淺談沉管技術在管道穿越湘江中的應用

陳 濤

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司湖南分公司，湖南 長沙 410000）

1 項目背景

2020年3月底株洲二水廠蘆淞大橋下游DN800過江管突然爆管，經過株洲水務集團調度中心進行的水下管外摸排和管道檢測，發現管道存在重大缺陷，管道損壞嚴重或即將破壞，該管道使用年限已近30年，基本達到原設計使用年限，需重新更換。

2020年5月，公司接到業主委托后馬上組織人員進行現場勘探測量以及方案探討，由于項目跨越湘江，前期我們咨詢了湖南省交通運輸局、株洲市水利部門以及省內專家，采取沉管的施工方案對管道進行更換（原管道廢除，新敷管道距原址北移25 m）。

工程位于湖南省株洲市蘆淞大橋下游約300 m處（穿越湘江），管道為株洲二水廠主干管，項目起點為右岸白石港碼頭（x=3 082 332.235，y=498 483.890，西安80坐標系，下同），終點為左岸河西文化廣場（x=3 081 694.997，y=498 490.129），采取沉管施工方案[1]，管道采用D1020×14 mm的螺旋鋼管，雙面對焊，沉管長度為620 m，兩岸明敷段長度為45 m，全長665 m。

2 項目區施工條件

項目區處在亞熱帶濕潤地區，受季風影響大。多年平均降水量為1 412.2 mm，時空分布不均，降水多集中于每年4—6月，降水占年降水的43%。工程位置處于湘江航電樞紐回水范圍內，多年平均流量回水位為31.77 m（黃海高程），河底高程在22.52～24.06m之間。

根據鉆探揭露，擬建場地的地層巖性較為簡單，由上至下主要為淤泥質土、粉細砂、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖，局部有圓礫。

湘江航道為Ⅲ級航道，兩岸均有防洪大堤，交通條件便利。

3 沉管施工主要工藝

沉管施工主要工藝為施工測量—→水下溝槽開挖—→鋼管組接—→鋼管浮運—→鋼管沉放—→管道試壓—→溝槽回填—→竣工驗收。

3.1 施工測量

平面及高程控制測量采用GPS測量位置及水下測深儀測量水深的方法進行。

在溝槽開挖到施工沉管過程中，測量工作必須始終進行，只有不間斷跟蹤測量，才能夠保證溝槽的開挖質量。

3.2 水下溝槽開挖

水下溝槽開挖形式為“ ”型，下端為矩形槽，上端為梯形槽，下端（泥質粉砂巖層）采用帶有旋挖鉆孔設備的工作船旋挖鉆孔成槽，上端（淤泥質土、粉細砂層）利用水下長臂挖機成槽，同時配備駁船運泥，將開挖料運送至指定的拋泥區。

3.3 鋼管組接

鋼管原材料為Q235b鋼板螺旋成品卷管作為主材，加工尺寸必須符合設計要求。焊縫采用手動電弧焊雙面焊接，每條焊縫均按規定進行超聲波探傷檢測[2]。

鋼管為防腐鋼管，在出廠前需完成內外防腐工作，再運送至場地，運送過程中要注意對防腐涂層的保護。鋼管到達施工現場后，要對原材料進行檢驗，確保鋼管的質量合格，再進行焊接組裝。

3.4 鋼管浮運

鋼管組接完成后進行第一次氣壓試驗，試驗合格后利用拖船將整條管段旋轉漂管過江，根據測量工程位置湘江河面寬度約為600 m，因此，鋼管前面采用1艘36HP工作船拖拉，后面用5艘24HP的工作船穩管，將沉管拖至指定位置，等待下沉。

3.5 鋼管沉放

沉管時期應選擇在無雨少風的天氣，水流流速不大于0.8 m/s下進行，沉放主要為以下5個步驟：

1）管道下沉前，各定位樁工程船先在指定位置落樁就位，隨即兩端用吊具通過抱箍將浮運管道吊起，中間吊點固定管道，完成工程船和管道定位工作。

2）打開管道兩端盲板上進水閥和排氣閥，用水泵從兩端向管內注水，注水過程應間斷進行，隨時用工程船上扒桿卷揚機調整管道浮態，以免中心撓度過大損壞管道。

3）根據各吊點位置，通過管道彈性彎曲計算出各吊點起吊力，制訂各吊點每次下沉時的深度，通過現場指揮完成管道沉放作業。

4）管道沉放到指定管溝底部后，立即用超深波測深儀測量管道的管頂標高，并派潛水員到水底實地觀察管位情況。

5）管道經調整到位后，再進行第二次水壓試驗，試驗合格后方可進行溝槽回填。

3.6 溝槽回填

溝槽回填方式由下往上依次為0.5 m厚粗砂墊底、2.0 m厚河卵石包管、1.0 m厚拋石壓面[3]。回填料通過運輸船運至溝槽回填點，利用抓斗式挖泥船進行水下溝槽回填，潛水員水下配合實施，保證回填質量。

3.7 竣工驗收

竣工驗收前進行管內清掃和沖洗消毒，直至水質管理部門取樣化驗合格為止。

4 設計中技術創新點

4.1 沉管的溝槽開挖方式

傳統的水下溝槽開挖采用水下長臂挖機，但是由于本項目穿越湘江，枯水期施工水深在7.0 m以上，加上槽深3.5 m，挖泥船的臂長受限；同時河床地質為粉細砂和強風化泥質粉砂巖，挖泥船無法按設計開槽布溝。

本次設計根據項目特點，采用旋挖鉆孔成槽的方式開槽，通過帶有旋挖鉆孔設備的工作船在設計管線路由上進行旋挖鉆孔成槽，再運用水下長臂挖機對表層淤泥質土清理。

4.2 溝槽回淤處理措施

由于沉管位于湘江河道內，屬于動水環境，覆土層在動水力及開挖攪動下容易將開挖溝槽掩埋，為減少回淤量的影響，本次設計主要措施有：①溝槽開挖斷面設計成超深超寬斷面，留有回淤余地；②合理安排施工工期，由于項目區在湘江航電樞紐的庫區范圍內，流速不大，工程選擇在枯水期施工，減少水流對溝槽的擾動；③合理安排施工工序，保證鋼管組接與溝槽開挖無縫對接，盡量減少溝槽閑置時間；④沉管下沉前，由水下潛水員配合水下長臂挖機對溝槽進行梳清，確保沉管前溝槽符合設計要求。

4.3 鋼管及鋼管焊縫要求

沉管選用3PE螺旋鋼管，鋼管規格為D1020×14 mm，鋼管內外防腐在出廠前完成并進行檢測，鋼管采用12 m/根，盡量減少焊縫。焊接采用雙V型坡口，雙面對焊，每個焊口必須一次連續焊完，焊縫要求100%超聲波探傷檢測，確保整體管道質量。

4.4 管道沉管施工方式

管道采用直線漂浮下沉法施工，620 m管道一次焊接到位，整體下沉。管道岸上焊接，首節管端頭利用帶閥門盲板封閉，焊接完成一節，溜放下水一節，利用管節自身浮力浮于岸邊水面。待穿河鋼管全部焊接完成后，將末節管端用帶閥門盲板封閉，利用拖船將整條管段旋轉漂管過江，浮運至沉管指定位置，然后灌水自然下沉至設計槽位內。

5 應用前景

沉管技術較頂管、定向鉆等傳統技術方案相比，造價低且工期較短。沉管一般運用于穿越江河等地形復雜的有水環境，因此其大部分為水上或水下作業，這就要求實施單位水上施工設備（挖泥船、駁船、交通船、起重船、起錨艇等）齊全，且有類似工作經驗，才能確保沉管施工一次成功。沉管施工對環境破壞小，僅在開槽階段會對水質有一定影響，沉管回填后影響消失。

總之，沉管技術在管道穿越江河的施工應用中，能夠節省投資約30%以上，且能夠更高效快捷地達到目的，是管道穿越河流施工的最優選擇。但是沉管施工要求精度較高，所以前期必須對穿越河道的地形做出精確的測量，對地質條件有詳細勘探，設計方案時盡量多地考慮不利因素。

6 結語

沉管施工技術既能節省工期、節約投資，還能減少對水體的污染，同時無需搭建圍堰，是管道穿越江河的一種經濟環保，安全可靠的施工工藝[4]。但是沉管施工完成投入使用后，后期進行維護、維修難度較大，這就要求管道及焊接的質量嚴格達標[5]，施工精度嚴格控制，以確保管道能達到設計使用年限。