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

劉宏

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

1 工程概況

福建省北水南調平潭及閩江口水資源配置（一閘三線）工程是福建省優化水資源配置的重要民生工程，工程主要為平潭綜合實驗區及福州主城區、福清、長樂、閩侯等區域提供飲水資源。福建省官烈勘探試驗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，該試驗段屬于大樟溪～三溪口水庫輸水線路，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 方案設計基礎資料

2.1 工程地質

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，根據鉆孔揭示，砂卵石層厚度為5.2～6.3 m，砂卵石層密實，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流紋巖，巖體弱風化，管道區地下水類型為孔隙潛水，一都溪主河道地表水體發育，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強透水層。

2.2 水文情況

一都溪主河道屬大樟溪流域，受海洋季風和山地地形影響，氣候濕潤、溫和，屬中亞熱帶山地氣候，其特點是夏季不酷熱，冬短少嚴寒，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。

3 原設計方案過河鋼管安裝思路

一都溪跨河段管道安裝原設計方案采用分期導流方式進行，選用土石圍堰施工，枯水期河床水位高程約6.0 m，導流標準采用10 年一遇洪水標準，導流設計流量為64.6 m3/s，土石圍堰為粘土斜墻式。

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

一都溪過河鋼管施工工期為6 個月，采用2 期土石圍堰施工的工程造價為204.83 萬元。由于當時施工時間為2015 年12 月，則施工時需分段進行，跨越2 個汛期，預計2016 年11 月完工。

4 優化后方案鋼管安裝思路及安裝實施過程

4.1 優化方案鋼管安裝思路

利用枯水期右岸灘地創造施工場地條件，在左岸開挖一段簡易河溝將河水引流至下游，避免上游來水影響右岸灘地和河床內的管溝開挖及其它施工，然后在管道安裝位置開挖管道安裝溝槽，在溝槽附近平行溝槽位置進行管道拼裝焊接，過河鋼管整體拼接完成后利用多臺起重設備將過河鋼管整體抬吊入槽進行安裝，過河鋼管位置調整確定后，將預先綁扎好的管身混凝土罩筋吊裝就位，然后進行水下混凝土澆筑，同時通過向管道內緩慢注水以防止在混凝土澆筑過程中管身周圍介質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護后，最終完成鋼管安裝，再進行后續施工。

4.2 一都溪過河鋼管安裝施工程序

根據優化后的鋼管安裝思路，按照以下安裝程序進行施工和工藝流程設定：

施工準備（河流改道引流、右岸河灘河床場平及起重設備布置點加固）—→測量放樣—→管溝開挖—→鋼管拼裝焊接—→立側模及底筋安放—→鋼管整體吊裝—→罩筋安放立模—→水下混凝土澆筑—→混凝土養護。

4.3 過河鋼管安裝技術要點

1）河流改道導流

根據枯水期河床水位高度和上游河水流量來確定導流明渠的過流面積及尺寸。

經過測量人員現場測量，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），現場施工時采取在一都溪河床上游填筑長10 m、高4 m、頂寬1 m 的簡易圍堰，同時在一都溪左岸開挖一條長80 m、寬5.5 m、深4.5 m 的導流明渠進行導流，經計算導流明渠過流面積為24.75 m2，按照同等水流流速0.3 m/s，過流流量可達到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流。

2）整體鋼管吊裝時所用起重設備選型及數量確定

本節管道施工長度主要根據枯水期河床水位高度及跨河段管道長度來確定。根據設計的管道縱坡面圖，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，基礎開挖底標高為1.0 m，枯水期水平面高程為6.0 m，本節管道安裝完成后需滿足后期管道施工在干地以上，經計算本次起吊鋼管總長為105m，重量約為240t。

①起重設備的吊裝幅度確定

考慮管溝邊坡穩定性，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；同時考慮鋼管自身直徑尺寸3.2 m（近溝槽側鋼管母線距岸坡邊線約1.6 m），以及吊車本身回轉中心到尾部的最小距離約4 m（經驗值）；同時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起重設備的數量和起重能力確定

現場河床可供汽車吊打腿場地長度約90 m，以每臺吊車支腿全伸9 m 的寬度計算，同時考慮一定的裕量，以每臺吊車占用空間寬度為10 m 計算，最多可并排擺放9 臺起重設備。以起吊240 t 的總重量進行分攤，則每臺吊車需承擔的最小重量為26.7 t，考慮多臺汽車吊抬吊的不均衡系數和動載荷系數及安全系數，以起重設備額定起重量的70%為吊裝時實際出力，則汽車吊在14 m 幅度時需要具備38 t 以上的起重能力。

③選型結果

通過模擬和綜合考慮過河鋼管整體剛度及起吊點對鋼管產生的形變、汽車吊負荷分配、汽車吊擺放位置、多臺汽車吊起吊同步性、抬吊安全系數、載荷系數、對河灘90 m 的空間分布利用以及當地的起重設備擁有情況等，最終選用6 臺260 t 汽車吊。以6 臺汽車吊為計算依據，每臺汽車吊需分擔40 t 的起重量，根據260 t吊車性能參數特點，當配重為97.5 t，回轉半徑14 m 時理論起吊重量為58 t；考慮采用多臺吊車起吊同步性因素，負荷率按70%考慮，則單臺最大起吊重量為40.6 t，可滿足吊裝需求。

3）現場施工場地準備

根據設備選型結果和現場實際情況，現場需滿足長度為105 m，直徑為3.2 m 的鋼管拼裝焊接場地，同時需滿足6 臺汽車吊的擺放、支腿支撐及回轉半徑距離要求。

①創造施工場地布置條件：管道安裝位置及附近已開挖場平，滿足管道拼裝焊接需求，同時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，場地較為寬闊平緩，地層結構簡單，均為砂卵石層覆蓋，經局部修整加寬可滿足6 臺大噸位吊車的擺放。

②創造起吊回轉半徑條件：枯水期水位接近地表高程6.0 m，通過沿水流方向向下游按0.2%的坡度進行河床開挖，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：根據設計要求，管槽基礎開挖寬度為5.4 m，開挖坡比按1∶1 控制；根據理正邊坡分析軟件計算，鋼管拼裝軸線位置距管道安裝中心線8 m 即可滿足邊坡穩定要求，考慮到砂卵石邊坡可能發生局部垮塌等因素，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；另根據吊車自身結構尺寸，吊點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（管道已經進入水中，當管體淹沒水中體積達到240 m3時，根據流體力學中阿基米德原理，此時水浮力等于管道自重，吊車起重重量為零），回轉半徑為14 m，可滿足起吊要求。吊裝過程如圖1 所示。

4）6 臺吊車同時抬吊的同步性研究

圖1 鋼管吊裝示意圖

采用6 臺汽車吊抬吊鋼管時，吊車的同步性至關重要。如何將各吊車在起吊過程中受力相對均勻、步驟一致、達到同步起升降落是抬吊的關鍵。為使每臺汽車吊分攤的鋼管重量均勻，起吊過程起升降落同步。本工程施工過程中采用一條主鋼絲繩牽引各吊點副鋼絲繩以及平衡各汽車吊受力，同時通過滑輪組來實現各吊點平衡和起降同步，各汽車吊吊點位置按照管道重量均勻分布原則，每隔17.5 m 布置一個吊點，各吊點連接示意圖見圖2，吊具選用見表1。

表1 所用吊具材料表

5）鋼管水中安裝就位

圖2 各吊點連接示意圖

過河鋼管吊入安裝溝槽后，可利用溝槽內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 移動至起吊位置3。汽車吊緩慢降鉤利用鋼管自重沒入水中，鋼管進入安裝溝槽后由于水的浮力存在，鋼管無法順利下沉，此時需利用水泵向管道內注水，當注水重力與鋼管自重大于水對鋼管的浮力時，鋼管才能繼續下沉，在注水過程中汽車吊不能松鉤，并根據重量顯示器上的數據顯示來進行下降操作，當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，停止注水，操作汽車吊下降，當顯示器上重量回歸至吊鉤重量時繼續注水，反復進行，逐次下降直至降到安裝高程。經計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，在注水過程中，需做好以下幾項工作：

①分別在管道兩端焊接一個標尺（可采用Φ8 鋼筋制作，做好高程標記），以方便觀測管道的就位情況。

②在管道兩端適當位置設置一個剪刀支撐，通過10 t 的手拉葫蘆，對管道水平方向和豎直方向進行微調，以達到鋼管精確就位的目的。

③在兩端非過水斷面端設置一橫梁和限位擋板，限位擋板和橫梁的位置及高程設置要與管道中心線樁號相匹配。

④分別在管道兩端和上下游兩側準備適當數量的混凝土支撐塊和2 臺反鏟挖掘機，當就位完成后，兩側同時進行填塞混凝土支撐塊，防止管道偏移。

在管道就位過程中，6 臺吊車可適當輔助就位，經測量儀器（可選用全站儀）觀測。當安裝就位滿足規范要求后，預制混凝土支撐塊進行填塞，將管節與橫梁臨時焊接，拆除剪刀支撐。作業人員進行手拉葫蘆微調時，做好安全防護措施防止人員落入水中。鋼管水下就位詳見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，在罩筋安放時需注意控制溝槽兩側的位置及下放力度，避免罩筋觸壓鋼管引起鋼管位置變動，如有少量位置偏差可通過兩端葫蘆配合吊車對鋼管位置進行微調確保安裝精度。

6）水下混凝土澆筑

采用導管法進行水下混凝土澆筑，導管的直徑為25 cm，每節長2 m，用橡皮襯墊的法蘭盤連接，底部應裝設自動開關閥門，頂部裝設漏斗。導管沿溝槽以5 m的間距均勻分布。澆筑過程中，導管只允許上下升降，不得左右移動。開始澆筑時，導管底部應接近地基5～10 cm，而且導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，徐徐提升漏斗和導管。每提到一個管節高度后，即拆除一個管節，直到混凝土澆出水面為止。

澆筑過程中需注意鋼管的位置變化，同時需間隔向管內注水，防止隨著混凝土的澆筑過程中管身周圍介質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行養護，與水接觸的表層約10 cm 厚的混凝土，因質量較差，最后進行簡單清除。

一都溪過河鋼管吊裝過程如圖4 所示。

圖4 一都溪過河鋼管整體吊裝現場圖

5 結 語

本文通過對福建省官烈勘探試驗段隧洞工程一都溪過河鋼管安裝施工技術方案的優化和成功實施探索出一種新型的跨河管道安裝施工方法，打破了常規以導流形式進行旱地施工的傳統思維。在工程施工中利用起重設備對大直徑跨河管道進行吊裝安裝，解決了過河鋼管安裝施工過程中碰到深厚砂卵石強透水地質圍堰防滲的難題，同時避免了分期圍堰施工周期長、資源投入大、受汛期干擾大等缺點。優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、簡捷、高效完成過河鋼管安裝施工任務，與原方案相比，大大縮減了施工工期，降低了工程造價，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、工程造價等方面有著明顯優勢。該過河鋼管安裝技術方案豐富了過河管道安裝施工形式，對后續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。