水下敷設鋼管整體沉管施工工法
關鍵詞：過江管道 整體 自然沉放
1． 前言
在城市供水、供氣、汙水收集、排水等市政工程建設中，在工礦企業取水管道建設、輸油管道工程建設中，管線常常要穿越河流、湖泊及海底。過江管道的安裝，要求鋼管從水下穿越，對於深水域，大跨度，地形複雜，壓力要求高的過江管道安裝常常遇到管道的聯接方式，管道的撓度，彎曲度及抗彎、抗扭、抗折、抗剪應力及精確定位等技術難題。
我公司在項目實施過程中，針對過江管道的施工進行技術攻關，形成了“過江管道整體沉放施工工法”，該工法在質量、安全及進度控制方面效果顯著，具有明顯的經濟效益和社會效益，為此，我司組織人員編制了此工法，以利推廣應用。
2． 工法特點
2.1應用此工法能實現長距離、大跨度管道安裝總體一次沉放，從而實現水域封航時間短，影響小。
2.2過江管道總體沉放施工技術能實現鋼管全部採用焊接聯接，可確保管道安裝質量。
2.3能實現管道精確定位入槽，確保管道的撓度、彎曲半徑、抗扭、抗剪、抗折應力在安全值內。
3． 適用範圍
3.1適用城市供水、供氣、汙水收集、排放管道的穿越江河湖海工程。
3.2適用於工礦企業取水工程。
3.3適用於輸油及其他介質管道穿越江河湖海工程。
3.4適用於鋼管、PE 管、玻璃鋼管等多材質的管道安裝工程。
水深要求、流速、江面寬度
4． 工藝原理
4.1管道兩端封閉管道可浮於水面。通過船舶拖航就位管道。
浮於水面的管道一端進水，一端排氣，通過精確計算，控制進水的速度和均勻度，使管道自重加進水的重量加管內空氣的重量與管道所受浮力相等或接近，即管道與管中的水和空氣形成的混合體的密度等於或接近水的密度。混合體等於水的密度，則混合體懸浮於水中。增加進水量，混合體的密度大於水的密度，則管道會自然下沉。控制混合體與水的密度比即控制混合體在水中的加速度可控制管道自然下沉的速度。這就解決了管道的自然下沉的問題，同時解決了管道在水中下沉的速度問題。
4.2管道彎曲段的翻身控制。水域地形斷面的複雜，則使開挖的管槽斷面複雜，存在管道有彎曲段。彎曲段的管道浮於水面時處於水平狀態，管道要精確安裝定位入槽，在管道總體下沉過程中必須實現管道的90度翻轉。控制進水的速度，增加彎曲管段的水量，則彎曲管段在重力作用下會先行下沉。此時在彎管段的兩端增加一個控制力，則彎管在下沉過程中自然實現90度翻轉。
4.3利用管道自然下沉的原理，管道在不承受任何外力的作用下，管道進水速度控制的情況下，管道不會產生過大的彎、剪、扭曲的應力。
5． 施工工藝流程及操作要點
5.1施工工藝流程（見圖5.1-1）
圖5.1-1沉管施工工藝流程圖
5.2操作要點
5.2.1基槽開挖
基槽開挖根據水域地形斷面、地質條件、採用的設備等因素確定。其工藝流程參圖5.2.1-1。施工中的具體要求有如下幾點：
1、為提高工效，挖泥時採取扇形挖泥方式，可保證槽內不留死角。
2、當覆蓋層較薄即不超過2.0米時，一次性開挖到位，可滿足設計要求。當覆蓋層厚度超過2.0米時，開挖應分層進行。具體分多少層，以開挖總厚度來確定，凡每層均按2.0米左右進行即可。
3、為了減少返工，必須在每個扇形挖泥回合中，用測深杆或測深繩測
責與河道部門聯繫後，運卸至河道部門指定地點。
5.2.2管段製作
根據已形成的管槽軸線情況，確定管段的製作。管段製作在河灘上進行，其製作工藝與陸上常規管道安裝基本一致。但沉管的管段製作需要確保管道的撓度、抗扭能力，需要對管道安裝進行加強。其主要要點為：
1、管道必須內外雙面焊接。
2、管道焊接部位加橫向角鐵加強。
3、管道吊環布臵必須按中軸線校準。
4、吊環位臵採用環形抱箍加強。
5、管道兩端用封板封閉。
6、管道在陸上分段進行水壓試驗。
5.2.3管段下河
已制好的管段利用吊車起吊下河。
5.2.4管段拖航
兩端封閉的管段浮在水面上，利用船舶進行拖航。拖航時注意以下幾點：
1、計算水流速度、風浪對管段航行時的影響。
2、控制浮運管道允許的曲率半徑、矢高在控制之中。
3、緩速逆流拖運，儘可能使管段直線浮運。
5.2.5水面管段對接
管段在水面進行對接。製作水上對接平臺，對分段管道進行水上焊接對接。
5.2.6總管拖航就位
全部聯接好的管段總管航運就位。管段漂浮於水面，受風向、水流因素影響大，管道彎曲變形情況複雜，可能出現“～”型變形等，考慮上述因素，對極限矢高、控制矢高相應加以調整。通過拖運阻力等力學分析計算，首尾中合量選擇拖輪，控制浮運速度，根據實際情況掌握浮運狀態，管道拖運就位後，儘快把管段與定位樁鎖牢，以清除鋼客的橫向撓度，同時消除水流對管道的漂移作用。其主要工藝如下：
1、橫管時大部份吊船應已布錨並在各自的位臵就位。用吊船將北邊管端固定，使管端與堤岸保持一定的距離，避免管端的管件在橫管時碰壞。
2、橫管時使用一艘300HP 拖輪和2艘45HP 錨艇，將鋼管北端從北岸向南岸拖出。當鋼管拖至河面2/3時，應減慢拖管的速度，利用尚有的水流慢慢將管流至南岸，此時的拖輪應控制鋼管橫管的速度。
3、當全部吊船完成執絡可在統一指揮下預受力。總指揮根據各吊船所處的位臵，指揮各吊船的起吊高度，此時中間直管段的吊船要保持預受力。當兩管端管底吊起至兩岸高度時，可繼續橫管，直至鋼管兩端處於管中基槽內。
5.2.7管道自然沉放
1、定位：當管道橫進管中基槽內浮於水面時，利用岸邊設立的三個手拉葫蘆，分上下及軸線調整，確保管道準確定位於中軸線上。水面用船舶利用吊環對管道中間定位。全站儀兩臺立於兩岸配合精確定位。彎管段定位於河流上游。
2、進水：當橫管完成後，打開兩管端的排氣閥，打開進水口。在統一指揮下將鋼管成形水平浮於河面，確保鋼管兩端處於管中基槽上，直至鋼管完全處於基槽上方，將管道呈半成型就位基槽的姿態。向管道進水管用水泵強制灌水，
3、下沉
總指揮根據管道兩端的排氣情況分多次指揮各吊船放鬆鋼絲繩，使鋼管逐漸下沉，每次下沉0.2m 。隨著水不斷灌入，管道逐漸下沉，各吊點同時不斷進行調整，以保證各吊點的合理分佈。在管道有序地沉放過程中，進行管中線與基槽軸線校正的測量監控工作。指揮各吊船移動以達到逐步對準基槽軸線及兩岸起止點位臵，直至基本符合設計要求。
河道兩岸設臵管道中線控制樁及臨時水準點，每側不應少於2個，應設在穩固地段和便於觀測的位臵，並採取保護措施。過河管下沉時測量定位準確，並在下沉中經常校測。兩端起重設備在吊裝時應保持受力均勻，同步沉放管道於槽底就位。
1、管道翻轉
管道在進水時，各吊點對管道略有吊力。管自吊點與水面形成45度角。進水後管道下沉，其重力向下，各吊點力向上，管道在自重的作用下自然翻轉45度。實現管道翻轉90度。實現彎管向下。
2、落槽
自然沉放的管道通過控制進水和排氣的速度，利用各吊點的起吊力來控制管道下沉的速度。管道中彎管部分必先行進滿水，重心向下沉，彎管部分由南往北推進沉管。自然沉管入槽。
5.2.8監測技術與分析
確保工程安全建設的關鍵是全過程的管道應力監測。及時測量各點的沉放速度，繪製管道下沉的曲線變化圖，監測管道的撓度及應力並計算分析，及時反饋指導進水速度他沉放速度。並通過監測分析以指導後續項目的設計他施工。監測分析要點如下：
1、各監測點分佈為30米點，在彎管部位可適當加點數。測點布臵如圖5.2.8-1
圖5.2.8-1臨測點布臵圖
2、開發監測軟件
採用管道應力跟蹤監測專用軟件，實現自動循環採樣，自動傳輸，自
動計算應變、應力、合成應力及合成應力增量，能畫出合成應力隨時間的變化曲線。合成應力達到一定數值時，分三級填入預警、報警結果表中(σi ＞180MPa 為預警，σi ＞210 MPa為報警，σi ＝235MPa 為極限應力) 。為了確保現場實際監測時能準確及時有效地提供有關數據與曲線，對應變計量程，應變計線性度及範圍，應變計穩定性及耐水壓和水流的影響，硬件和軟件結合後數據的採集、傳輸、計算等過程的檢驗、調試等進行試驗。取得一手資料。
3、應力應變監測及分析
鋼管充水後開始按預先設計的程序彎曲下沉，整個沉放過程中對測點
的應力應變情況作自動跟蹤監測，電腦隨時顯示監測結果，並將測得的數據自動存入電腦硬盤中。
4、繪製管道沉放路徑曲線
5、控制系統水下混凝土
6． 材料與設備
本工法無需特別說明的材料。採用的機具設備表見表6-1土建機具設備表；表6-2安裝機具設備表
表6-1土建機具設備表
表6-2安裝機具設備表
7． 質量控制
7.1工程質量控制標準
7.1.1開槽施工質量執行《航道疏浚施工及驗收規範》。見表7.1.1 7.1.2管道沉放安裝執行本企業標準見表7.1.2
表7.1.2管道安裝驗收標準
7.2質量保證措施
7.2.3測量保證, 管槽軸線及沉管過程軸線必須精確控制。
7.2.4管線製作保證，各彎管必須確保角度及軸線。
7.2.5軸線保證，各翻轉吊點必須保證在同一軸線上。
7.2.6沉放速度保證，沉放速度必須控制在計劃軸線曲線上。
7.2.7水下回填保證，水下回填不得有大石塊，不得有架空部分。
7.2.8水下砼質量保證，必須採用鋼模進行水下砼澆築。
8． 安全措施
8.2施工現場按符合防火、防風、防雷、防洪、防觸電等安全規定及安全施工要求進行布臵，並完善布臵各種安全標識。
8.6現場電力線路其懸掛高度和線間距除按安全規定要求進行外，將其布臵在專用電杆上。
8.7施工現場使用的手持照明燈使用36V 及以下的安全電壓。
8.10制訂水上水下作業安全專項保證措施。
8.10.1凡水上作業人員各主要工種操作工（如船長、大副、輪機、水手等）必須持證上崗，嚴禁無證人員駕駛船舶。
8.10.2各船舶必須配備完整的水上安全救援設備，所有水上施工人員在船倉面操作時必須穿戴救生衣。船上應做好清潔防滑工作，及時清除倉面檯面油汙，並設臵防滑條等防滑設施，以防止操作人員不慎滑倒跌入河中。
8.10.3所有船舶燈光、聲響系統及信號旗齊全，特別是夜間施工時，所有船舶打開信號燈以防止過往船舶駛入施工區域。
8.10.4施工水域必須設臵水上施工標誌——水上浮標，以防止過往船舶誤入施工水域。
8.10.5在施工船舶靠近航道一側，船舶定位不準採用鋼絲繩，而應採用錨鏈沉入河底，以防錨纜掛壞過往船舶。
8.10.6密切注意天氣變化和水位變化，當水位上漲迅猛流速加快時，所有施工船舶應暫停作業駛向岸邊，並加固錨纜，防止走錨；當江水位下落時，應防止船舶因退水而擱淺。
8.10.7開工前在河道以及港監等有關部門辦理水上作業施工許可證，併發布航行公告。
8.10.9 潛水員進行水下作業時，潛水工作船上懸掛潛水員水下施工標誌，嚴禁其他船舶駛入潛水作業區。
8.10.10 禁止無關人員滯留在潛水作業船上，嚴禁潛水作業時進行水下爆破。
8.10.11 潛水員執行下潛任務前禁止飲酒。下潛前應避免進食不易消化和產氣的食物，如豆類、蔥蒜等，以免潛水員上升時減壓引起脹氣、腹痛。
8.10.12 禁止潛水員帶病下潛，禁止潛水員下潛時間超過規定作業時間和疲勞作業。
8.10.13潛水員下潛前，必須認真檢查所有潛水機具、供氣設備是否完好。
8.10.14 當水流速度超過1.5m/s時，禁止潛水員下水作業，確需進行水下作業的，首先必須經上級主管領導批准，必須派經驗豐富身體強壯的潛水員下潛，且下水前必須繫牢信號繩，船上待命潛水員和其他輔助人員做好應急措施，隨時準備施救。
9． 環保措施
9.1定期清運沉澱泥砂，做好運輸過程中的防散落與沿途汙染措施。
9.2注意油液的保護不得注入水面。
9.3開槽時根據水深控制開槽速度，不造成水渾濁汙染。
10． 效益分析
10.1經濟效益分析
過江管道採用整體沉放施工工法與圍堰施工、吊裝法沉管、水下焊接聯接、水下法蘭（或哈夫）聯接、配重法沉管、拖管過河等技術措施相比，或可減少對管道的起吊作業，或可減少船隻的使用數量，或可減少水下作業時間，具有工期明顯加快，工效提高，工程造價降低的優點。以沅陵縣城南過江管道穿越沅江水下管道安裝工程為例，工期可加快5-7天，工程造價降低10%。
10.2社會效益分析
應用整體自然沉入技術，不需要大型施工設備，不受場地影響，且沉管準備工作為5天時間，沉管為1天時時，節約施工工期。以沅陵自來水項目為例，619米鋼管1天沉放到位。封航時間3天。
與其他施工方法相比，過江管道整體沉放施工施工工法具有施工質量好，速度快；可改善作業環境，降低勞動強度；減少不安全因素的優點。
11． 應用實例
11.1 沅陵縣城南過江供水管穿越沅江水下管道安裝工程
工程位於湖南省沅陵縣，供水管採用整體沉放施工工法，過江管道為15 φ529*12鋼管，619.3米大跨度過沅江，工作壓力1.2Mpa ，輸送介質為自來水。河床地形條件複雜，彎管多。施工水深18-21米。河床斷面及管道布臵圖見圖11.1-1，工程於2009年7月開工，2009年10月竣工，施工中未發生質量安全事故，經驗收各項指標符合設計及規範要求，現已投入使用，受業主好評。
圖11.1-1河床斷面及管道平面布臵圖
11.2 泰格林紙業集團永州湘江紙業有限公司一級泵房取水管工程 該工程位於湖南永州，取水管線為φ1000*10鋼管，兩根230米長過湘江，輸送介質為自來水。施工時處在豐水期，水深15米，於2007年7月開工，2007年10月竣工，業主反映良好。
11.3 湖南湘豐特種紙業有限公司年產8000噸特種紙工程取水管工程工程位於湖南省隆回縣，取水管為φ273*12鋼管，兩根220米長過資江，輸送介質為自來水。河床地形條件複雜，彎管多，施工水深5米。於2007年12月開工，2008年3月竣工。
水下敷設過江管道鋼管整體自然沉放施工工法：
該工法的工藝技術具有以下特點：
1、適用於鋼管、PE 管、玻璃鋼管等多材質的管道用於城市 供水、供氣、汙水收集、排放管道穿越江河湖海。
2、只需常規的施工機械設備，就可解決常規沉管難以解決19的大跨度穿越、深水穿越，起吊過程中易斷裂等缺點，其操作技 術容易掌握。
3、經濟性好、可靠性高、施工便捷等顯著優點，是一種既 經濟又簡便有效的工程措施。
三、綜上所述，該工法的工藝合理，技術成熟，適用性和可 操作性強，經工程應用表明具有明顯的經濟效益和社會效益。
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