不斷流內河航道壓力鋼管水下沉管施工探討

◎ 肖興民 李云龍 張志剛 山東宇通路橋集團有限公司

1.工程背景

某壓力鋼管管道全長4.8km，雙線管設計，管徑1.8m，主要采用預應力鋼筒混凝土管，穿越H內河航道管段則采用設計工作壓力0.22MPa的壓力鋼管，沉管法施工。A管和B管均采用DN1800mm的Q235B螺旋焊接鋼管，分別設置在河道上下游，管道與河道垂直布置，兩鋼管中心距8.0m，鋼管壁厚22mm，每根管道分別中220t。H內河全長650km，為內河三級航道，全年通航，該內河航道待沉管施工水面標高28m，水位較穩定，沉管施工處水面寬180m。

2.施工難點及方案

該內河航道供水工程所投入水上施工船舶數量較多，必須在充分調研的基礎上合理確定大型施工船舶進場路線和時間。施工時航道水下土方開挖深度至少15m，土方開挖及回填工程量較大，必須結合工程實際選擇適宜深水區施工的船舶機械，保證施工安全和工效。鋪設砂墊層、沉管及澆筑混凝土等均在水下，工況復雜，施工精度控制難度較大。沉管鋪設區域設計水深15m，沉管重量大且管線長，鋪設沉管之前必須完成穩管、船舶設備準備等工作，并準確確定出鋼管吊點位置。該內河航道為三級航道，常年通航，為保證正常通航，減輕航行船舶等外界條件對施工過程的不利影響，應分段進行基槽開挖；施工過程中還必須保證鋼管防腐及焊接施工質量。

考慮到內河航道水文地質、氣象條件、施工技術水平等因素，沉管鋪設采用分段向水下推送、水面浮運、注水下沉的工藝流程，主要包括岸邊組焊、對接下水、溝槽開挖、鋪設碎石墊層、浮運就位、注水下沉、澆筑水下鎮墩混凝土、回填水下素土和拋石等工序。為保證焊接進度，應在焊接施工平臺提前焊接完成鋼管端封堵盲板后將鋼管每兩節組焊拼接，通過坡道軌道車、起重船吊至水下滑道后繼續組焊?？招匿摴芙柚陨砀×εc河道平行漂浮在岸邊，通過拖船將鋼管拖動至河對岸并橫跨在河面之上，保證其正好位于開挖好的管道溝槽，向預留的注水口內注水，使鋼管逐漸下沉至河底溝槽。

3.施工工藝

3.1 開挖水下溝槽

本內河航道沉管施工水下溝槽開挖設計深度6.0m，通過陸地挖掘機進行兩端岸坡土方開挖，應用液壓抓斗挖泥船開挖水下溝槽土方并修正溝槽邊坡，開挖后的泥土由挖泥機轉運至開底駁。液壓抓斗挖泥船主要采用單側縱挖施工方式，由岸邊向中間開挖，并確保基槽軸線不發生改變。

3.2 鋪設碎石墊層

應用液壓抓斗挖泥船拋填溝槽碎石墊層，片石拋填厚度0.15～0.2m，由液壓抓斗挖泥船初平后派潛水員下水精平，最后通過紅外線探測儀檢測碎石墊層鋪設的平整度。完成墊層鋪設后盡快沉放鋼管，防止溝槽淤積。

3.3 鋼管浮運及定位

通過封板封堵焊接完成的鋼管兩端，并設置排水管和閥門裝置，空心鋼管借助自身浮力在水面漂浮浮運。待鋼管端頭牽引至中心線后，采用鋼絲繩固定端頭，并將鋼管在水面旋轉至設計位置。為確保鋼管浮運安全及定位準確，應控制托管速度及鋼管浮運狀態，保證其均勻受力。

待拖運鋼管就位，管中基槽浮于水面后通過3艘起吊能力100t/艘的起吊船牽引固定，使鋼管在中軸線處準確定位，并最終完全位于基槽上方。通過整體吊沉法進行鋼管下沉施工，共設置5個吊點，兩岸岸坡處各設置1臺100t履帶起重機，水上則由3艘起吊船分別在各鋼管節段兩側控制下沉過程。

3.4 鋼管注水沉放

在鋼管注水沉放施工前應全面調查內河流域水文氣象條件，選擇流速小、水面穩定、無降雨的時間施工。在沉放前檢查鋼管管道是否存在變形、防腐層損傷及溝槽斷面、槽底高程等；將2臺全站儀分別架設在兩岸鋼管中心線處，以進行鋼管中心線位的測量。

待結束鋼管定位后開啟鋼管兩端排氣閥和進水口，并通過2臺功率2.3kW，流量50m3/h，揚程40m的潛水泵分別在管道兩端注水，通過水表進行注水量實時監測，并記錄注水量和注水時間。管道注水過程中應同時排氣，待水平段空氣完全排除后調整平衡狀態并繼續注水。結合類似工程施工經驗及本管道計算結果，管道內注水量達到347m3時便能懸浮，所對應的注水時間為3.5h；此后繼續注水，鋼管則開始下沉，如需將鋼管注滿水，共需要5.5h。

折線段管道浮在水面時也處于水平狀態，并在沉降施工過程中在陸地上100t履帶式機吊住折線段管段后，通過注水量及吊力的調整，使其折線段在水中實現直角型翻轉，并旋轉至管道中線位置。

通過3臺水上浮吊船輔助管道垂直下沉過程，同時由兩側岸坡履帶式起重機將折線段吊住，避免管道沉降施工時發生管道傾斜。隨著管道入水后吊點對管道吊力減小，并待管道自重超出管道浮力后緩慢下沉，水不斷灌入管道后自重逐漸增大，全部吊點分次松鋼絲繩，管道穩定下沉至設計位置。

待鋼管下沉至設計位置后通過GPS測量系統進行檢測，沉放軸線與設計完全吻合后澆筑水下鎮墩，以起到鋼管轉角固定、避免管道與軸線偏移及管道起拱的作用，待完成水下鎮墩澆筑施工后及時回填溝槽。水下鎮墩混凝土澆筑采用C25素混凝土，并通過導管將混凝土材料輸送至水下設計位置就地硬化成型，所使用導管內徑250mm、壁厚4mm，導管節段之間通過法蘭連接，橡膠密封圈密封，導管頂部盛料斗應為容量1m3的錐形設計。

3.5 壓力試驗

將鋼管臨時固定在水下后，應進行水壓試驗，試驗壓力按照1.0MPa確定。為控制鋼管吊裝時管口發生變形，應在鋼管兩端管口處焊接厚度20mm的盲板，并在盲板上焊接短管，安裝閥門、進水管、壓力表。

充水過程中將排氣管閥設置在最高處，并在加壓前排氣，之后按照0.05MPa/min的速度分級加壓，待壓力上升至工作壓力后保持1/2h，檢查壓力表指針，若無劇烈擺動，則繼續加壓至試驗壓力最大值后保持1/2h，再次檢查壓力表指針，若仍無劇烈擺動，應降低壓力至工作壓力后保持1/2h，并結束壓力試驗。

3.6 溝槽回填

管道周圍素土回填至管頂以上50cm處后開始回填拋石，具體見圖1和圖2。拋石塊主要由運輸船運至施工現場，通過液壓抓斗挖泥船拋填，并在施工前沿管道中心線拉設1根繩索，運石船停放在繩索側拋錨定位后，進行定點定量拋填施工，拋填面積主要根據運石船所載石料量的大小確定。

圖1 水下溝槽底部回填素土

圖2 水下拋石回填施工示意圖

待拋石回填至設計高程（▽15.9m）后，通過水上液壓抓斗挖泥船從堆土區挖泥裝駁，并依據管道中心線、基槽邊線等設計標志回填溝槽素土，填筑結束后派潛水員下水檢查回填效果，保證回填頂面高程滿足設計要求。

4.結語

本文分析結果表明，不斷流內河航道水下壓力鋼管沉管施工工況復雜，水下施工精度控制難度大，本工程通過采取水下滑道、拖輪帶管浮運輔助鋼管定位，并通過管道灌水下沉，采用多船舶多吊點加強鋼管沉降量和沉降速度控制。本工程所采用的內河航道壓力鋼管沉管施工技術施工質量有保障，工期較短，對于類似工程具有普遍借鑒意義。