官烈勘探试验段隧洞工程一都溪跨河管道安装施工技术方案研究——福建省平潭及闽江口水资源配置（一闸三线）工程

刘宏

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

1 工程概况

福建省北水南调平潭及闽江口水资源配置（一闸三线）工程是福建省优化水资源配置的重要民生工程，工程主要为平潭综合实验区及福州主城区、福清、长乐、闽侯等区域提供饮水资源。福建省官烈勘探试验段隧洞工程是福建省平潭及闽江口水资源配置（一闸三线）工程的重要组成部分，该试验段属于大樟溪～三溪口水库输水线路，其中一都溪管道为连接两岸输水隧洞，管道布置为横河向穿越一都溪主河道。

2 方案设计基础资料

2.1 工程地质

一都溪主河道宽约80 m，河道底高程6～7 m，右岸为宽50～55 m 平缓的冲洪积滩地，左岸为宽度90～100 m 平缓的冲洪积滩地。河道及左右岸滩地地表以冲洪积砂卵石层为主，局部为人工堆积碎石土，根据钻孔揭示，砂卵石层厚度为5.2～6.3 m，砂卵石层密实，以卵石为主，卵石含量约占55%，粗砂含量约为40%。卵石粒径10～15 cm，最大约为30 cm。砂卵石层下伏基岩为钾长流纹岩，岩体弱风化，管道区地下水类型为孔隙潜水，一都溪主河道地表水体发育，主河道水深3～4 m，两岸地下水埋藏于第四系松散堆积层和风化岩土体中，地下水位埋深0～3 m。管道跨溪流地表水丰富，管道沿线出露的砂卵石层属强透水层。

2.2 水文情况

一都溪主河道属大樟溪流域，受海洋季风和山地地形影响，气候湿润、温和，属中亚热带山地气候，其特点是夏季不酷热，冬短少严寒，一年四季分明，干季雨季明显，海洋性、大陆性气候兼具。大樟溪流域年平均降水150 d，年平均降水量1 499 mm，降水主要集中于汛期4～9 月，约占全年的3/4。

2.3 过河钢管安装要求

一都溪管道连接左右两岸隧洞输水管道。管道布置为横河向穿越一都溪主河道，管道水平投影长度185 m，为埋地管道，跨越河中心段为105 m，采用1×DN3200 mm钢管，壁厚28mm，重约240 t，外包C25 钢筋混凝土保护。

3 原设计方案过河钢管安装思路

一都溪跨河段管道安装原设计方案采用分期导流方式进行，选用土石围堰施工，枯水期河床水位高程约6.0 m，导流标准采用10 年一遇洪水标准，导流设计流量为64.6 m3/s，土石围堰为粘土斜墙式。

围堰形成后在围堰内部进行过河钢管沟槽开挖和降排水，然后将钢管分段吊入沟槽进行焊接，焊接连成整体后，在管身周围进行钢筋绑扎、立模和管身外包混凝土浇筑，混凝土浇筑养护和河滩钢管两端连接完成后进行回填和围堰破除，完成该段过河钢管安装。

一都溪过河钢管施工工期为6 个月，采用2 期土石围堰施工的工程造价为204.83 万元。由于当时施工时间为2015 年12 月，则施工时需分段进行，跨越2 个汛期，预计2016 年11 月完工。

4 优化后方案钢管安装思路及安装实施过程

4.1 优化方案钢管安装思路

利用枯水期右岸滩地创造施工场地条件，在左岸开挖一段简易河沟将河水引流至下游，避免上游来水影响右岸滩地和河床内的管沟开挖及其它施工，然后在管道安装位置开挖管道安装沟槽，在沟槽附近平行沟槽位置进行管道拼装焊接，过河钢管整体拼接完成后利用多台起重设备将过河钢管整体抬吊入槽进行安装，过河钢管位置调整确定后，将预先绑扎好的管身混凝土罩筋吊装就位，然后进行水下混凝土浇筑，同时通过向管道内缓慢注水以防止在混凝土浇筑过程中管身周围介质密度增大造成浮力增大引起浮管，确保安装位置精度，混凝土浇筑完成并养护后，最终完成钢管安装，再进行后续施工。

4.2 一都溪过河钢管安装施工程序

根据优化后的钢管安装思路，按照以下安装程序进行施工和工艺流程设定：

施工准备（河流改道引流、右岸河滩河床场平及起重设备布置点加固）—→测量放样—→管沟开挖—→钢管拼装焊接—→立侧模及底筋安放—→钢管整体吊装—→罩筋安放立模—→水下混凝土浇筑—→混凝土养护。

4.3 过河钢管安装技术要点

1）河流改道导流

根据枯水期河床水位高度和上游河水流量来确定导流明渠的过流面积及尺寸。

经过测量人员现场测量，2015 年12 月一都溪河水最大流量为3.75 m3/s（河床宽5 m，深度2.5 m，水流流速0.3 m/s），现场施工时采取在一都溪河床上游填筑长10 m、高4 m、顶宽1 m 的简易围堰，同时在一都溪左岸开挖一条长80 m、宽5.5 m、深4.5 m 的导流明渠进行导流，经计算导流明渠过流面积为24.75 m2，按照同等水流流速0.3 m/s，过流流量可达到7.425 m3/s，接近一都溪12 月最大流量的2 倍，完全满足一都溪河水过流。

2）整体钢管吊装时所用起重设备选型及数量确定

本节管道施工长度主要根据枯水期河床水位高度及跨河段管道长度来确定。根据设计的管道纵坡面图，管道下穿河床，两头连接隧洞，类似“u”型，管道中心高程为3.2 m，基础开挖底标高为1.0 m，枯水期水平面高程为6.0 m，本节管道安装完成后需满足后期管道施工在干地以上，经计算本次起吊钢管总长为105m，重量约为240t。

①起重设备的吊装幅度确定

考虑管沟边坡稳定性，防止钢管自重压垮边坡，则钢管焊接固定架摆放距沟槽边坡需有2 m 以上的距离；同时考虑钢管自身直径尺寸3.2 m（近沟槽侧钢管母线距岸坡边线约1.6 m），以及吊车本身回转中心到尾部的最小距离约4 m（经验值）；同时满足将钢管吊放至离边坡岸线5.2 m，则吊车最小起吊幅度为14 m。

②起重设备的数量和起重能力确定

现场河床可供汽车吊打腿场地长度约90 m，以每台吊车支腿全伸9 m 的宽度计算，同时考虑一定的裕量，以每台吊车占用空间宽度为10 m 计算，最多可并排摆放9 台起重设备。以起吊240 t 的总重量进行分摊，则每台吊车需承担的最小重量为26.7 t，考虑多台汽车吊抬吊的不均衡系数和动载荷系数及安全系数，以起重设备额定起重量的70%为吊装时实际出力，则汽车吊在14 m 幅度时需要具备38 t 以上的起重能力。

③选型结果

通过模拟和综合考虑过河钢管整体刚度及起吊点对钢管产生的形变、汽车吊负荷分配、汽车吊摆放位置、多台汽车吊起吊同步性、抬吊安全系数、载荷系数、对河滩90 m 的空间分布利用以及当地的起重设备拥有情况等，最终选用6 台260 t 汽车吊。以6 台汽车吊为计算依据，每台汽车吊需分担40 t 的起重量，根据260 t吊车性能参数特点，当配重为97.5 t，回转半径14 m 时理论起吊重量为58 t；考虑采用多台吊车起吊同步性因素，负荷率按70%考虑，则单台最大起吊重量为40.6 t，可满足吊装需求。

3）现场施工场地准备

根据设备选型结果和现场实际情况，现场需满足长度为105 m，直径为3.2 m 的钢管拼装焊接场地，同时需满足6 台汽车吊的摆放、支腿支撑及回转半径距离要求。

①创造施工场地布置条件：管道安装位置及附近已开挖场平，满足管道拼装焊接需求，同时管道焊接摆放位置临近下游面有一块宽约90 m 的冲洪堆积滩地，场地较为宽阔平缓，地层结构简单，均为砂卵石层覆盖，经局部修整加宽可满足6 台大吨位吊车的摆放。

②创造起吊回转半径条件：枯水期水位接近地表高程6.0 m，通过沿水流方向向下游按0.2%的坡度进行河床开挖，降低河床水位，使该处水位降低至5.0 m 以下高程即可满足吊装距离的布置要求。

③选择合适的摆放位置：根据设计要求，管槽基础开挖宽度为5.4 m，开挖坡比按1∶1 控制；根据理正边坡分析软件计算，钢管拼装轴线位置距管道安装中心线8 m 即可满足边坡稳定要求，考虑到砂卵石边坡可能发生局部垮塌等因素，为保证安全可靠，将管道拼装轴线摆放在距管道安装中心线10 m 处；另根据吊车自身结构尺寸，吊点中心位置可至距管道中心线17 m位置摆放，在位于起吊顺序2 时（管道已经进入水中，当管体淹没水中体积达到240 m3时，根据流体力学中阿基米德原理，此时水浮力等于管道自重，吊车起重重量为零），回转半径为14 m，可满足起吊要求。吊装过程如图1 所示。

4）6 台吊车同时抬吊的同步性研究

图1 钢管吊装示意图

采用6 台汽车吊抬吊钢管时，吊车的同步性至关重要。如何将各吊车在起吊过程中受力相对均匀、步骤一致、达到同步起升降落是抬吊的关键。为使每台汽车吊分摊的钢管重量均匀，起吊过程起升降落同步。本工程施工过程中采用一条主钢丝绳牵引各吊点副钢丝绳以及平衡各汽车吊受力，同时通过滑轮组来实现各吊点平衡和起降同步，各汽车吊吊点位置按照管道重量均匀分布原则，每隔17.5 m 布置一个吊点，各吊点连接示意图见图2，吊具选用见表1。

表1 所用吊具材料表

5）钢管水中安装就位

图2 各吊点连接示意图

过河钢管吊入安装沟槽后，可利用沟槽内水的浮力减少汽车吊受力，然后操作汽车吊将管道由起吊位置2 移动至起吊位置3。汽车吊缓慢降钩利用钢管自重没入水中，钢管进入安装沟槽后由于水的浮力存在，钢管无法顺利下沉，此时需利用水泵向管道内注水，当注水重力与钢管自重大于水对钢管的浮力时，钢管才能继续下沉，在注水过程中汽车吊不能松钩，并根据重量显示器上的数据显示来进行下降操作，当汽车吊的重量显示器上显示的起重量大于吊钩重量且不断增大时，停止注水，操作汽车吊下降，当显示器上重量回归至吊钩重量时继续注水，反复进行，逐次下降直至降到安装高程。经计算本次钢管下沉就位需向管道注水604 m3。

为确保钢管安装精度，在注水过程中，需做好以下几项工作：

①分别在管道两端焊接一个标尺（可采用Φ8 钢筋制作，做好高程标记），以方便观测管道的就位情况。

②在管道两端适当位置设置一个剪刀支撑，通过10 t 的手拉葫芦，对管道水平方向和竖直方向进行微调，以达到钢管精确就位的目的。

③在两端非过水断面端设置一横梁和限位挡板，限位挡板和横梁的位置及高程设置要与管道中心线桩号相匹配。

④分别在管道两端和上下游两侧准备适当数量的混凝土支撑块和2 台反铲挖掘机，当就位完成后，两侧同时进行填塞混凝土支撑块，防止管道偏移。

在管道就位过程中，6 台吊车可适当辅助就位，经测量仪器（可选用全站仪）观测。当安装就位满足规范要求后，预制混凝土支撑块进行填塞，将管节与横梁临时焊接，拆除剪刀支撑。作业人员进行手拉葫芦微调时，做好安全防护措施防止人员落入水中。钢管水下就位详见钢管水下就位示意图（图3）。

图3 钢管水下就位示意图

钢管安装就位后，利用汽车吊将预先分段绑扎好的罩筋吊起安放在安装位置，并做好连接，在罩筋安放时需注意控制沟槽两侧的位置及下放力度，避免罩筋触压钢管引起钢管位置变动，如有少量位置偏差可通过两端葫芦配合吊车对钢管位置进行微调确保安装精度。

6）水下混凝土浇筑

采用导管法进行水下混凝土浇筑，导管的直径为25 cm，每节长2 m，用橡皮衬垫的法兰盘连接，底部应装设自动开关阀门，顶部装设漏斗。导管沿沟槽以5 m的间距均匀分布。浇筑过程中，导管只允许上下升降，不得左右移动。开始浇筑时，导管底部应接近地基5～10 cm，而且导管下口必须恒埋于混凝土表面下约1.0 m，仅使表面一层混凝土与水接触。随着混凝土的浇筑，徐徐提升漏斗和导管。每提到一个管节高度后，即拆除一个管节，直到混凝土浇出水面为止。

浇筑过程中需注意钢管的位置变化，同时需间隔向管内注水，防止随着混凝土的浇筑过程中管身周围介质密度增大造成浮力增大引起浮管，确保安装位置精度，混凝土浇筑完成后进行养护，与水接触的表层约10 cm 厚的混凝土，因质量较差，最后进行简单清除。

一都溪过河钢管吊装过程如图4 所示。

图4 一都溪过河钢管整体吊装现场图

5 结 语

本文通过对福建省官烈勘探试验段隧洞工程一都溪过河钢管安装施工技术方案的优化和成功实施探索出一种新型的跨河管道安装施工方法，打破了常规以导流形式进行旱地施工的传统思维。在工程施工中利用起重设备对大直径跨河管道进行吊装安装，解决了过河钢管安装施工过程中碰到深厚砂卵石强透水地质围堰防渗的难题，同时避免了分期围堰施工周期长、资源投入大、受汛期干扰大等缺点。优化后的方案采用整体吊装大直径压力管道的施工方法可快速、安全、简捷、高效完成过河钢管安装施工任务，与原方案相比，大大缩减了施工工期，降低了工程造价，且减小了汛期影响。在资源配置、施工工艺、安全保障、施工工期、工程造价等方面有着明显优势。该过河钢管安装技术方案丰富了过河管道安装施工形式，对后续水资源配置工程中输水管道穿越河道、沟渠等类似涉河大直径管道安装工程有着重要的参考和借鉴意义。