duì)大直徑跨河管道進(jìn)行吊裝安裝，解決了過(guò)河鋼管安裝施工過(guò)程中碰到深厚砂卵石強(qiáng)透水地質(zhì)圍堰防滲的難題，同時(shí)避免了分期圍堰施工周期長(zhǎng)、資源投入大、受汛期干擾大等缺點(diǎn)。優(yōu)化后的方案采用整體吊裝大直徑壓力管道的施工方法可快速、安全、簡(jiǎn)捷、高效完成過(guò)河鋼管安裝施工任務(wù)，與原方案相比，大大縮減了施工工期，降低了工程造價(jià)，且減小了汛期影響。在資源配置、施工工藝、安全保障、施工工期、工程造價(jià)等方面有著明顯優(yōu)勢(shì)。該過(guò)河鋼管安裝技術(shù)方案豐富了過(guò)河管道安裝施工形式，對(duì)后續(xù)水資源配置工程中輸水管道穿越河道、溝渠等類似涉河大直徑管道安裝工程有著重要的參考和借鑒意義。