內河航道大管徑壓力鋼管水下沉管施工技術研究

董友奇，楊冀亮，李高攀，王振，米法楠

（中國電建市政集團山東工程有限公司，山東 濟南 250000）

0 前言

阜陽城市供水工程是引江濟淮工程（江水北送段）重要組成部分，工程施工內容包括新建插花站、加壓站及供水管道三部分。其中供水管道全長4.8km，供水至阜陽第四水廠，設計流量7.74m/s，采用雙管線，管徑1.8m，主要以PCCP管道（預應力鋼筒混凝土管）為主，其中穿沙潁河段采用壓力鋼管，工作壓力0.22MPa，根據設計要求采用沉管法施工。

沉 管 工 程 共 布 置 A、B 兩 根DN1800mm 鋼管（A 管在上游、B 管在下游），管道垂直于河道布置，兩管中心距離8m，管材為Q235B 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（見圖1）。

沙潁河是淮河流域北側的一條重要水系，全長620km，為內河三級航道，連通淮河，常年通航，是淮河最大的支流。沙潁河沉管段水面標高常年為28.00m，水位常年穩定，河道水流較平緩，水深約10m，進行水下沉管施工水面處寬度為180m。

圖1 沉管工程縱縱剖面圖

1 工程特點

①本工程需投入較多的水上工程船舶，且均從外地調配，對大型船舶的進場路線和時間應充分調研；本工程水下土方開挖和回填量較大，且水下土方開挖深度大于15m，需結合工程地質條件及實際情況，選用適合深水區作業的船舶設備，提高施工工效。

②砂墊層鋪設、沉管、混凝土澆筑等施工環節均為水下作業，水下工況條件復雜，可見性差，不可預見因素多，水下作業施工精度控制難度大。

③沉管施工區域水深達15m，且管線長，重量大，施工難度大，沉管前要充分做好穩管、鋼管下沉相關船舶設備的準備工作和鋼管吊點的計算，需做好充足的施工準備和保障應急措施，必須一次成功完成沉管施工。

④沙潁河連通淮河，為內河三級航道，常年處于通航狀態，外界環境干擾大，基槽開挖施工采取不斷航施工方案分段實施，保證航道暢通；為減小對通航的影響，對施工工期要求較高，確保快速、安全、可靠完成沉管段施工。

⑤后續維修較為困難，對鋼管防腐以及焊接的工藝要求高，對施工人員技術性要求非常高，尤其是鋼管焊接和防腐處理相關人員。

2 施工方法

根據沉管工程所處水域的水文、地質、氣象、航運交通等條件，并考慮周邊環境、設計要求及施工技能能力等因素，經濟技術比較落后，鋼管沉放擬采用“焊接平臺組對焊接→下水坡道焊接、分段向水中推送→水上臨時停放→水面浮運→穩管定位→管道注水下沉”的施工工藝，主要包括以下9 道工序，即：鋼管岸邊組焊、鋼管對接下水、水下溝槽土方開挖、水下碎石墊層鋪設、鋼管浮運就位、鋼管注水下沉、水下鎮墩混凝土澆筑、水下素土回填、水下拋石回填。主要施工方法如下：

為加快鋼管焊接施工進度，鋼管在焊接平臺位置每兩節（共24m）組焊拼成一段，吊放到下水滑道上繼續組焊，確保兩個焊接班組同時施焊。

提前將鋼管一端封堵盲板焊接完成，依次進行焊接，利用下水坡道軌道車、水上起重船分段將鋼管拖拽下水，一根管道在滑道發送架上全部焊接完成后封閉另一端盲板。

空心鋼管利用自身的浮力平行河道方向漂浮在岸邊，沉管前利用拖船將鋼管一端拖至河對岸，使鋼管橫跨于河面，確保其位于預先開挖好的管道溝槽上方，然后在管端口預留的注水口注水，使鋼管在自身重力的作用下下沉至河底溝槽內，然后澆筑水下混凝土鎮墩對鋼管進行固定，待兩根鋼管均沉放就位固定后，對水下溝槽進行素土、拋石回填，最后將鋼管兩端與岸上水平鋼管對接。

3 施工工藝

3.1 水下溝槽土方開挖

沉管工程水下溝槽土方開挖深度約6m，兩端岸坡土方開挖采用陸地挖掘機進行開挖，陸地開挖出的土根據實際情況存以后用；水下溝槽土方開挖、溝槽邊坡修整采用液壓抓斗挖泥船，把溝槽內的泥土裝到開底駁上，一部分泥土運至指定臨時拋泥區待用，多余土方卸至河邊港池，由挖掘機將土從水中撈至岸上，待晾干后裝車，運至棄土場。

液壓抓斗挖泥船施工時采取單側縱挖式施工，施工中采取先挖岸邊，后挖中間，開挖時注意保證基槽軸線位置準確。為不影響通航，整體采用按照先挖左邊后挖右邊的開挖方式。因本工程為雙管并排，為減小溝槽開挖后回淤，兩管道溝槽同時開挖，溝槽坡比大于1∶2.5。由于溝槽的開挖是在水下進行，具有很大的不可見性，要經常對水下開挖情況進行檢查，對開挖情況進行適時調整，以保證開挖質量。

3.2 水下碎石墊層鋪設

溝槽碎石墊層拋填采用液壓抓斗挖泥船進行，溝槽內鋪設0.15～0.2m 厚瓜子片碎石，水下整平采用水上液壓抓斗挖泥船進行粗平，潛水員水下細平，最后由水面控制測量，用紅外線探測儀進行平整度檢測。墊層施工完成后應及時進行沉管施工，確保水下基槽的土方開挖、墊層鋪設時間應與鋼管注水下沉的時間相匹配，避免溝槽形成淤積。

3.3 鋼管水面浮運

焊接好的鋼管兩端利用封板進行封堵，并且設置排水管及閥門，鋼管利用自身浮力漂浮在水面，采用水面整體浮運法進行浮運，利用拖船進行拖航。當管道浮運至設計位置附近后，先將管道一端牽引至中心線，利用水上起重船、鋼絲繩將管道一端固定，再將管道在水面上水平旋轉至管線中心。鋼管水面浮運時，應減慢拖管的速度，控制管段在水中的浮運狀態，使管段在浮運過程中受力均勻。

3.4 鋼管穩管定位、確定輔吊點

管道拖運就位后，管道橫進管中基槽內浮于水面時，采用三艘起吊能力100T 起吊船拋錨后牽引固定，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。

管道下沉采用整體吊沉法，計劃采用5 個吊點，岸上兩端各設置一臺100T履帶式起重機（見圖2），水上采用三艘起吊能力為100T 的水上起重船控制管道下沉（位于管道兩側），總起重能力大于管重。

根據現場場地和管道長度設置合理的吊點（見圖3），使得在吊鋼管的時候不易發生翻轉、擺動、傾斜，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，保證質量。吊點采用鋼絲繩，鋼絲繩外部設一層保護套，避免磨損鋼管表面防腐，增強鋼絲繩彎曲彈性。

圖2 管道輔吊示意圖

圖3 鋼管水上浮吊示意圖

3.5 鋼管注水沉放

3.5.1 沉放前準備工作

沉管施工前對水文、氣象進行詳細調查分析，施工時間選擇流速較小，晴天、少雨的有利時機進行。沉放前檢查管道及防腐層無損傷，無變形，檢查溝糟斷面及槽底高程是否符合設計要求；在管道就位前，在兩岸管中心線各架設全站儀一臺，測量管中心線位。

3.5.2 管道注水

計劃采用兩臺潛水泵，在管道兩端同時進行注水，潛水泵參數如下：功率W=2.2kW，流量Q=50m/h，揚程H=40m。

當鋼管定位完成后，打開兩端的排氣閥及進水口，用兩臺潛水泵分別由管道兩端向管內注水，并各設水表一塊，計量注水量，做好注水量記錄。在管道注水過程中，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。根據計算，管內注水347m可使管道處于懸浮狀態，鋼管內注水時間h=347/100≈3.5h，即需注水3.5h，可使鋼管處于水中懸浮狀態；當繼續注水時，鋼管開始下沉。需5.6h，將整根鋼管全部注滿水。

3.5.3 折線段垂直劃弧

折線段的管道浮與水面時處于水平狀態，在管道總體下沉過程中實現管道的90。翻轉，陸上采用100 噸履帶式機吊住折線管道段（見圖4），由漂浮在水面上的狀態，通過控制注水量和調節吊力，使管道折線段圍繞直管段在水中垂直旋轉至管中線位置。

圖4 鋼管折線段浮吊示意圖

3.5.4 管道垂直下沉

管道下沉采用三臺水上浮吊船輔助下沉（見圖5），兩側岸上各采用一臺履帶式起重機吊住折線段，防止管道傾斜。管道在進水時，各吊點對管道略有吊力，當管道浮力小于管道自重時開始緩慢下沉，隨著水不斷灌入，分多次指揮所有吊點同時松鋼絲繩，使管道逐漸下沉。下沉過程中采用GPS 測量系統隨時監測管道的軸線位置，并且校正管道位置，保證管道的沉放軸線與設計位置完全吻合。

圖5 水上起重船輔助沉放示意圖

3.6 水下鎮墩混凝土澆筑

鋼管下沉就位且經檢驗合格后，應及時進行水下鎮墩澆筑，以固定鋼管水下兩個轉角，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。

3.6.1 模板設計

為保證水下混凝土幾何形狀及澆筑施工質量并減少潛水員水下工作量，并確保模板的剛度，鎮墩模板考慮采用拼裝式鋼模板，采用5mm 厚鋼板加工焊接制成，兩側預留Φ1820mm 半圓形孔洞，確保鋼管穿過鋼模板，模板按照設計圖紙尺寸現場加工成型。水下混凝土澆筑完成后，鋼模作為結構件永久留在水下。

3.6.2 模板安裝

鋼模板材料運至現場后，在岸上加工制作，用螺栓加以固定，模板間內襯加強筋和對拉螺栓，加強模板的整體穩定性，確保鋼模不變形。模板拼裝完成后用履帶式起重機將組合模板轉到船上，并在模板四周設置定位纜繩，水面工作人員及水上起重船同時配合水下潛水員將模板插入指定的位置，利用螺栓加以固定，經測量驗收校核，確保模板滿足設計要求。因鎮墩模板需要包裹管道，封口模板需要水下拼裝，模板外側周圍的間隙由水下潛水員用砂袋進行封堵穩固，安裝模板后，確保模板底部不發生漏漿現象。

3.6.3 水下混凝土澆筑

水下鎮墩采用C25 素混凝土，采用導管法將拌制合格的混凝土澆筑至水下預定部位就地成型硬化。混凝土澆筑利用導管，導管內徑250mm，壁厚4mm，每節導管之間采用法蘭連接，并用橡膠密封圈進行密封，導管頂部盛料漏斗做成錐形，其容量為1m左右。

混凝土澆筑過程應持續進行，以減少水的不利影響，確保一次澆筑成功。施工時，為防止水流、雜物進入導管，下管前將導管底部封堵，借第一斗混凝土的重量把塞子沖開，使混凝土灌注到位。

3.7 壓力試驗

鋼管水下臨時固定完成后，應對管道進行水壓試驗，壓力鋼管試壓壓力為1.0MPa。

3.7.1 試驗準備

鋼管下水前，提前將鋼管兩端管口用20mm 厚盲板焊接封堵，盲板能有效減少鋼管在吊裝過程中的管口變形，在盲板上焊接短管并安裝閥門，設置進水管、排水管、閥門和壓力表，進行打壓試驗[6]。

3.7.2 試驗過程

充水時，在其最高處應設置排氣管閥，加壓前必須排氣。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?？衫^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。

3.8 水下溝槽回填

根據設計要求，溝槽分層進行拋填，具體回填工序為首先進行素土回填，其次進行拋石回填，最后進行素土拋填[7]。

3.8.1 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土方回填，進行管側、管上土方回填固定管道（見圖6），水下部分素土回填由液壓抓斗挖泥船配合開底駁進行，水下溝槽回填土料根據土質情況采用原溝槽開挖土。

圖6 溝槽底部素土回填示意圖

3.8.2 拋石回填

管道周圍素土回填后（填至管頂以上50cm），開始進行拋石回填（見圖7），石塊由船舶運至施工現場，由水上液壓抓斗挖泥船進行拋填。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一側，但不能碰觸繩索。船舶拋錨定位，根據現場條件，采用定點定量拋填的方法進行拋填作業，結合每艘駁船所運的石料量的大小，進行確定進行拋填的面積，確保均勻有效。

圖7 水下拋石回填示意圖

3.8.3 溝槽素土回填

拋石回填至設計高程后，由水上液壓抓斗挖泥船從原堆土區挖泥裝駁，根據管道中心線標志、基槽邊線標志進行拋填，直至達到恢復原狀（見圖8），還土完畢再由潛水員進行水下檢查，確保頂面高程符合設計要求。

圖8 水下溝槽素土回填示意圖

4 質量控制要點

①鋼管在水面浮運時，應保護外防腐層不受損壞，當外防腐層局部損壞時應及時修補。

②確保精準的測量定位，在進行管道下沉過程中，要進行動態校核。

③控制管道下沉速度，不得過快，要均勻，沉管過程中應避免在沉放過程中的不均衡，造成鋼管的彎曲應力過大，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，鋼管下沉過程中務必控制下沉速度，不得過快也不得過慢，使管道均勻下沉，控制5 臺起重設備每次下沉0.2m。

④使用起重設備輔助下沉過程中，要確保管道水平，各施工人員應相互協調，統一指揮，緩慢沉放。應及時做好注水量、吊力、沉放量、管位測量等沉管記錄。

5 結論

不斷流河道工程中的水下沉管施工，管道下水、浮運與沉管施工工況條件復雜，水下作業施工精度控制難度大。引江濟淮阜陽供水項目工程中，利用下水滑道、輪拖帶管浮運就位、管道灌水下沉，利用多船舶多吊點控制管道下沉速度及下沉量。下水、沉放安全可靠，定位準確。在不影響航道正常通航的情況下安全施工，且施工質量可靠，施工工期相對較短，適合在類似工程中推廣應用。