內湖封閉水域輸水管道水上浮吊施工技術

胡 煒 湯 武 徐小飛 李劉歡

上海建工（浙江）水利水電建設有限公司 上海 200082

1 工程概況

大溪水庫取水口遷移工程位于江蘇省溧陽市，主要施工內容包括在大溪水庫內新建至南渡水源廠輸水管道2根（DN1 000鋼管，壁厚12 mm，單根管道長度1 180 m）、至中心水廠輸水管道2根（DN1 400鋼管，壁厚16 mm，單根管道長度485 m），并同步建設和改造取水頭部。

工程建成后，南渡水源廠的取水規模可達6×104m3/d，中心水廠取水規模可達1×105m3/d，可為溧陽市供水安全提供有效保障。

2 工程難點與特點分析

工程位于大溪水庫內，施工區域內水深較大，輸水管道主要采用沉管法水上施工。由于本工程地處內陸湖泊水源保護地內，常規浮吊船等大型施工機械無法進入，如何選擇水上沉管設備并合理組織管道焊接、運輸、沉放全過程，是本工程需要解決的首要問題。

同時，輸水管道沉管施工難度大、風險高，如何在無大型施工機械的情況下，保證沉管作業的精度和質量，是本工程面臨的一大難題。

3 浮吊裝置設計

3.1 沉管方法對比

目前常用的水上沉管方法主要有起重船吊沉法、浮箱吊沉法、扛吊法、騎吊法[1-3]（表1）。考慮到本工程地處內陸湖泊的特點，且輸水管道管徑較小，擬采用浮箱吊沉法組織輸水管道水上沉管施工。

表1 沉管方法對比

3.2 裝置構成

浮吊裝置采用浮箱拼裝，利用2只浮箱拼裝成龍門架式浮吊裝置，每組2只浮箱用鋼桁架連成整體，在浮箱龍門架頂上安設2組5 t起吊卷揚機以及配套2組32 t滑輪組，并在浮箱四周安裝定位卷揚機連接定位錨。起吊卷揚機配套的吊索采用鋼絲繩，鋼絲繩型號根據吊裝質量計算確定，初步采用5根長10 m的φ44 mm鋼絲繩，確保單個浮吊裝置起吊承載力在1 000～1 500 kN之間。浮吊裝置和現場拼裝情況如圖1所示。

圖1 拼裝式浮吊裝置

4 浮吊法施工方案設計

浮吊法施工流程為：施工準備→水下溝槽開挖、管道陸上拼接→溝槽整平、管道下水浮運→溝槽鋪碎石墊層、浮吊就位→沉管下放→回填→混凝土包封→收尾驗收。

浮吊法施工主要施工步驟如下：

1）水下溝槽開挖。根據現場施工環境等情況，水下溝槽采用抓斗式挖泥船開挖。在施工放樣時，將管線的中軸線、溝槽的邊線等分別引測至水面上，采用導標的方法進行控制，導標測量用長5～10 m花桿，施工過程中應用全站儀隨時進行復核，保證溝槽開挖平面、高程位置的準確。在溝槽開挖到施工過程中，不間斷跟蹤測量，以保證溝槽的開挖質量。

2）溝槽整平。溝槽整平采用潛水員配合工作船進行，在工作船上設置漏桶，由人工拋填。根據設計的碎石墊層厚度，即250 mm，確定拋填的碎石量，最后在水面控制測量的基礎上，由潛水員水下用刮板找平。

3）管道拼接。將廠家制作好的節長12 m的成品管運到現場，在加工場地坡道上將管道加工、接長到擬安裝長度的長管節。自流管鋼管接頭焊縫采用K形坡口焊，雙面焊接。構件表面采用噴射除銹工藝進行基體表面預處理，并采用涂料防腐，選用IPN8710-2B涂料，做法為二底三面。底漆實干后方可涂刷面漆，鋼構件表面涂層厚度不小于500 μm，焊縫處涂層厚度不小于400 μm。此外，在管道兩端采用盲板封堵，在盲板上分別設進水閥、排氣閥。

4）管道浮運。拼裝焊接后的管道兩端被盲板封閉而浮在水面上，在管道首尾各設置2艘機動船，利用機動船將管道浮運到安裝水域。拖航時注意水流速度、風浪對管段的影響，控制浮運管段的曲率半徑，盡可能使管段直線浮運。

5）浮吊就位。浮吊裝置通過錨機收放錨纜進行移位、定位，定位前根據管道長度計算均勻布置浮吊。管道在機動船牽引下橫入浮吊龍門架下，到吊點相應位置后，放下各浮吊船的滑輪鉤頭穿掛鋼絲繩吊索，每根鋼絲繩吊索沿管道穿繞一周半，2個鋼絲扣用卸扣分別與浮船龍門架兩側的滑車連接。將管段吊離水面1～2 cm，并保證管道首、尾以及中間管段中心精確位于管座中軸線上。

6）沉管下放。管道定位完成后，拆除管道兩端封板。在統一指揮下，各浮吊同時緩慢放松鋼絲繩、下放管道，使管道兩端同時灌入湖水，直至管道灌滿水且管道各吊點在同一高程上，然后再緩慢向湖底下放管道。下放過程中各浮吊協同作業，保證下放速度的一致性，并將速度嚴格控制在15 cm/s，以防管道傾斜移位或者剪斷破壞；同時，潛水員在水下對管道中線與基槽軸線的一致性進行動態校正。下放到設計高程后，潛水員下水探摸沉放情況，確定管道穩固且精確沉放于溝槽后再松開撤去鋼絲繩。

7）回填。管道沉放符合要求后，對管道進行回填。回填時，先投拋碎石固定管道，再拋塊石至500 mm厚度，最后采用開挖土料將管道周邊回填至現狀湖底高程。為保證回填的密實度，管道兩側同時回填。在回填中，測量人員進行高程測量，并安排潛水員進行水下檢測，以保證回填質量。

5 浮吊施工精度控制技術

5.1 水下地形探測技術

本工程溝槽開挖和管道固定、回填均屬于水下作業，由于內湖水深較大，施工中水下情況難以確定。雖然安排了潛水員在水下監測和指導施工，但由于水上、水下信息溝通不便，水上的施工作業人員仍難以直觀掌握水下情況，施工作業存在一定的盲目性。

為直觀獲取水下情況，采用配備多波束測深系統的無人船對沉管區域進行水下地形動態測量。多波束測深系統通過換能器以一定的頻率向水下發射多個波束，形成扇形聲波束探測區；聲波在水中傳播，遇到水底后發生反射、透射和散射反射回來的回波，經換能器接收，根據聲波在水中的傳播速度及往返的時間可計算出每個波束對應點的水深值，若干個測量周期組合就形成了水深圖。多波束測深原理如圖2所示。

圖2 多波束測深原理

水下溝槽開挖前，首先采用多波束無人船對沉管區域水下地形進行摸排，復核溝槽沿線的原始湖底高程，精確確定出沿線各處的開挖深度。溝槽初步開挖完成后，再用無人船復測溝槽開挖情況，確定開挖深度是否滿足要求。管道回填時，除過程中的高程測量和潛水員水下檢測，采用無人船對回填后的管道沿線湖底高程進行復測，確保回填滿足設計要求。

5.2 浮吊設備高精度定位技術

要實現管道水上精確浮吊，浮吊設備的高精度定位是關鍵。本工程位于內湖封閉水域內，從岸邊鋼管拼裝場到水上沉管區域的距離在3 km以內，且沿線無遮擋、透視良好。

考慮到上述特點，采用實時動態載波相位差分（RTK）技術對浮吊設備進行高精度定位[4-5]，為浮吊設備配備高精度衛星定位裝置，形成流動站，并在岸上鋼管拼裝場設定位基準站。浮吊流動站通過圓盤天線實時接收衛星發來的定位信息，并通過無線電臺接收基準站發來的差分信息。流動站利用差分信息對定位信息進行校正，從而得到高精度的實時定位（圖3）。

圖3 RTK定位系統架構

管道浮吊就位前，首先根據管道質量確定所需的浮吊設備數量，然后根據設計吊沉中心線，按均勻布置的原則確定各浮吊設備的位置，最后在RTK技術的輔助下，各浮吊依次精確就位。通過現場與全站儀設備的對比，浮吊設備的定位精度可達到厘米級，實現了浮吊精確定位。

在無人船多波束測量技術和RTK技術的輔助下，本工程輸水管道吊沉順利完成，且管道一次安裝成功率高，施工中未出現由于管道位置和深度偏差帶來的返工現象，既提高了施工效率，又為施工質量提供了有效保證。

6 結語

1）針對內湖封閉水域水上沉管施工特點，對比了不同沉管方法的適用性，最終選擇浮箱吊沉法進行沉管，并設計了龍門架式浮吊裝置。

2）對輸水管道水上浮吊法方案進行了設計，確定了包括水下溝槽開挖、管道拼裝與浮運、浮吊就位、水上沉放、管道回填等工序在內的浮吊法工藝流程。

3）為提高輸水管道浮吊精度，確保管道施工質量，采用配備多波束測深系統的無人船在溝槽開挖前后以及管道回填后對沉管區水下地形進行檢測，確保沉管深度滿足要求。同時，為浮吊裝置配備高精度衛星定位設備，通過RTK技術實現了浮吊裝置的精確定位。浮吊施工精度控制技術取得了良好的效果，保證了工程質量和進度。