大直徑長距離輸水管沉管施工技術研究

于孝民，丁北斗，方建國，丁 麗，馮大帥

(1.江蘇省徐州市水利局袁221000袁徐州曰2.中國礦業(yè)大學江蘇省土木工程環(huán)境災變與結構可靠性高校重點實驗室袁221116袁徐州曰3.無錫市海洋工程有限公司袁214400袁無錫曰4.徐州市農(nóng)業(yè)資源開發(fā)規(guī)劃設計室袁221006袁徐州)

一、工程背景

本項目研究背景中運河管線工程為徐州駱馬湖水源地中運河原水管道工程，其管道敷設采用頂管和管橋沉管相結合的施工方式,其中管橋沉管段由兩根D2020×24鋼質管道組成，穿越中運河泄洪道，即中心島西側至中運河西岸，長約1 060 m。兩根管道軸線間距6.0 m，管道中心高程17.0 m、9.0 m、21.0 m， 管道大部分落于管橋上。根據(jù)設計圖紙，管橋基礎樁共38個排架，每個排架由3根鋼管樁組成，共114根工程樁。管橋排架間距為 15 m、25 m、40 m，每排鋼管樁的樁間距為5.3 m，樁長分別為41 m（西側 9個排架，27根樁）、28 m（中間18個排架，54根樁）、40 m（東側管道起彎點附近7個排架，21根樁）和25.65 m(東端平直段管道部分4個排架，12根樁)，見圖1。管橋排架樁上安裝雙抱箍、橫梁和管座，管道通過管箍安裝固定于管座上。抱箍和樁、橫梁和樁、橫梁和管座、管箍和管座之間均采用螺栓連接固定，見圖2。沉管管道全長考慮一次下沉到位，沉管段與頂管井出來的管道進行無水情況下的焊接連接，沉管段沉管及頂管施工完成后的沉管段與頂管段連接要滿足干地焊接要求。

圖1 管橋沉管段水上樁位示意圖

二、工程特點及應對措施

1.工程特點

（1）跨河沉管

本工程管橋沉管段2根原水管道需跨越中運河泄洪道，其主要施工工序均需要在水上和水下進行作業(yè)，需依賴水上施工船舶和潛水作業(yè)人員配合施工，其施工受水上水下作業(yè)工藝特點和要求限制。

（2）樁架管橋結構

該沉管段為鋼管樁排架管橋結構型式，即以鋼管樁排架為基礎，在鋼管樁上安裝抱箍作為承托管道橫梁的牛腿，管道通過管座及管箍固定于橫梁上。鋼管樁、樁身抱箍、橫梁及管座和管箍等均在水面以下，大部分構件均需在水下安裝。保證打樁及水下各鋼結構件的安裝精度是后續(xù)沉管安裝質量保證的關鍵。

（3）異形且體量大

按設計要求，本管橋沉管段單根一次沉管長度大（達1 060 m）、口徑大（達 2 020 mm）、重量大(達 1 500 t左右)。管道整體并非處于同一標高的一根水平直管，其整體為兩端上抬彎管形式（倒虹管結構形式），自東端至西端管道中心標高分別為17.0 m、9.0 m、21.0 m。這與一根整體處于同一標高的水平直管的施工存在諸多差異，無疑將比其他施工更難。

（4）整體一次性沉放

因本工程通過中運河段的原水管道為壓力管道 （工作壓力0.6 MPa），不宜采取分段制作、分段沉放安裝方法。根據(jù)設計要求，整根管道需采取焊接方式，因此只能采取在水上一次對接拼焊成整根管道后再整體一次性沉放到水中的施工方法。

（5）接頭干地焊接

中部管橋沉管段與頂管段連接段施工，是在沉管段沉管及頂管施工完成后再進行施工的部分。該部分確切地說是井內(nèi)管道伸出井外分別與管橋沉管進行連接，其中沉管西端是與工作井內(nèi)伸出井外的管道連接，沉管東端則是與接收井內(nèi)伸出井外的管道連接。其連接同樣也采取焊接連接方式。因其分別位于中運河西岸及河中中心島西側邊緣，故需要采取圍堰截水實現(xiàn)干地焊接條件。

2.工程難點及應對措施

（1）打樁精度控制要求高

本工程沉管安裝需將管道連同管座一起沉放至管橋橫梁上，其管道的軸線、高程準確性最終取決于鋼管樁的打樁精度。如最初的打樁工序無法保證精度，則將給其后續(xù)工序施工帶來很大難度，甚至出現(xiàn)橫梁無法安裝等問題（如同一管橋3根樁不在同一軸線上），需根據(jù)實際偏差進行后續(xù)構件的調整 （如橫梁長度調整、橫梁上管座連接板位置調整、螺栓孔位置調整）。

為提高打樁測控精度，采用配備高精度GPS定位系統(tǒng)的打樁船，同時輔以陸基測量儀器前方交會方法復核樁位及垂直度偏差措施來確保打樁精度符合設計和施工規(guī)范要求。采用有樁架、配備振動錘的打樁船進行水上鋼管樁施工，管樁立樁后依附于樁架上，可最大程度確保樁身垂直度和中心偏差，打樁時采取立樁后初步定位→下樁入土后復核樁身垂直度及中心偏差（如偏差過大，則采用振動錘將樁拔起后重新定位直至符合要求）→啟錘振動入土措施來保證鋼管樁基的施工精度。樁位確定并入土后，繼續(xù)利用陸基測量儀器對樁位和樁身垂直度進行監(jiān)控，隨時調整，確保樁位入土垂直度。調整打樁順序，采取先打設排樁的2根邊樁，然后再試打中間樁措施，并在2根樁打好后安裝特制的“靠山”以使第3根樁施打時其外邊線與兩根邊樁外邊線相平。

（2）水下鋼結構件安裝精度要求高

在水上鋼管樁打樁完成后，緊接著一個最關鍵的工序就是水下鋼結構件如下層樁身雙抱箍、下層鋼橫梁的安裝，如不能保證其安裝標高的精度，則整條管線沉放時各管座將無法與下層橫梁緊密貼合，必將導致部分管座懸空或部分管座受力過大的情況出現(xiàn)，因此必須控制好其安裝精度符合要求。在實際水下構件安裝時，采取分步打樁措施，即第一步先將樁打入土中一定深度，并使樁頂出水，然后根據(jù)精確測量的樁頂標高確定下層雙抱箍安裝位置；第二步再利用事先計算并加工完成的替打樁將鋼管樁連同下層樁夾箍一同繼續(xù)打入土中，直至樁頂標高和設計樁頂標高一致，保證下層雙抱箍的安裝精度。

（3）管道整體制作

本工程管橋沉管段一次沉放管道長度達1 060 m左右，且管道各部位標高不盡相同，整體呈U形（倒虹管型式），故其整體管道的制作場地選擇、制作方法、水上運輸?shù)染嬖谳^大難度。管道整體制作時，采取岸邊先制作成200 m左右的分段管道，再由起重船吊駁至浮箱上由拖船浮運至沉管水域。利用減重浮箱及依附于出水樁架上的臨時擱置橫梁進行200 m左右分段管道的對接拼焊制作，并采取分段制作、分次沉放工藝，最終實現(xiàn)整根管道的整體焊接及沉放安裝。

圖2 管橋沉管結構橫剖面圖

（4）管道整體沉放

本工程管道沉放擬采取沉管原位水面上整體制作，利用減重浮箱及依附于樁架平臺上的輔助起重系統(tǒng)進行整體管道的沉放安裝施工方法。其中關鍵工序就是浮箱浮力的控制，因各分段管道的長度不盡相同，管道上管座的安裝位置也不一樣，所以各管段輔助浮箱的大小及其布置位置各不相同，并在入水過程中要求各浮箱提供的浮力也不同。因此，在管道整體沉放之前，針對每一根分段管道進行具體分析計算，計算需要浮箱的個數(shù)及其長度，針對每一步的沉放過程進行具體分析和計算，對浮箱內(nèi)各倉所需體積進行驗算并進行浮箱沉放演練。

三、施工方案和流程

1.施工方案

在岸邊制管平臺上將管道拼接成一定長度的管段，然后由起重船將管段吊至拼焊浮箱上后浮運至擬沉放位置，利用安裝在出水樁架平臺上的輔助起重系統(tǒng)（卷揚機、滑輪組）、少量起重船配合浮箱系統(tǒng)進行單根管道原位水面上整體長管制作，分段對接拼焊及分次沉放安裝。

在拼焊浮箱和依附于出水樁架上的臨時擱置橫梁共同固定下將分段管道拼接成預定的長度，拼接完成后拆除臨時擱置橫梁。然后利用分布于管道上的減重浮箱減輕管道的自重，在減重浮箱和輔助起重系統(tǒng)的共同作用下對已完成對接的分段長管道進行原位沉放，在沉放到位后拆除減重浮箱。

管道在入水前，應在出水工程鋼管樁上相應位置安裝下層雙抱箍和下層鋼橫梁，管道上安裝管座和管箍。中間未出水的鋼管樁則根據(jù)打樁時出水的樁頂標高和排架間距安裝下層雙抱箍和下層鋼橫梁，對應管道位置上則根據(jù)橫梁間距安裝管座和管箍。由于大部分工作量從水面下移到水面上進行施工和操作，這樣可最大程度保證安裝精度和施工質量。

2.施工流程

①沉管制作考慮分兩步進行，第一步為在中運河西岸制管場地上將短管節(jié)拼接成分段長管道 （200m左右）；第二步為將該分段管道吊駁至水中浮箱上，然后浮運至擬沉放管位水面上方。

②采用鏈條式抓斗挖泥船輔以開底泥駁船進行水下管道溝槽的土方開挖及運輸和拋卸；采用水上打樁船進行工程樁和輔助樁打樁施工；采用在擬沉管原位出水的樁架平臺上安裝輔助起重系統(tǒng)；利用輔助起重系統(tǒng)和出水樁架上的臨時擱置橫梁進行整體長管道的固定和對接拼焊；待管道拼接完成并進行防腐修補后，再利用輔助起重系統(tǒng)和浮箱系統(tǒng)將管道整體緩慢沉入水中。

③總體施工盡量分段安排各專業(yè)工種流水作業(yè)，根據(jù)施工方案和工藝流程，考慮管道分段制作、水上整體拼焊對接施工及現(xiàn)場水域封航條件，本專項方案總體施工順序擬先從中部沉管段開始施工。即先進行中部平直段沉管的管溝開挖、水上打樁、樁內(nèi)混凝土灌注、樁頂平臺安裝、平直段管道水上對接拼焊，然后再進行兩側彎管段的施工。這樣在每段施工過程中即可分先后按工藝順序安排各專業(yè)工種流水作業(yè)，以最大程度提高功效，具體工藝見圖3。

圖3 管橋沉管施工總體工藝流程圖

四、主要施工技術措施

1.水下土方開挖施工

采用抓斗式挖泥船將水下土方開挖至開底泥駁船內(nèi)，然后將土方通過泥駁船運輸至水上指定位置進行拋卸。根據(jù)原河床高程及管道敷設標高，其開挖深度自原河床面向下約為1.0～7.0 m。根據(jù)兩管中心間距，兩根管道溝槽一起開挖，開挖底寬為14.6 m，邊坡1∶6，整條管溝長度約1 048 m，開挖土方總量約39萬m3。

2.水上打鋼管樁方案

采用水上打樁船進行管道下基礎樁基的施打施工，打樁船配備GPS精確定位系統(tǒng)，配合陸基三點交匯法復核樁位。施工步驟如下：移船取樁→吊、立樁進入船頭的龍口→樁錘夾緊樁→通過錨纜移船就位→調平船、調整龍口斜度→測控定位、收緊纜繩→樁錘夾緊樁一起自沉→同步測樁偏位→調整船和龍口→樁位準確后啟動振動錘振動沉樁→滿足沉樁控制條件、停止振動錘→復測樁偏位→松開樁錘夾頭→移船取樁→進行下一根樁施工。

3.輸水管制作

（1）管道分段

本工程管橋沉管段單根沉管長度為1 060.89 m(頂管工作井1東側外井壁至頂管接收井西側外井壁之間的距離)?？紤]后期沉管與井內(nèi)伸出的管道連接及整體沉管施工方便等因素，管橋沉管段的兩端距井外壁各預留10 m距離，因此該管橋沉管段管道總長為1 040.89 m，見圖4。

圖4 管橋沉管段管道分段位置示意圖

結合制管場地范圍、起重船起吊能力、出水樁架間距、管道沉放等因素，將每根管道分為9段：①西側彎管段：分為3段，加工長度分別為40 m、39 m、71.5 m（水平距離，兩頭彎管角度172.057°）；②中間直管段：分為3段，單根長度為200 m（共600 m）；③東側彎管段：分為2段，加工長度67.5 m，43 m（水平距離，兩頭彎管角度171.870°）；④東側直管段：加工長度179.89 m（單管需加工1根）。因此單根管道加工分為9段，雙根管道需加工18段。

（2）分段直管制作

分段直管的制作方法是利用50 t履帶吊，將長度為12 m/節(jié)的成品短鋼管吊駁至長管對接平臺上進行焊接制作。施焊方法是先焊上半圈外焊縫及側面焊縫，然后通過管道滾動半周再施焊轉至上方的下半圈外焊縫，同步內(nèi)圈進行上半圈焊縫的清根及焊接工作，然后再通過滾動管道施焊內(nèi)圈的另半圈焊縫。焊縫焊接均采用手工CO2氣體保護焊，該種方法能使焊工盡量進行平焊和立焊操作，故能最大程度保證鋼管對接焊縫的焊接質量和外觀質量。

（3）分段彎管制作

分段彎管的制作方法是先將其分段，除去彎頭處外，其余直管段均采取上述分段直管的制作方法進行對接拼焊，最后再將分段直管和彎頭按水平放倒至拼管平臺上進行對接拼焊，見圖5。

圖5 分段彎管段制作示意圖

4.輸水管整管水上制作與沉放

待制管場地上的分段長管道完成制作后，通過2艘起重船吊駁入浮箱后，再浮運至擬沉放管位處的出水樁架平臺上進行拼焊制作。直管段浮運至指定出水樁位后，利用輔助升降系統(tǒng)將管道略有提起，提至管底距離水面為70 cm，通過計算，此時每個輔助升降系統(tǒng)受力約為3 t。管道提起后，利用出水樁架上安裝交叉抱箍，然后在管道下方制作一道擱置鋼管的臨時橫梁（采用原設計管道上方的橫梁即為12 m長的I450c型鋼），橫梁制作完成后，輔助升降系統(tǒng)慢慢卸力，使管道受力在橫梁上，此時鋼管的重量由浮箱與橫梁一起承擔，此時鋼管被固定，即可進行焊接施工。采用手工CO2氣體保護焊進行焊縫的焊接施工。所有管道拼接完成后，利用水上可控浮箱、吊裝和支撐平臺的原位制管沉放系統(tǒng)，實現(xiàn)大型輸水管道整體分階段沉放，見圖6。

圖6 長距離大直徑輸水管整體沉放現(xiàn)場

五、結論

利用水上可控浮箱、吊裝和支撐平臺的原位制管沉放系統(tǒng)進行制管和沉放，定位比較準確。管道的位置已經(jīng)被固定，無需考慮，而上下的高程升降完全由升降系統(tǒng)控制，升降十分方便，而且精度較高，能輕松做到上下微調，實現(xiàn)了大型輸水管的制作、拼裝和沉放的安全施工，對類似工程具有重要參考價值。 ■