復雜水流域過河沉管施工技術

徐欽明，張 益，劉少林，趙 琰，張貴保，劉 凱

(1.中鐵建工集團有限公司，北京 100160；2.東莞市建筑科學研究院有限公司，廣東 東莞 523000)

隨著城市化進程的不斷推進，水資源的開發利用越來越受到重視，涉及的城市地下基礎設施項目越來越多，地下排水系統穿越江河的情況越來越多，進而推動沉管施工技術的革新與發展，同時也帶來了很多挑戰。當前給排水工程穿越江河常用的方式主要為架空管、沉管、頂管、圍堰開挖等[1- 2]，其中沉管由于施工周期較短，施工成本低，操作條件好、施工安全，適用水深范圍較大等優點得到了越來越多的應用[3- 4]。目前，隨著使用管道直徑的不斷增大，傳統沉管焊接對中一次焊接質量差，施工效率低，在較長沉管施工過程中，傳統技術使用簡易浮臺作為工作平臺，供操作人員行走、拼接鋼管以及焊接加固工作，管道之間對接精確性較差，耗時耗力，沉管在下沉作業過程中，姿態調整、下沉定位作業吊船多，協調配合難度大，施工效率和精度低[5- 7]。因此，在充分研究現有技術基礎上[8- 10]，研發一種工藝簡單，精度和效率高，成本較低，綠色環保，且實用性較強的復雜流域過河沉管施工技術成為沉管技術發展的重要一環。

為解決上述問題，開發一種復雜流域過河沉管施工技術就顯得十分必要。本技術成功地在“番禺區取水口優化整合工程-東部輸配水管道工程(標段二)項目得到應用，本文將通過具體項目，闡述復雜流域過河沉管施工技術的主要內容。

1 工程概況

“番禺區取水口優化整合工程-東部輸配水管道工程(標段二)”項目，項目實施時間為2020年3月—2021年1月，為廣州市番禺區重點工程建設項目，建設DN2200管道總長約9.38km，沉管采用焊接式DN2200鋼管，需跨越紫坭和附近河涌，沉管段總長度約為210m。過河沉管施工是輸配水管道工程的關鍵一環，過河沉管快速高效的施工，不僅可有效控制項目工期和質量，而且減少對環境和周邊居民的影響，早日實現工程運行，造福番禺人民。

2 關鍵技術內容

2.1 大直徑鋼管輔助焊接裝置設計

2.1.1大直徑鋼管輔助焊接裝置組成

大直徑鋼管輔助焊接裝置由10固定臺座、11側向支撐結構兩大部分組成，其中10固定臺座包括101H型鋼底座和102卡位槽鋼，11側向支撐結構包括111側向支撐槽鋼和112卡位鋼釘(如圖1—3所示，圖中2為大直徑鋼管)。H型鋼為大直徑鋼管放置的底座，卡位槽鋼為H型鋼上限制鋼管水平移動的卡位裝置，它由2塊槽鋼焊接而成，卡位槽鋼根據焊接鋼管的直徑確定在H型鋼的位置，并緊貼大直徑鋼管，卡位槽鋼對稱分布于H型鋼上，限制大直徑鋼管的移動，H型鋼和卡位槽鋼通過焊接進行連接；側向支撐槽鋼與地面成45°，其一端與大直徑鋼管進行焊接，側向支撐槽鋼另一端置于地面，卡位鋼釘緊貼側向支撐槽鋼打入地面一定深度，通過側向支撐槽鋼和卡位鋼釘實現對大直徑鋼管的水平移動。各構件可通過廠家定制，設備造價較低，各構件通過焊接進行組裝，安裝快捷。

圖1 輔助焊接裝置焊接平面布置示意圖

圖2 輔助焊接裝置橫剖面示意圖

圖3 輔助焊接裝置現場圖

2.1.2大直徑鋼管輔助焊接裝置工作原理及步驟

本施工裝置工作原理及步驟如下：①場地整平和硬化后，根據每節管道的長度和尺寸確定卡位槽鋼高度、在H型鋼上的位置、以及側向支撐槽鋼長度，并對固定臺座各部分結構進行相互的焊接固定。②根據各節鋼管直徑和長度，排列放置固定臺座，各臺座應平行且中心線在一條直線上，每節鋼管按2個臺座進行設置，且臺座離該節鋼管最近端部距離為管節長度的1/4。③利用吊車和工人輔助將管節吊至固定臺座，且各相鄰管節對中正直緊貼。④根據前期確定的側向支撐槽鋼長度確定卡位鋼釘位置，卡位鋼釘對稱布置于鋼管兩側，兩側卡位鋼釘連線與單節鋼管垂直，且與單節長度中線重合，先施工卡位鋼釘，然后側向支撐槽鋼一端緊貼卡位鋼釘，另一端與鋼管焊接。鋼管兩側對應布置。⑤進行多節大直徑鋼管的同時焊接，焊接完成后，檢查焊接質量滿足要求，該部分大直徑鋼管焊接完成。⑥拆除側向支撐槽鋼，利用吊車吊出已焊接好鋼管，重復步驟②～⑤，其中④只需安裝側向支撐槽鋼，直至完成大直徑鋼管焊接。

2.2 水上管道拼接裝置設計

2.2.1水上管道拼接裝置組成

水上管道拼接裝置由1安裝件、2箱體、3緩沖墊、4對拉螺桿、5螺帽等部分組成(如圖4—7所示)，其中2箱體包括201骨架、202鋼板。箱體的上方開設用于放置管道的管槽，使得管道能夠置于漂浮于水面的單一箱體上，便于水上拼接管道。在相鄰箱體之間安裝由硬質材料制成的對拉件，通過對拉件控制相鄰箱體之間的距離，且在箱體的四周均勻設置用于限制對拉件徑向運動的安裝件，使得對拉件能夠在相鄰箱體之間對齊，提升了管道之間拼接的精確性；同時，管道接口對接速度快，省時省力，提高了拼接工作的效率。

圖4 水上管道拼接裝置結構示意圖

圖6 水上管道拼接裝置對拉件示意圖

圖7 水上管道拼接裝置現場實物圖

2.2.2水上管道拼接裝置工作原理及步驟

本施工裝置工作原理及步驟如下(如圖8所示)：①利用吊船將岸上焊接兩端密封的分段沉管浮運至指定江河的指定位置；②將預對接管節相鄰端分別放置于箱體上，利用浮力讓管道和箱體均浮在水面上，通過對拉螺桿穿過相鄰管道扣實現軸向一致，用對拉螺桿調節箱體之間距離的方式，擰緊螺帽，使水面上管道慢慢靠攏對接；③待對接相鄰沉管段軸線一致，相鄰箱體之間的管道接口對齊，2處浮箱平臺緊拉完成后，工人以箱體為作業平臺對相鄰沉管段進行對接成型焊接作業，完成沉管對接成型。

圖8 水上管道拼接裝置工作步驟

2.3 新型沉管下沉安裝工藝

2.3.1新型沉管下沉安裝工藝所需設備

新型沉管下沉安裝工藝所需設備為起重船數艘，注水泵2臺，其中起重船艘數根據沉管自重+注水自重-浮力自重所得值和單艘起重船起吊力綜合確定，注漿泵用于沉管兩端，以本項目最長沉管段為180m，鋼管型號為D2220×28的沉管為例，所需設備為：3艘200t起重船，2臺55KW水泵(管徑0.2m)。

2.3.2新型沉管下沉安裝工藝原理及步驟

本施工工藝原理及步驟如下：①沉管浮運到指定位置，其中沉管兩端軸線位置與設計安裝后平面位置重合，管道浮運及注水過程中，管道軸線始終保持水平，當管道處于懸浮狀態時，即刻停止注水；②采用控制沉管兩端軸線和兩岸沉管定位樁連線重合，將總成管道兩端同時用起重船吊離水面0.5m，起吊過程中兩端的起吊速度與角度要保持一致，起吊到指定高度以后，管道兩側的水將流向中間管道，管道中部自身重力+管內水的重力>管道浮力，管道在重力的作用下，管道軸線會自動糾正為豎直方向，同時通過調整沉管中間部位的起吊船吊繩長度，控制沉管姿態調整速度，減少兩端鋼吊繩對沉管的破壞，最終實現沉管姿態調整；③管道姿態調整后，對沉管內注1min，停止注水，3艘吊船同時以相同的速度緩慢下放鋼纜，在接近就位標高+20cm時，暫停下沉，全站儀再次精確定位，然后緩慢就位，從而實現沉管下沉安裝。

2.4 復雜流域過河沉管施工步驟

通過借鑒和吸取國內外過河沉管施工的經驗，對復雜流域過河沉管施工技術進行了研究，確定具體施工步驟如下。

(1)施工準備。施工前需進行材料及機械的選擇(見表1)、進場，鋼管岸上焊接的施工場地的選擇和處理；建立測量控制系統、建立水尺施工導標等；準備好相關施工材料和手續。做好施工信息公告，做好施工區段交通疏導，設置警示牌、航標和航道頻閃警示燈等。

表1 機械設備表

(2)對沉管下沉位置和水下管槽位置進行測量放樣和定位。

(3)水下成槽施工。按照設計和相關規范要求，進行基槽開挖，基槽基礎處理施工，并通過水上地形雷達掃描和水下人工驗槽保障水下成槽質量。

(4)管道焊接制作。利用開發的大直徑焊接輔助裝置按照裝置工作原理及步驟對鋼管進行焊接，根據需要可制作成管或多段沉管，成管或各段沉管兩道采用鋼板密封。

(5)管道吊運、水上浮運。吊車或起重船將成管或各段沉管起吊入水面，由于浮力大于沉管自重，沉管懸浮于水面上。當沉管分多段時，應按照水上管道拼接裝置工作步驟進行沉管成型對接，并經檢測滿足設計和規范要求。對于總成管沉管，利用3艘錨艇進行水上浮運工作，每艘錨船用纜繩與總成管道吊環相連接，進行水上拖運。浮運過程中，總成管保持水平狀態，完成總成管橫管，沉管兩端軸心點連線與沉管兩岸定位樁連線重合。如圖9所示。

圖9 總成管段姿態調整現場施工

(6)管道下沉安裝。結合新型沉管下沉安裝工藝原理和步驟進行操作。在接近就位標高+20cm時，暫停下沉，全站儀再次精確定位，然后緩慢就位；起重船放松吊鉤，當2艘起吊船的吊纜稍有松弛，證明管道已坐床，此時應將吊纜稍上升，使其帶緊管道。全站儀檢測控制點點位，若有平面偏差，提起管道重新就位；當高程高于標準時，由潛水員下水，探摸管道與墊塊的接觸狀況，采用高壓水槍進行沖刷，使管道下沉至設計標高。若高程低于標準時，指揮起吊船收攏鋼纜，使管道上升至設計標高+50cm，人工堆砌碎石，調整墊塊至設計標高，重新就位。如圖10所示。

圖10 現場下沉定位

(7)穩管及溝槽回填。管道精準就位后，由潛水員在每個墊塊兩側安裝一個楔子固定管子，管子固定后方可撤掉起重設備。溝槽回填采用15～30mm的級配碎石回填至管頂1m以上，其他部分采用自然土回填至原河床標高。

(8)驗收。根據規范要求對管道進行相關驗收。

如上所述施工步驟施工方便、操作較簡單，可大幅提高沉管施工效果和效率，且節省大量的水資源和人力物力，很好的踐行綠色節約的社會理念。

3 技術適用范圍

復雜流域過河沉管施工技術適用于大直徑鋼管沉管的施工，尤其是內徑大于等于2000mm而岸上焊接和水上對接質量難保障，沉管下沉安裝精度和效率低的的過河沉管施工，適用于市政、水務等過河的大直徑鋼管沉管工程，社會效益和經濟效益明顯。

4 經濟及社會效益

與傳統沉管施工技術相比，復雜流域過河沉管施工技術，開發大直徑鋼管輔助焊接裝置、水上管道拼接裝置和新型沉管下沉安裝工藝，提高沉管施工中大直徑鋼管管節岸上對中焊接精度和效率，在沉管較長時，可提高沉管水上對接成型精度和焊接質量及效率，沉管下沉施工中，可提高注水下沉、姿態調整、下沉定位精度和效率，減少為保持精度的重復工作量，其平均每100m節約2d，總節約4.2d，每100m人工費節省0.42萬元，材料費節省約4萬元，設備租賃費節省約3萬元，其他費用節省1萬元，每100m總節省費用約11.42萬元，節省總費用約22.84萬元，具有較好的經濟效益。

使用復雜流域過河沉管施工技術，極大地提高了施工效率和質量，減少了工地文明施工強度，提高部分結構的回收利用，提升現場文明施工形象，大大地提升了公司的整體競爭力。

5 結論

(1)開發了大直徑鋼管輔助焊接裝置、水上管道拼接裝置和新型沉管下沉安裝工藝，形成相應的施工技術，提高了沉管施工精度和效率，達到幫助沉管高效高質施工目的。

(2)復雜流域過河沉管施工技術適用于內徑大于等于2000mm鋼管的過河沉管施工，尤其適用于市政、水務等過河的大直徑鋼管沉管工程。

(3)復雜流域過河沉管施工技術在工期上平均每100m節約2d，每100m總節省費用約11.42萬元，具有較好的經濟效益。

(4)復雜流域過河沉管施工技術在過江河沉管工程中具有較強的應用價值，隨著技術的不斷完善，復雜流域過河沉管施工技術將會得到大量的推廣應用。