冲沉法沉管设计研究

杨兵 张树俊 陈辰 朱亮

(南京市市政设计研究院有限责任公司 210008)

引言

沉管法是预制管段沉放法的简称，是在水底建造管道的一种施工方法。 其施工顺序是先在船只或岸上制作管段，管段两端用临时闷板密封后吊装下水，使其浮在水中，再拖运到管道设计位置，定位后，向管段内加载，使其下沉至预先挖好的水底沟槽内[1]。 后在其顶部和外侧用块石覆盖，以保安全。 水底管段，采用沉管法施工具有较多的优点。 沉管是市政工程中比较常用的一种管道敷设形式，广泛用于穿越大中型河道。

1 传统沉管的特点及其局限性分析

传统沉管采用水下开挖管槽并抛石平整，钢管拼装后浮运就位，灌水下沉，水下抛石压重，回填土恢复河床标高，最后河岸两侧防汛河堤按原标准恢复。 沉管施工时，管位、管身结构、稳管措施和敷设方法必须报经穿越水域堤防、水利等有关主管部门同意，管线走向应结合地形、工程地质，布置在平缓、河水主流线摆动不大的顺直河段上。

传统水下沉管，其主要施工工序为：参数计算→测量放线→管道组焊→无损检测→试压→防腐补口→管沟开挖→抽污泥→沟底测量→漂管沉降→管道测量→稳管→回填→护岸及地貌恢复。施工过程大部分在水上进行，要用到挖泥船，清槽及稳管阶段要有潜水员进行辅助作业。 沉管法对两岸场地没有要求，有利于管道高程控制，不影响两岸的景观，施工周期短。 适合于周围没有桥梁依托时、穿越较大且可以临时断航的河流。沉管法施工前须报请水利有关部门批准。

传统沉管也有其局限性，在某些地质条件比较差的河道中采用沉管方案，会遇到各种各样的问题，例如水下沟槽开挖的方式成槽很困难、工程造价较高、潜水员水下操作十分困难，甚至会有生命危险等等，因此急需研究出一种全新的沉管工法，去解决以上问题。 本文研究攻克传统沉管法在管道穿越软土地基大型河道时遇到的设计难点，研究出一种全新的沉管工法，为类似工程提供一种可行的结构设计方案。

2 冲沉法沉管设计

2.1 工程实例

江苏某市尾水导流工程中管道需穿越新沂河，根据勘探报告新沂河河底存在平均约9.0m深的①-1淤泥层和平均约6m 深的○1-1粉细砂层。如采用传统沉管过河方式，①-1淤泥层采用水下沟槽开挖的方式成槽很困难，且该层土承载力很低，因此采用冲沉法沉管方式过河。 冲沉法铺管是先把管子放在水底，将冲泥器放置于沉管底部，然后用冲泥器把高压水射向管底土层，使管底土液化，丧失承载能力，管道就埋入水底。 液化土层的厚度一般为管径的3 倍～4 倍[2]。

尾水导流工程中设计2 根DN1400 钢管穿越新沂河。 管道过河处现状河口宽约289m，河滩面高程16.3m ～16.7m，河底高程 3.9m ～5.2m，水平管设计中心高程为-2.3m，河道中沉管段长度286.0m。 穿越新沂河管线自南向北工程地质情况如下：桩号 0 ～110 管道长度110m，管道基础持力层为⑪-1粉细砂层，土体压缩模量7.26MPa； 桩号 110 ～ 216 管道长度 106m，管道基础持力层为①-1浮淤层，土体压缩模量2.01MPa； 桩号 216 ～286 管道长度 70m，管道基础持力层为⑪-1粉细砂层。 采用 2 根 DN1400 冲沉法沉管，管材为钢管，管中心标高-2.300m；为协调不均匀沉降，沉管在两岸坡岸顶部交接处各设置带法兰盘的橡胶软管及接头检查井一个。 冲沉法沉管纵断面如图1 所示，图中仅表示了一半，另一半基本对称。 冲沉法沉管横断面如图2 所示。

图1 冲沉法沉管纵断面Fig.1 Longitudinal section of jetted and immersed pipe

图2 冲沉法沉管横断面Fig.2 Cross section of jetted and immersed pipe

钢管采用Q345B 钢，壁厚18mm，钢管加工成8m ～10m 长的管节，运至现场拼装。 管道布置二道，并排布置，管道中心距5.5m。 接头检查井为地下式矩形钢筋混凝土结构，顶板为活动盖板，每个井内设置2 个带法兰盘的橡胶软管用于协调沉管的变形，管道与井的接口采用柔性套管。 接头检查井平面如图3 所示。

图3 接头检查井平面Fig.3 Plan of joint inspection well

2.2 沉管冲泥器设计

冲沉法铺管沉管管腋和管底需设置3 套～6套冲泥装置。 冲泥装置采用带喷头的注浆花管。喷头设置橡皮单向阀用于确保泥沙不进入喷头内。 喷孔孔径可取5mm ～50mm，采用梅花形布置。 喷孔纵向间距可取0.3m ～0.8m，喷孔之间横向角度取15° ～30°。 冲泥装置高压水流压力根据不同的土质情况可取0.8MPa ～2.0MPa。 冲泥装置采用分段布置，每根冲泥装置分为7 段，每段采用不同的控制器控制压力。 因此可以调节管道的下沉姿态，控制下沉中产生的沉降差。 沉管冲泥装置具体布置见图4、图5 所示。

图4 冲泥装置横断面Fig.4 Cross section of jetted device

图5 冲泥装置纵断面Fig.5 Longitudinal section of jetted device

冲泥装置布置数量、高压水流压力、布置形式、水泵参数、喷孔布置等冲泥装置设计参数由于不同的土质参数选取有所不同。 可在全面开始施工之前在现场进行10m ～30m 长冲沉法沉管试验段试验，试验段选在设计沉管位置水域附近，最终确定设计参数。

2.3 冲沉法沉管下沉设计

(1) 管道下沉前，对河道起伏较大处进行河床平整。 使管道沿线整个河底基本平整，同时根据洪评单位的防洪评价计算意见，综合确定河底平整标高定为4.2m。 管道采用弹性敷设，可有一定的安装弧度。

(2) 管道顶部每隔30m 设置一个应力监测点，实时监测管道的应力状态，如有超标，随时进行调整。 管道顶部每隔30m ～50m 左右设置一个高程测量标尺，标尺固定在管道顶部随沉管一同下沉，可以监测管道的高程。 当沉管下沉至设计标高以上0.8m 时，应适当减慢下沉速度，每天不大于0.3m，冲泥吸泥力度应减少，加强应力及下沉监测，防止超沉发生。

(3) 冲泥装置设计时应采用分段布置的方式。 每段冲泥装置互相独立，采用不同的控制器控制冲泥装置喷头压力。 采用此方式可以随时调节管道的下沉姿态，控制下沉中产生的沉降差。冲泥器沿管道长度方向(纵向)均分为7 段，每段(横向为3 根冲泥器)采用一个控制器控制水流压力，共设置7 个控制器。 按照先中心、后两边的原则进行冲泥下沉，第四段→第三段、第五段→第二段、第六段→第一段、第七段，如图 6 所示。 每段每次下沉深度不大于200mm，重复这样的顺序，直至管道下沉至设计标高。

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图6 冲沉法沉管冲泥装置分段Fig.6 Segmentation of jetted device in the jetted and immersed pipe

(4)管道冲沉时，同时采用下面两种助沉措施：①河面吸泥船吸泥器助沉，将冲起的泥浆吸走，减小泥浆容重使得管道下沉； ②管道上绑混凝土配重[3]。

(5)冲沉法沉管工程其主要施工工序为：参数计算→测量放线→钢管结构组焊→无损检测→试压→防腐补口→冲泥器安装施工→应力监测设备安装→河底测量→河底平整→漂管沉降→管道测量→限位桩施工→水下冲沉→吸泥助沉→格宾网箱护底→护岸及地貌恢复。

(6)沉管限位桩施工：限位桩采用预制方桩或钢管桩，限位桩设置在管道弯折处，沿管道轴线方向在管道弯折处前后各3 排，每排2 根分布于管道两侧，限位桩与管道净距0.3m，限位桩可以防止管道下沉过程中翻转，并能防止下沉时沉管轴线偏差，有利于管道定位及姿态调整。

管道冲泥下沉过程中，应力监测、冲泥器压力调整、吸泥助沉这三大要素应形成一个三位一体的有机整体，通过三者的有机结合使得管道稳定下沉。

2.4 冲沉法沉管基础设计

(1)沉管沉至设计标高后，通过高压冲泥器进行注浆，加固管道周边被搅动土体[3]。

(2)注浆水泥为强度等级42.5MPa 的鲜普通硅酸盐水泥，压力 0.4MPa ～ 1.2MPa，水灰比0.5 ～1.0，注浆为水泥 -水玻璃双浆液注浆，注浆范围为管道冲沉时周边被搅动土体，注浆示意如图7 所示。

图7 冲沉法沉管冲泥装置注浆Fig.7 Grouting of jetted device in the jetted and immersed pipe

3 冲沉法沉管有限元计算

3.1 模型建立

表1 建模材料参数Tab.1 Modeling material parameters

图8 沉管整体模型Fig.8 Integral model of immersed pipe

3.2 分析步

ABAQUS 建模计算时，通过控制生死单元来模拟管道的安置。 首先进行土体地应力平衡，使土体内只有应力场，没有位移场。 随后杀死管道位置的土体单元，激活管道实体单元，并建立土与管道结构之间的接触关系。 最后使管道受重力，进行数值计算，计算结果见图9 ～图12。

图9 管道水平应力(单位：N/m2)Fig.9 Horizontal stress of pipeline(unit：N/m2)

图10 管道竖向位移(单位：m)Fig.10 Vertical displacement of pipeline (unit：m)

图11 土体竖向应力(单位：N/m2)Fig.11 Vertical stress of soil (unit：N/m2)

图12 土体竖向位移(单位：m)Fig.12 Vertical displacement of soil (unit：m)

图13 沉管底部水平应力ig.13 Horizontal stress at the bottom of immersed pipe

图14 沉管竖向位移Fig.14 Vertical displacement of immersed pipe

3.3 计算结果分析

根据计算结果可以发现，管道最大水平应力出现在沉管弯折处附近，最大应力值为121MN/m2，见图13。 最大位移出现在沉管中心处，最大位移值为 57.86mm，见图14。 最大水平应力及位移均满足规范要求。

4 结论

本文结合设计实例对冲沉法沉管进行详细的研究，得出主要结论如下：

1.本文将沉井不排水法下沉中冲泥吸泥的思路用于沉管工程，研究出一种全新的沉管工法；

2.改进了传统沉管中的一些不利因素，以冲代挖，去解决实际工程中的一些问题；

3.在该工程实施过程中，各技术环节均全面考虑，各项技术措施使用得当，目前该工程推进过程顺利，为类似工程提供了一种可行的结构设计方案。

冲沉法沉管在设计和实施过程中还应注意如下几点：(1) 冲泥器设计参数应在全面开始施工之前在项目现场进行试验段试验，最终确定设计参数； (2) 本工法仍然处于起步阶段，还需要持续深入的研究。