阜陽城市供水工程的沉管施工方法

汪有紅，郭鳳舞 （安徽省引江濟淮集團有限公司，安徽 合肥 230000）

1 工程概況

引江濟淮工程江水北送段阜陽城市供水工程通過新建茨淮新河插花站，提水至茨河鋪閘下，再經加壓站加壓后通過管道輸水至阜陽第四水廠（規劃中），向阜陽城區供水。輸水管道工程從阜陽加壓站施工至阜陽第四水廠，采用壓力管道輸水，全長4.83km，設計流量7.74m/s，雙管并排。根據設計要求，輸水管道工過沙潁河段（樁號0+712.38～0+918.84）采用沉管法施工，沙潁河沉管工程平面、剖面詳見圖1。

圖1 沙潁河沉管工程平面位置示意圖

沉管工程共布置 A、B兩根DN1800mm鋼管（A管在上游側、B管在下游側），沉管垂直河道布置，兩管中心距離8m，管材為Q235螺旋焊接鋼管，壁厚22mm，沉管軸線距離長217m，單根管道總重量約220t。沉管下部鋪設15cm厚碎石（瓜子片）墊層找平，管道四周采用素土回填，回填至管頂以上0.5m，上部拋石厚度1.5m，最上部采用素土回填至原河底高程。管道中心高程為13.0m，槽底高程12.00m，水下溝槽土方開挖深度約6m。沉管工程回填斷面如圖2所示。

圖2 水下沉管工程斷面圖

2 工程施工條件

2.1 場內外交通條件

2.1.1 場外交通

沉管工程位于阜陽市潁泉區，工程施工區域附近有 G105國道、S308、S202、S224、S305 省道及 X028 縣道，陸運交通便利。

工程施工區域緊鄰沙潁河，沙潁河常年通航，上可至安徽亳州、阜陽和河南省周口等地，下通淮河，水路交通便利。

2.1.2 場內交通

沉管工程施工便道采用40cm厚5%石灰改善土+20cm厚泥結碎石，路基結構穩固，滿足重載通行需要。單車道的施工便道寬度4.5m，并設置錯車道，錯車道設置在視野開闊地段，間距不大于500m。

2.2 水文條件

潁河，是淮河流域北側的一條重要水系，發源于河南省西部的外方山及伏牛山山脈，全長620km，在安徽省淮南市壽縣正陽關附近匯入淮河，是淮河最大的支流。穎河沉管施工部位兩岸灘涂地面高程 30.50～32.50m，水面高程28.00m左右，水位常年穩定，河道水流較平緩，河底高程28.00m，水深約10m，常年為通航狀態，航道規劃等級為III級。

2.3 工程地質

沉管穿越潁河段涉及地層有第②1層輕粉質壤土、第②2層重、中粉質壤土、第④層輕粉質壤土。第②2層重、中粉質壤土呈可塑狀態，屬弱透水性，抗沖刷能力一般；第②1層輕粉質壤土、第③層粉細砂、第④層輕粉質壤土呈松散～稍密狀態，屬弱～中等透水性，抗沖刷能力差。根據地勘報告，穎河地質情況詳見圖3。

圖3 穎河地質剖面圖

3 施工方法

3.1 工藝流程

水下沉管工程主要工作內容包括鋼管組裝焊接、水下溝槽開挖、水下瓜子片碎石鋪設、鋼管拖運就位、鋼管注水下沉、水下鎮墩混凝土澆筑、素土回填、拋石回填等，施工工藝流程詳見圖4。

圖4 沉管工程施工工藝流程圖

3.2 鋼管加工生產及運輸

3.2.1 鋼管生產

鋼管管節為工廠生產，標準管節長度12m，委托有相應生產資質的專業廠家進行制造，確保管節的材料、規格、壓力等級、加工尺寸等符合設計及驗收規范要求。

3.2.2 鋼管運輸

①鋼管運輸采用陸運運至施工現場。

②運輸成型的管節時，在管節內加設內支撐。另鋼管安放在鞍形支座或加墊木梁上，以保護管節及其坡口免遭破壞。

③管道運輸到現場后采用汽車起重機吊放至鋼管臨時存放區域，鋼索捆扎吊運鋼管時，在鋼索與鋼管接觸部位加設軟墊，避免損壞涂層。

3.2.3 鋼管組焊

3.2.3.1 焊接基礎軌道布置

①鋼管焊接施工前，沿河岸邊布置軌道作業平臺，間隔40cm放置1根路枕，并在其上安置2根平行軌道，軌道按15%的坡度坡向水面，兩根軌道在同一垂直斷面上的高程誤差不大于2mm。

②用平板運輸車將已防腐完成的合格管材運至現場，由汽車起重機將其依次放置在焊接平臺上。

3.2.3.2 焊接

①坡口打磨

施焊前，用手提式砂輪機將坡口及其兩側10～20mm范圍內的表面清除干凈，將坡口表面的熔渣、毛刺等打磨掉，確保在距坡口內、外20mm范圍內不得有油漆、毛刺、銹斑、氧化皮及其他對焊接質量有害的物質，以使坡口表面平整，并露出金屬光澤。

②焊口組對

a.鋼管組對安裝前，對口人員再次復核管材壁厚、防腐層規格及坡口加工質量，管節應逐根測量、編號，宜選用管徑相差最小的管節組對焊接。

b.鋼管對口采用汽車起重機吊裝，調準上下和平整，進行對口校對，檢查合格后方可進行點焊。

c.焊口禁止強力組對，更不允許用熱膨脹法對口，以防引起附加應力。

d.焊件組裝時，應將待焊管子（件）墊置牢固，以防止在焊接和熱處理過程中發生變形和附加應力。

e.管子或焊件對接焊縫組對時，內壁錯邊量不應超過母材厚度的10%，且不應大于2mm。管道對口應檢查對口接頭各部尺寸，全部符合要求后即可進行定位焊固定，拆除外對口器再全面施焊。

③定位焊

定位焊時除其焊接材料、焊接工藝等應與正式焊接相同外，還應滿足下列要求：

a.定位焊應能保證焊縫在正式施焊過程中不致開裂，其長度宜為10～15mm，高宜為 2～4mm，且不超過壁厚的2/3。定位焊縫兩端應修磨成緩坡狀。

b.定位焊不得有裂紋及其他缺陷，如有缺陷應徹底磨除重新進行定位焊。

④打底

鋼管焊接采用多層多道焊進行逐層焊接，其中氬弧焊打底的焊層厚度不小于3mm，坡口焊縫打底焊道允許最大厚度為6mm。

⑤填充蓋面

填充蓋面采用半自動藥芯焊絲自保護焊，平焊各層焊縫的允許最大厚度為3mm，立、橫、仰焊為4mm。焊口為單面V型坡口，正面焊縫在管外壁。

⑥焊口清理

焊口焊完應進行清理，立即去除殘渣及飛濺物，清理干凈焊縫表面，然后進行焊縫外觀檢查。

3.2.3.3 現場防腐

①外防腐

外防腐采用涂刷環氧底漆120μm～150μm，干燥后進行纏繞熱收縮套，以確保管道防腐的連續性。

②內防腐

內防腐采用內襯不銹鋼焊接免修補技術，管端接口內襯不銹鋼板寬120mm，厚度1.5mm，材質為不銹鋼（304）。

3.2.4 壓力試驗

鋼管拼裝焊接完成后，應對管道進行水壓試驗，壓力鋼管試壓壓力為1.0MPa，合格后方可進行管節接口的防腐處理和沉管鋪設。

3.2.5 溝槽開挖

①兩岸陸上開挖

兩端岸上開挖采用長臂挖掘機進行開挖，開挖時注意保證基槽軸線位置準確，陸地開挖出的土根據實際情況存以后用。兩岸要開挖形成扇面，為鋼管水平翻轉提供作業空間，保證管道旋轉空間。

②水下溝槽開挖

由于河床土層松軟，水下溝槽開挖采用長臂挖掘機，把基槽內的泥土裝到平板駁船上，泥土利用自航泥駁船運走，泥土運至岸邊裝車送至指定的棄土場。

由于基槽的開挖是在水下進行，具有很大的不可見性，要經常下水對基槽開挖情況進行檢查，對開挖情況進行適時的調整，以保證基槽開挖質量。

3.2.6 碎石墊層鋪設

溝槽碎石墊層整平采用平板駁船進行，由駁船進行拋填，溝槽內鋪設0.15～0.2m厚瓜子片碎石，最后由水面控制測量，用高壓水泵進行吹掃，用紅外線探測儀進行平整度檢測。

3.3 鋼管沉放

3.3.1 定位樁施工

為確保鋼管在水面精確定位，漂浮過程中不產生位移，提前施工定位樁。因考慮河道為通航河道，為避免對過往船只的影響，在兩岸往河中心30m位置設置定位井架（5m×5m），井架由4根Φ160mm鋼管組成，打入河床中5m，井架露出水面2m，井架露出水面部分采用槽鋼進行焊接，防止鋼管在水中晃動，沉管完成后井架立即拆除。

因有A、B兩根鋼管，井架在A、B兩管中間位置，如圖5所示。

圖5 定位樁示意圖

3.3.2 鋼管水上浮運

①鋼管采用整體水面浮運法，兩端封閉的管段浮在水面上，利用船舶進行拖航。

②當鋼管拖至河面2/3時，應減慢拖管的速度，應隨時根據水流方向控制管段在水中的浮運狀態，利用尚有的水流慢慢將管流至對岸，此時的拖輪應控制鋼管橫管的速度。拖運管段的控制纜點應根據管段受力計算數據布置，使管段在浮運過程中受力均勻。

③水平劃弧線：當管道浮運至管設計中心線附近，先將管道一端牽引至中心線定位、固定，再將管道在水面上水平旋轉至管線中心的過程（如圖6所示）。

圖6 鋼管水面水平旋轉示意圖

④當鋼管整體浮運所承受浮力不足以使管漂浮時，在管兩旁系結剛性浮筒、柔軟浮囊等。

3.3.3 穩管定位

管道拖運就位后，利用岸邊設立的三個手拉葫蘆，分上下及軸線調整，確保管道準確定位于中軸線上，直至鋼管完全處于基槽上方。把管段與定位樁鎖牢，以清除鋼管的橫向撓度，同時消除水流對管道的漂移作用，防止發生位移。

3.3.4 鋼管注水沉放

①管道注水

當定位完成后，打開兩管端的排氣閥，打開進水口，用1臺潛水泵由管道一端向管內注水，并各設水表一塊，計量注水量，做好注水量記錄，另一端排氣。在進行管道注水過程中，同時進行排氣工作，直到水平段的空氣全部排出，然后調整平衡，繼續注水。

②垂直翻轉

將折線管道兩端點固定，由漂浮在水面上的狀態，通過控制注水量和調節吊力，使管道圍繞兩個端點在水中垂直旋轉至管中線位置。

③管道垂直下沉

管道下沉采用整體吊沉法。管道下沉前，設兩條吊車船，分別吊住管道兩端位置。根據現場場地和管道長度設置合理的吊點，保證管道在下沉過程中的平衡，有效地控制鋼管下沉時的彎曲應力。

根據管道兩端的排氣情況，分多次指揮各吊船放松鋼絲繩，使鋼管逐漸下沉，每次下沉0.2m。管道在進水時，各吊點對管道略有吊力，隨著水不斷灌入，所有吊點同時松繩使管道逐漸下沉，各吊點同時不斷進行調整，以保證各吊點的合理分布。

下沉過程中務必控制下沉速度，不得過快也不得過慢，要均勻有效，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。同時各施工人員應相互協調，使管道均勻下沉，使管道受力控制在容許范圍內。管道下沉應均勻、平穩，無軸向扭曲、環向變形和明顯軸向突彎等現象。應及時做好注水量、吊力、沉放量、管位測量等沉管記錄。

3.3.5 鋼管臨時固定措施

鋼管水下沉放就位后，澆筑水下混凝土及回填前為防止鋼管上浮或移動，需采取以下措施對水下鋼管進行臨時固定：

①鋼管內水不得外排，依靠鋼管的自重防止鋼管上浮；

②在鋼管水上斜管段位置與水中定位樁連接，防止管道位移。

3.4 水下混凝土澆筑

沉管施工完畢后經檢驗合格后，應及時進行水下鎮墩澆筑，固定水下兩個轉角，以防止管道偏移軸線、管道起拱，避免對已入槽管道擾動，鎮墩施工完畢后再對溝槽及時覆土回填。

3.5 管道周圍素土回填

水下鎮墩混凝土施工完畢后開始進行溝槽回填，進行管側、管上土方回填固定管道（回填區域詳見圖7），水下部分素土回填由挖泥船配合駁船完成。

圖7 溝槽底部素土回填示意圖

3.6 拋石回填

管道周圍素土回填后，將事前準備好的塊石裝在平板駁船上，由平板駁船將塊石裝運到溝槽上方。拋填前在河道上沿管道中心線拉設一根繩索，施工運輸船停置于繩索近旁，但不能碰觸管道吊裝鋼纜。拋錨定位，根據現場條件，采用定點定量拋填的方法進行拋填作業。

3.7 溝槽回填土

拋石回填至15.90m高程后，由挖泥船從原堆土區或取土場挖泥裝駁，根據管道中心線標志、基槽邊線標志進行拋填，直至達到原河床標高，回土完畢再由潛水員進行水下檢查。

3.8 水壓試驗

①充水時，在其最高處應設置排氣管閥，加壓前必須排氣。

②加壓時應分級加載，加壓速度不宜大于0.05MPa/min，先緩緩升至工作壓力保持30min以上，此時壓力表指針應保持穩定，沒有顫動現象，對鋼管進行檢查，情況正常可繼續加壓，升至最大試驗壓力保持30min以上，此時壓力表指示的壓力應無變動，然后下降至工作壓力保持30min以上。

3.9 監測監控

確保精確地測量定位，在進行管道下沉過程中，要進行動態校核。精確測量觀察并合理控制管道下沉幅度和速度，隨時了解沉放過程中鋼管的變形情況，當應力出現異常情況時，及時調整各吊點的沉放量及采取其他措施，保證管道不出現裂縫和突發性斷裂。

在下沉過程中，跟蹤測量，及時調整鋼管的下沉位置，根據水面高程及測繩的讀數來測量控制沉管下沉的速度及平衡，保證沉管下沉到位。在管道有序地沉放過程中，進行管中線與基槽軸線校正的測量監控工作。

施工期間加強監測，設立臨時水位、流速觀測站，加強對水文參數的監測。

3.10 檢查驗收

沉管基槽浚挖及管基處理應符合下列規定。

①主控項目

a.沉管基槽中心位置和浚挖深度符合設計要求；

b.沉管基槽處理、管基結構形式應符合設計要求。

②一般項目

a.浚挖成槽后基槽應穩定，沉管前基底回淤量不大于設計和施工方案要求，基槽邊坡不陡于本規范的有關規定；

b.管基處理所用的工程材料規格、數量等符合設計要求。

4 結語

在我國，隨著社會的發展，跨越江河的管道也會增多，在內河航運河道上安裝水下埋管的優越性將會突出地表現出來，并必將促進水下管道工程的建設，從而推動水下管道建設技術的發展。本工程沉管作業已按期順利沉放到位，效果良好。記述的沉管工藝方法，希望能為類似水上沉管施工作業提供些許的借鑒。