沉管法在闽江取水口改造工程过江管道中的应用

卓国勇

(中国水利水电第十六工程局有限公司，福建 福州 350001)

1、工程概述

闽清县城市供水闽江取水口改造工程位于闽江干流水口电站下游约12km，埋设江底的过江管道管线总长312m，桩号为G0 +000～G0+312，自闽江东岸向西，横跨闽江主航道至闽江中部，作为新建取水泵房的引水管道。管材采用2 根DN800 的钢板卷管，内外壁分别采用PN8710 互穿网络涂料和环氧煤沥青涂料做防腐处理，设计近期管道流速为0.44m/s，远期为0.76m/s。

管址处河段属于闽江Ⅰ级阶地向丘陵斜坡过渡地貌，管道部位河床地质由上到下分别为①中砂②卵石③碎块状强风化凝灰熔岩④中风化凝灰熔岩;江面常水位约为+4.50m，流速约0.3m/s～1.0m/s;洪水期间水位最高涨至+24.5m(1968年6月)，平均流速达到3.5m m/s;施工期间，④层岩石开挖难度大，河水冲刷对管道开挖及管道敷设作业影响较大，需采取相应措施保障管道施工安全。

管道部位河床纵断面中，河床线(①、②层)呈折线型，高程在-6.38m～+2.5m 之间，砂卵石层开挖深度最深可达9.9m;基岩线(③、④层)比较平缓，高程在-9.76m～-7.05m之间，设计管中标高在-11.26m～-8.5m 之间，基岩爆破深度最深达2.65m，管道总体埋深约6.00m～12.00m。

2、沉管法在过江管道中应用原理

(1)管道制作。管道由厂家加工后运至工地，在现场陆域上将管节逐节焊接成管段，管端封堵两端布设充水管后移至江面上依靠浮力自然浮起，并在管端、管中多个点用缆绳牵住，防止管道随水流漂移。

(2)管道移位。将管道从岸边拖移至沉管位置，移位前检查管内积水是否排清、端口是否密封、拖船水深是否满足要求，在管道上做好拖点编号，拖船根据相应编号对准就位并固定。

(3)管道下沉定位。在管位下游设计外边线上两端打入钢管桩，每个端部设置两根管桩，作为管道定位下沉竖向导轨，辅助管道下沉。下沉过程中，在水流和拖船的控制下，管道沿竖向导轨下沉。

(4)管道注水。对管道进行注水，在管道注水时，两端注水管同步注水，对管道吊点略施吊力。管道两端均有上弯的管段，可以连接成整体。管道注水后由于自重作用自然下沉至基岩面。

(5)落槽。自然沉放的管道通过控制进水和排气的速度，利用各吊点的起吊力来控制管道下沉的速度。管道中弯管部分必先行进满水，重心向下沉，弯管部分由南往北推进沉管，自然沉管入槽。管道落沉到位后，两端吊点在管道未在水下固定前不能解除。

(6)浮托力验算。沉管法在本工程的应用中，管道在江面浮运时需对浮托力进行验算，以确保实际条件满足浮运要求，DN800 每延米Q235A 无缝钢管浮力验算公式如下:

取值7.86g/cm3，经计算，每延米钢管在全排水情况下，△F=2.66KN，完全满足浮运要求。

3、施工技术特点

闽江是福建省最大的河流，并作为重要的水运通道，左右岸分别建有铁路和国道主干线，且闽江主航道位于管道G0 +230～G0 +280 处，施工期间，在不能影响周边建筑物的同时，还需确保通航船只的正常航行。其主要施工技术特点为:

(1)闽江主航道船只通航频繁，需与航运部门统一调配，共同制定管理、监护制度，确保施工与通航互不影响;［1］(2)河床地质从上到下分别为中砂、卵石及岩石层，需先开挖后爆破，综合考虑水流速度及深度的影响，精确定位水下钻孔位置，确定装药等工艺参数;(3)全段管道在陆域一次焊接成型，附带有弯管，管道自重大，富有弹性，调运过程中要求设备齐全，调度一致，从而保证管道的完好。

4、河床构造及主要施工断面图

图表4-1 过江管道纵断面图

图表4-2 过江管道横断面图

5、沉管法施工

5.1 沉管法施工工艺流程。沉管法在本工程的应用中，因其施工原理较其他技术工艺具备较多优势，多道主要工序可平行施工，在本工程的应用中，工艺流程如下:

图表5-1 沉管法施工工艺流程图

5.2 管道制作、防腐处理及闭水试验

5.2.1 管道厂家制作，现场焊接。本工程过江管道卷板钢管按12m 为一节，在家厂制作并作防腐处理;管材材质为Q235A 钢板，厚12mm，焊缝的基本形式与尺寸应符合《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》(GB985-88)，焊缝质量应符合《钢结构工程施工及验收规范》(GB50205-2001)的三级要求，焊缝表面应均匀、夹渣、焊瘤、弧坑和针状气孔等缺陷、更不得漏焊。

管道现场焊接施工平台设在取水泵房上游河岸陆地上，自泵房起施工平台沿河岸长不小于70m，宽不小于6m，平台高程为+5.5m。钢管焊接平台铺垫用150 ×150mm 方木铺设，方木底铺垫粗砂找平夯实，每根方木顶高程误差不大于2mm，并在同一条轴线上。每节钢管支垫方木不少于4 根。陆地上将每节管段焊接成60m 一段，管端密封。每根管段设置4 个吊点，起吊点按管段重量平均分布，每个吊点负担15m 管长和重约3.5t。

5.2.2 管道防腐处理。钢管管件喷砂除锈(等级Sa≥2.5)后内壁采用IPN8710 互穿网络防腐涂料，IPN8710-1 底漆厚度为50μmm;IPN8710-3 面漆二道，每道面漆厚度为100μmm，钢管件外壁按环氧煤沥青漆六油二布防腐。

5.2.3 闭水试验及消毒。管道全部焊接完成后，先进行闭水试验，闭水压力为设计洪水位与设计管中标高高差加2m，合计35.5m，约0.355Mpa，闭水试验前，管段灌满水后浸泡时间不应少于24h，闭水检测时间不小于30min。压水试验合格后，应进行冲洗消毒，具体措施参照《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008 执行。

5.3 施工测量。因水下施工情况不可见性强，水下测量放样作业尤为重要。本工程采用GPS 全球定位仪进行基线控制，用回声探测仪进行地形测量和槽挖高程控制。［1］

施工前，对拟开挖管槽进行放样，包括管槽底边线、中线及起始位置等，同时在江两岸设置水位尺和可通视的控制桩，用于随时调整开挖线路偏差，观察水位变化。

施工中，采用全站仪全天候跟踪挖泥船及钻机断面位置，用测绳控制开挖深度，并及时做好记录。［2］

5.4 水下开挖。本工程水下开挖拟采用链斗式挖泥船和长臂挖机配合进行。

1、挖泥船拖至起点导标附近，调正船位，使定位桩对准挖槽的施工中心导标，吸管位于起点导标线上，下放定位桩定位。若河水流速较大或基床土质较硬，单靠定位桩不足以稳住船位时，先抛尾锚，顺流松尾缆，吸管位于起点导标线上，下放定位桩定位。

2、吸砂船以尾部沿管轴中心线，摆动吸管和船身，一方面按扇形挖泥，一方面移船前进。为了一扇紧压一扇而不出现漏挖，对准施工中心线的定位桩应以施工中心线导标作为前移的轨迹。具体作业时，由驾驶台上观察视线进行控制。

5.5 水下钻孔爆破。根据本工程特点，岩石开挖与卵石开挖分段交替进行，在河床卵石层开挖出一定的段长后即可以进行基岩开挖，考虑在水下石方开挖的特殊性，石方开挖量不大，采用钻孔爆破炸礁船进行水下钻孔爆破施工，将岩石破碎，长臂挖机取渣，钻机采用YQ-120 型潜孔钻。

施工工艺流程为:爆孔设计→锚定钻孔作业平台→移机就位→确定孔深→套管护孔→钻孔→成孔冲洗→测量验孔→装药→连线→平台撤离→起爆→解除警戒→下一施工循环。钻孔爆破施工根据水位和设计管底高程以及实际水深计算岩层的厚度，确定钻孔深度，一次钻爆到设计深度，避免分层爆破。

水下钻孔采用垂直钻孔形式，平面布置为梅花形，同一横断面上布孔方式为扩槽孔-掏槽孔-拔心孔-掏槽孔-扩槽孔。根据现有施工船舶、机械的性能及施工经验，主要参数为:孔距1.5m，排距1.3m，孔径100mm，药柱直径70mm，孔深2.8m。根据计算并进行现场试验后，单位耗药量为1.35kg/m3，爆破效果较好。

单孔装药时，拔出钻具将带有雷管的炸药沿钻机的套管往炮孔装填，用探水杆复核抛空炸药的就位情况，并用细砂填塞。炸药装好后，拔出套管，导爆管首先固定在平台上，待平台移位时，将导爆管移到系有绳索的浮胎上，漂浮在水面。通过五道工序，形成一个水下爆破孔的施工循环。

图表5-2 钻孔布置图

5.6 测量验槽。整体管槽开挖清渣完成后，利用回声测深仪对管槽进行测验，并绘制开挖断面图，初步验槽方法如下:

将测深仪放置于机动驳上并把全站仪的棱镜固定在测深仪的探杆上，确保探杆沿着管槽中心线移动，测深仪每发出一次探测，其位置由全站仪定位并记录，测量成果由测深打印机打出，成果内管槽中心线应与设计中心线相吻合。测完管槽中心线后，再对管底两边线各测一次。

槽底垫层由潜水员通过安装在船上的漏斗连接钢管将粗砂均匀卸放到槽内，本工程砂垫层厚度为30cm，压实度系数要求≥0.9。

5.7 管道浮运、充水及沉管

5.7.1 管道浮运。本工程采用整管拖运、摆动就位、翻转下沉的施工工艺。管道焊接完成后，外层用泡沫片全线包扎，并在泡沫片外用竹片再次绑扎固定，管底部设置若干滚筒或圆木，在岸边设置卷扬机，将管道从岸边滑入水面。［1］

管道浮运要综合考虑当天水流流速的影响，要求拖船保持均速缓慢前行，并且要特别注意管道弯曲半径的控制。根据经验，DN800 的管道的弯曲半径应大于800m 才可保证管道的无损，因此在浮运时要对管道进行跟踪观测，如发现弯曲半径有变小的趋势，及时对拖船进行指挥调速。［3］

钢管的起吊点应经力学验算后才可确定具体位置，且不宜直接接焊在管壁上，应采用钢制抱箍，吊环焊接在抱箍上，再将整个抱箍用紧固件固定在管壁上。

5.7.2 管道充水、沉管。管道浮运至管道设计轴线位置时，采用定位船锚固、管内充水、起吊翻转、自然沉管的安装措施，安装过程中，应注意控制以下问题:

(1)管道内充水体积约为157m3，即157t，充满水后，可缓慢放下松动吊绳，让管道在重力的作用下悬浮并翻转下沉;

(2)管道下沉过程中，严格要求各吊点等速、匀速沉放，防止因不均衡放管出现管道弯曲损坏。在翻转阶段，各吊点要吊绳要逐步松开，直至管道翻转至设计图纸要求位置;

(3)管道下沉就位后，派潜水员下水检查垫层与管道的接触是否均匀、紧密，水下敷设管道偏差应根据下表确定。

图表5-3 水下敷设管道允许偏差［3］

5.8 压块安装、管槽回填

管道下沉就位并按要求管周回填级配砂卵石后，将马鞍形压块用起重吊船配合潜水员进行水下安装，依次分层回填、铺装砂卵石、袋装卵石及铅丝石笼。

6、结束语

沉管法技术已走过百年发展历史，而在我国还处于起步阶段，此项技术在闽江取水口改造工程过江管道的应用中，取得了良好的效果，实现了突破性进步，其主要优点表现为:①沉管法环境适应性强，适用于福建多地江河水下管道、隧道工程;②在不影响通航及周边建筑物安全的情况下，避免了江底管道施工带来的危险性;［4］③管道在陆地焊接完成，水上精确定位，施工质量可靠，避免了水下焊接管带来的质量隐患;④沉管法多道工序可在多地点平行施工，在合理安排工序，加强管理力度的前提下，大幅度缩短了工期。

随着城市化建设的不断扩大，以及对水利、交通工程重视程度的提高，充分利用沉管法简单、快捷、经济的特点，将得到广大推广和应用。

［1］田桂满.沉管法施工在贵港郁江管道穿越工程中的应用［J］.水利水电技术.2004 (7).

［2］刘敏林.沉管施工技术在过河管道中的应用［J］.西部探矿工程.2004 (9).

［3］姚吉，吴艳，邵建惠.沉管法在宁波截污工程中的应用［J］.管线工程.2010 (3).

［4］杜朝伟，王秀英.水下隧道沉管法设计与施工关键技术［J］.中国工程科学.2009 (11).