管道工程穿越汾河的新方法——水中沉管法

李江深

（山西省黄河万家寨水务集团有限公司 山西太原030012）

0 引言

阳曲原水直供工程是山西省万家寨引黄入晋工程在太原市的一项支线供水工程，主要是向位于太原市阳曲县境内的太原工业新区和阳曲县转型发展园区供水。该工程穿越汾河，管道采用直径1.4 m 钢管，穿河长度381 m。初步设计穿汾方案为通用的常规方法，即两期围堰两期施工导流的大开挖直埋方案。由于存在采沙坑，水面宽且深，围堰很高且用料从附近河床内选用，透水性强，排水量巨大，施工安全无法保证。如对围堰采用较为可靠和彻底的防渗措施，工程投资将增加很多，远远超出概算，但深基坑施工的安全风险仍然很大。

尽管对初步设计方案反复研究予以优化，但仍然不能从根本上解决投资大、安全风险大、工期长的矛盾。之后，又探讨和研究了顶管法和水平定向钻法，为此还对河床进行了深度补充勘察，但由于存在较厚沙卵石层而否决。还探讨了管道桥法，考虑到环保和城市规划等而作罢。经过在全国范围内遍寻方案，最后选用了在南方江河和大海上曾采用而北方地区从未采用过的水中沉管法。经过大胆引进和采用，工程于2018年4 开工，6月19日整体沉管成功，至9月底管顶覆土回填以及东西堤坝恢复等全部施工完成，并进行了静水压试验，试验合格，表明该方法在汾河上正式应用成功。

1 工程概况

山西省万家寨引黄入晋联接段阳曲原水直供工程位于太原市尖草坪区和阳曲县两个县、区，水源为引黄水。项目在引黄联接段7#洞出口呼延调蓄池进水箱涵进水闸下游处取水，后经38.75 km 压力管线至阳曲县受水区。本项目范围为7#洞下游出口呼延调蓄池进水箱涵进水闸取水处，至阳曲县受水区的38.75 km 压力管线及沿线附属的加压泵站及末端蓄水池等建筑物。供水对象为太原市工业新区及阳曲县转型发展产业园区，供水管线终点位于阳曲县北侧大运高速公路大盂服务区西侧。近期水平年2020年，设计供水量3 000 万m3，远期水平年2030年，设计供水量4900 万m3。

本次穿越汾河段工程位于太原市尖草坪区，太岚线跨越汾河铁路桥上游约2.45 km 处，桩号4+577.86～4+958.86，总长381m，方位为由西南向东北穿越，穿越汾河段长约381 m。西侧为75 m 岸坡段，中间主河槽段269 m，东侧为37 m 岸坡段。河东侧为河滩地，地面相对高程88.59～93.00 m（本文中的高程皆为相对高程），河西侧为过水段，该段现状为早年采砂后形成的沙坑，U 型断面，最低处河底高程74.00 m，河道内水位相对高程约90 m。

穿汾河工程主要工作内容包括:安装DN1400 钢管381 m（钢管壁厚24 mm），左右岸各布置1 座排气阀井，汾河局部堤防拆除与恢复，滩地段管沟开挖和回填，主河槽段利用河道开挖料回填，施工围堰的填筑和拆除，穿汾河段DN1400 钢管制安，管底基土工格栅铺筑，钢管顶部覆盖回填（含塑料格栅石笼压顶），河岸或河堤的恢复及项目防护、岸坡加筋土填筑施工等。

2 工程地形、水文、地质情况

穿越汾河处河道段基本呈南北向，属平原性河道，河道宽浅对称，河床平坦，河槽蜿蜒前行。河床质一般由细砂、轻沙壤土等组成，细而松散。地形纵向平缓。横向河床与河漫滩高差较大，一般在1.0～4.5 m 之间。由于早期该河道任意采砂破坏形成局部沙坑，有的沙坑深达十几米。现状河道经过整治，河道较为顺直，两岸为人工河堤。河断面为复式，局部地段有河心洲。主槽在两岸堤防内蛇形摆动，宽60～100 m 左右，枯水期河槽较稳定，河床裸露，汛期水流大时漫滩，全断面过水。

该处汾河两岸堤顶相对高程为102.47～102.51 m。该段发育地层岩性为全新统洪冲积物（Q4pal），岩性为级配不良砾夹级配不良砂透镜体，砾石成分主要为灰岩，磨圆度呈次棱角—次圆状，结构较松散。据SJ14C-52 筛分资料，其砾石含量为70.8%，砂粒含量28.2%，粉黏粒含量1.0%。级配不良砂，淡黄色，结构松散，主要矿物成分为长石、石英、云母等。据钻孔标准贯入试验，其标准贯入锤击数8.0～32.0 击，经杆长修正值为7.7～24.0 击。

管基持力层为级配不良砾及级配不良砂。

基坑开挖存在涌水问题。据钻孔ZK14C-4、5 注水试验，级配不良砾层渗透系数为11.8 m/d，级配不良砂层渗透系数为2.3 m/d，取二者加权平均渗透系数为6.0 m/d。经计算，基坑涌水量为64 890.4 m3/d。

初步设计中，导流建筑物级别为5 级，导流按非汛期5年一遇洪水设计，泄量为68.6 m3/s。工程安排在非汛期施工。

3 水中沉管法方案

水中沉管法是近些年南方通航江河中或沿海地区在海中铺设管道时发展采用的一种施工方法。就本项目来讲，总的来说就是:在对管道基础水下开挖和填筑的同时，进行管道的制作，并将拼装焊接好的两端封堵的管道顺河流漂浮在水面上，待管基完成后，将管道浮运至设计管轴线上方的水面上，然后注水使管道下沉，直至坐落在管基上，最后覆盖回填。具体来讲，分为管基开挖及填筑、沉管段钢管拼装制作、管道浮运及就位、管道注水下沉和水下回填覆盖等。如图1所示，详细如下:

图1 沉管法穿汾河横断面图（单位除相对高程以m 计，其余为mm）

1）管基开挖及填筑

河床东侧滩地需沟槽开挖，主河槽段需要进行回填，以达到管基高程，形成管道基础。

东侧滩地沟槽开挖利用一艘水上挖泥施工船，再配备二艘开底式泥驳船进行开挖施工，采用水上挖泥施工船到汾河东侧滩地段进行陆地和水下沟槽开挖，然后利用二艘开底式泥驳船运输至主河槽回填段进行回填，回填时利用水上浮球标定出回填区域，二艘开底式泥驳船按照浮球标定区域进行准确回填。

2）沉管段钢管拼装制作

图2 穿汾河管道示意图

如图2所示，沉管段管道制作为焊接河底直管299.231 m，东侧斜管焊接27 m，西侧斜管21.77 m，共计焊接管道348 m。管道上口间的直线距离为345.3 m。

本次沉管采用整体组对拼装、整体浮运、整体沉放，即一次性在陆地焊接完成沉管需要的钢管，再浮运至开挖好的沟槽上方，最后一次性沉放。

在河床东侧滩地建设钢管堆存和焊接拼装场地。采购成品钢管进场，单节长度12 m。采用130 t 履带吊进行钢管节的组对，按一类焊缝焊接。每拼装一节，顺河流向河内推送一节，端口加盲板封堵并预设小口径阀门，最终348 m 沉管钢管段全部顺河漂浮在水面上。

3）管道浮运及就位

管道基础施工完成后，选择汾河水文和气象变化相对稳定，水流速度相对较小的情况下，采用水面浮运法，将沉管段管道浮运到设计管轴线位置。

因东西两岸坡脚水面间的距离仅为303 m，焊接好放倒浮运的的沉管管道直线长度为345.3 m。沉管管道就位时，采用东侧管头先进入东侧堤坝开挖的沟槽内，西侧管头在管轴线上游（即汾河北侧）布设。当东侧管头顺利进入东侧堤坝开挖的沟槽内后，调整管道，将管道向东侧伸进12 m（东侧因绿化带和公路影响，仅能伸进约12 m），西侧管头沿逆时针方向缓慢旋转浮运，当旋转至距管轴线100 m 时，通过东侧的130 t履带吊将管道竖向立直，管道西侧管头在岸侧挖掘机的协助下，缓慢的将西侧管头沿逆时针方向继续缓慢旋转浮运，直至就位。管道浮运就位示意图见图3。

4）管道注水下沉

图3 管道浮运就位示意图

沉管管道浮运就位，经测量定位准确无误后，东西两侧分别采用东侧130 t 履带吊和挖掘机以及西侧130 t 汽车吊和挖掘机配合固定住管线。从东侧注水，西侧排气，管道下沉。管段内进水后要受控下沉，即在吊装起重机协同控制下下沉。下沉过程中所有设备和操作人员务必服从统一指挥，东西两侧履带吊和汽车吊吊钩下降速度须与管道沉放动态同步，合理安排注水速率，控制沉管动态，使管道均匀下沉，让管道管体应力及变形控制在容许范围内，以免发生管道断裂，沉管失败。如图4所示。

图4 水中沉管现场施工图

5）管道覆盖回填

沉管管道下沉到位，经潜水员水下检查，与基础结合良好且管体完好后，开始覆盖回填。回填方法和所用设备同管基开挖与填筑。

4 质量检测与试验

如何控制和保证水中沉管法施工的工程质量，确保工程能够长期稳定运行，这是我们在引进该方法时反复探寻的问题。例如，水下管道基础的填筑质量，管基面的平整度，管基与沉管的结合情况，以及如何控制管道下沉速度而保证管体不断裂。尤其是水下工程，看不见，摸不着，如何检测和保证质量？

水下填筑和开挖的体型尺寸以及高程的检测采用超声波检测法。

塑料格栅铺设情况、沉管与管基础的结合情况等由潜水员水下检查。

管道焊接拼装完成后浮运前要进行管道气密性试验，以检测沉管段的密封性，确保浮运过程中不会进水。

沉管完成后，潜水员水下检查，确定结合良好后，进行静水压试验，以检测管道在浮运和下沉后的质量情况。

覆土回填完成后，再进行静水压试验，以最终检测和判断管道质量情况。

该工程经过三次检测，其中两次静水压，试验压力达1.7 MPa，无压力降。

5 结语

穿汾河工程很多，太原市境内尤其多。随着改革开放后特别是近十余年太原市城市及社会经济的快速发展，供排水、热力、燃气以及水利等行业均有穿汾工程。在研究万家寨引黄阳曲原水直供工程穿汾方案期间，做了调查了解，围堰导流基坑开挖法和顶管法均有实例，本工程这样口径的，投资基本不低于5 000 万元，定向钻仅限于管径1.2 m 以下的。本项目穿汾河工程初步设计概算为3 084 万元，按照初步设计的方法，再增加可行的围堰挡水措施，投资也将突破5 000 万元。采用水中沉管法施工完成后，经测算，费用约2 000 万元。水中沉管法是在项目投资、工期以及安全等矛盾困扰下作的一次尝试，一次实践检验的成功的尝试。笔者作为该工程的组织者，以亲身感受，写此文予以推荐和推广。