大型输水过江沉管水面浮运法施工关键工序研究

赵志 盛松涛 长沙理工大学水利学院

1.引言

随着城镇化建设的高速发展，通水、排污、通气等管道在现今城镇建设中越来越普遍，而江河、海湾对管道的阻碍一直是城市建设中常见的难题。水下沉管技术具有对环境影响小、预算低、能有效抵御恶劣天气的影响等优势，是解决这一难题的有效办法；大型输水过江沉管建设项目也日益增多。

由于江河、海湾水深较大，水下沉管的施工不可避免会受水流影响，尤其是大直径长距离水下过江沉管的施工难度更大，其施工方法一般有盾构法、围堰明挖法、沉管法和水面浮运法。水面浮运法凭借其埋深浅、地质适应能力强、两岸接线短及对岸线环境影响小等优势，已成为修建跨江越海管道的重要工法，并在国内城市水下工程中得到广泛应用。

本文以广州市某新建污水厂穿增江输水管道施工为例，系统介绍大型水下沉管的主要施工内容与工序，分析工程施工的重点难点与对策，着重分析介绍了该过江沉管水面浮运法施工关键工序的方法与思路。可对类似水下沉管工程施工提供重要参考。

2.工程背景

广州增城某污水处理系统工程穿增江污水管道，为两根平行敷设的DN1600污水压力钢管。穿江管线位于增城大桥南侧，沉管段里程为DK0+202～DK0+610,过江管平面布置见图1。穿江段采用沉管施工，穿河堤段采用顶管施工，其余段为支护开挖施工。

根据设计要求，穿江沉管段采用两根D1620×22（Q355B）钢管，沉管两端为连接顶管的弯管。沉管段里程为408m，沉管直管部分单管长度360m，总长720m，管径1.60m，两根管道中心距2.6m。沉管段管材采用焊接钢管，钢管除阀门等处采用法兰连接外，其余均采用焊接，管道接口采用对焊接口。

图1 过江管平面图

3.施工内容与关键工序

3.1 施工内容

大型水下过江沉管一般采用水面浮运法施工，即在加工场地先行预制好大直径管道，同时在江内开挖好放置管道的沟槽。然后在浮吊、卷扬机、拖轮等机具设备的保护下进行管道下水、浮运及下沉就位，并在水下进行管道试压、水下砼镇墩的浇筑。通过灌砂、基槽回填进行沉管基础处理，沉管与两端顶管相对接，最终形成水陆对接的管道系统。过江沉管总体施工工艺流程如图2所示。

3.2 关键工序

过江管下水及浮运、过江管下沉就位工艺复杂，对施工技艺要求高。管道下水前的下水滑道布置、平板滑车制作、吊运过程中的机械设备布置与控制都极为复杂繁冗。下沉就位的施工机械船舶多而杂，施工工况差管道受力分析较繁琐。而这两道工序的施工好坏，会直接影响工程最终的质量、功能、耐久性及成本，故过江管下水及浮运、下沉就位工序是本工程的关键施工工序。

3.2.1 管道下水

按设计要求，本工程预制直管部分单根长180m，直径1.6m，每根管道重158.4t，体量很大。管道下水吊运施工工况很差，管道下水是整个沉管施工的主要工序之一，也是施工的重点与难点。

3.2.2 管道整体沉放

因预制场地受限，岸边制作管道最长只有180m，增江宽360m，需在岸边场地先预制四根管道下水后浮运到下沉位置。通过水上焊接平台将其两两焊接后再一次性整体下沉，下沉时需多种水上施工船舶配合潜水作业人员控制沉放位置。因此，管道整体沉放施工难度大。

4.分段下水及浮运

4.1 施工工艺

过江管重量大、体型长，下水及浮运难度大。本工程将预制管道分四段施工，每根管段长约180m，下水时需要大型牵引设备控制。下水施工牵引及控制设备包括岸上的卷扬机和汽车吊，江中的浮吊、拖轮等。下水时为避免管道与地面的摩擦造成管道磨损，需用多个平板滑车承载，在多个船舶机械的控制下，通过预制好的下水滑道上缓慢入水。

4.2 过江管下水

预先将焊接好并固定在枕木上的整管用液压千斤顶就位至平板滑车上。沿管道轴线布置6-8个50t千斤顶，每次同时下降5cm，并拆除相应枕木，直至管道就位至平板滑车上。下水前将管口用封板焊接密封，并在下水施工场地挖设平缓的坡道（坡度i=0.02）制成下水滑道。在场地上安装好卷扬机、汽车吊，用于控制下水速度。在管道轴线上部焊接吊环，吊环在同一条直线上，并且与管轴线重合。通过下水滑道，利用汽车吊将管道滑送到水里，管段接近水面时，用浮吊船吊住管头，慢慢将管道拖入水面。

4.3 过江管拖轮浮运

本工程浮运钢管单根直径1.6 m，管长约180米，单根自重W=3.1415×(0.8112－0.7892)×7.85×180=158.4t；总浮力F=3.1415×0.811 ×0.811×180=370.8t。管道浮力＞管道自重，因此管道下水后将处于悬浮状态。

管道整管下水后，管道悬浮水面需临时锚泊在水上直至沉管施工工序开始。利用拖轮拖带管道至设计位置，与事先已经抛锚定位的船舶绑在一起，等待下沉就位。

5.整体灌水下沉

5.1 施工工艺

管道下沉就位位置要求精确，管道轴线应与管槽轴线重合，以确保沉管与顶管精准对接。本工程采用多艘船舶抛锚形成多吊点来校核管道轴线。管道灌水下沉时，船舶吊点控制管道下沉速度及下沉量，复测轴线准确后试压，试压完成后即可锚固管道。管道整体沉放由东侧向西侧依次采用注水下沉方法施工。

图2 过江沉管施工总体工艺流程图

5.1.1 管道注水与排气

管道浮运就位至轴线位置复核后即可开始注水下沉，采用一台DN 150mm泥浆泵进行注水，并根据管道实际下沉情况调整注水速度。根据水泵流量50～60m3/h，注水约422m3（约8小时）后，钢管全部入水。管道在浮力作用下处于悬浮状态，完全注满管道约需16小时。在管道注水下沉过程中，通过在管道两端封板上及管中轴线上部设置DN400排气阀将空气排出。

5.1.2 管道下沉

管道注水从东岸开始，东岸端管道先开始下沉。。管道下沉施工所有施工人员及机械都须经24小时连续作业。管道完全就位后，利用潜水员对管槽进行摸测，并安排测量员进行实测。使管轴线位置、管顶标高均符合设计及施工规范要求后，就可以进行管道试压工作了。

5.1.3 下沉控制要点

测量定位需准确，每个位置都须布置测深绳，一端固定在吊环上，并在沉放中经常校测，并及时做好管道沉放记录。应控制沉放速度，确保管道整体均匀、缓慢下沉；管道充水的同时排气，充水应缓慢、适量，并应保证排气通畅。

6.结论

大直径长距离过江管道下水、浮运与沉管施工工况较差，本工程采用将过江管分段下水浮运、整体灌水下沉、多吊点卷扬控制的施工方法。利用下水滑道、平板滑车、牵引船只与控制浮吊实现管道下水；利用轮拖带管浮运，浮吊与拖轮锚泊；管道灌水下沉，利用多船舶多吊点卷扬机控制管道下沉速度及下沉量。下水、沉放安全可靠，定位比较准确。而且管道位置被固定，上下高程升降完全由升降系统控制，升降十分方便且精度较高，可轻松做到上下微调。实现了大型输水管的下水浮运和沉放的安全精确施工，有利于后续水下施工作业的顺利实施。