大型过江输水钢管水下敷设整体沉管施工技术

毛建平

（中国水利水电第十二工程局有限公司浙江，杭州 310004）

1 工程概况

广西桂西北治旱百色水库灌区输水总干管和南干管工程ZG9+863.500～ZG10+092.500 m段为总干管跨右江（东笋）沉管段，沉管采用公称内径DN2200、壁厚28 mm双钢管敷设。水下敷设后在钢管周边及上部回填砂卵砾石，固滨石笼护面，坡顶转弯处设置砼镇墩，斜坡处管道砼包封。跨右江（东笋）输水钢管采用水下敷设整体沉管法施工，沉管段全长178.288 m，水深6.48 m，河底沟槽设计高程109.800 m，槽深6.2 m，沉管最大深度12.18 m，两管间距1.2 m。

跨右江（东笋）输水钢管已于2021 年4 月20 日沉管到位，施工取得了圆满成功。

2 跨右江沉管处水文及地质情况

根据观测资料，跨右江（东笋）沉管处施工期水位116.280 m，流量692 m3/s，流速为0.8 m/s。

河床段地质情况：高程107.4 m以下为泥岩，高程107.4 m以上为河流新近冲积砂卵砾石，层厚2～4 m，松散～稍密状。跨江沉管基础置于基岩上，承载力满足设计要求。

3 工程特点和难点分析

（1）输水钢管管径2200 mm，如此大口径的水下敷设整体沉管在百色市尚属首次，在广西也为数不多，可借鉴的案例较少。右江流量大，流速快，沉管深度大，水下施工工序复杂，施工难度较大。

（2）该项目地处城郊结合部百色市城区右江上游，右江为通航河流，必须确保河段的通航安全；工程规模大、关键工序多，标准要求高、涉及多部门协调，管理跨度大，组织难度高。

（3）环保要求高。工程位于右江上，施工区域为百色市饮用水取水源地保护区。施工中必须采取有效措施，控制各种污染源，保护好周围生态环境。

（4）确保DN2200 大口径输水钢管一次性沉放到位，质量和安全风险加大，特别是一次性沉管段弯头处90°翻转要确保一次性成功，是本次施工的重点和难点。

4 总体施工方案及施工工艺流程

跨右江（东笋）大口径水下敷设整体沉管采用直线漂浮下沉法施工。水下敷设沉管先沉放上游管，后沉放下游管。管段岸上焊接，首节管端头带截门盲板封闭，焊接完成一节，溜放下水一节，利用管节自身浮力浮于岸边水面。待穿河钢管全部焊接完成后，将末节管端带截门盲板也封闭，利用拖船将总成管段拖运至沉管轴线下游右岸侧并固定，当确定沉管日期后将钢管浮运至沉管位置，然后在钢管中灌水自然下沉至设计管位。

水下敷设整体沉管主要施工内容包括：组装场地建设、水下沟槽开挖、软基处理、基础垫层，管道组装及气压试验、钢管沉管稳管、总成管段水压试验、水下级配砂砾石回填及整平、固滨石笼制作安装等。

沉管工程主要施工工艺流程如图1所示。

图1 沉管施工工序流程图

5 沉管前的各项工作

5.1 施工审批程序办理

沉管水下基槽开挖前一个月完成施工方案审批，由建设单位办理与航务、海事、应急办、环保等职能部门的审批备案手续，按照相关部门的审批意见做好施工准备工作，且在主流媒体上公告施工对航道的影响时间段、区域等。

施工区域沿岸竖立醒目的标志牌，以警示来往的船舶经过施工区域要减速慢行，在施工区段做好航道交通疏导工作，设置航标和航道频闪警示灯。

5.2 施工作业船舶进场

在办理好各项施工审批程序手续后，施工所需大型船只陆续进场。主要作业船舶见表1。

表1 右江（东笋）水下沉管主要作业船舶表

5.3 水下管槽开挖

根据埋深要求管道槽底高程为103.6 m，河床段槽底宽度为6.6 m，岸坡段槽底宽为6.6 m。为减少回淤量的影响，水下沟槽采用超深超宽处置，槽底宽度每侧超宽1 m，超深0.3 m。

当河床地层为粘土或砂砾石时，施工区域内深水区采用链斗式挖泥船开挖管槽基础；两岸浅水区岸坡采用定位桩式挖泥船开挖。当河床底层为泥岩时，采取水下爆破法施工。

5.4 管槽基础找平处理

基槽开挖完成经各方验收合格后，进行管槽基础找平处理，在管槽底部铺筑厚50 cm 的级配砂卵砾石找平层。

施工船将级配砂卵砾石运至回填区，将船舶定位，在船舷设置溜筒，由溜筒卸至管槽基础上。由潜水员用专用刮平尺进行水下粗平和细平。

平整好后，由潜水员用水下成像设备对开挖后成型情况进行水下摄影，报经监理、业主验槽。同时委托第三方对水下沟槽采取GPS+测深设备仪器进行检测。

5.5 钢管组焊及溜放下水

根据施工条件，钢管组焊及溜放平台设置在右江（东笋）沉管处下游约10 km处右岸侧。施工平台高于水面1 m，与岸坡成4°斜角。钢管焊接选用75 t履带吊进行管口组对，在每节钢管下端设置3 组发射架，供钢管溜放下水使用。钢管焊接完成一节，溜放下水一节，利用管节自身浮力浮于岸边。

钢管组焊工艺流程：钢管进场验收→钢管吊装→管口组对及清理→定位焊接→钢管焊接→焊后清理及修整→防腐处理。

为防止水流冲击对钢管造成弯曲应力过大损坏管道，钢管浮于水面时，管头采用有效起重能力50 t 起重船固定，管尾设两个地锚，通过钢丝绳固定。

5.6 气压试验

在钢管全部焊接完成溜放下水后，进行气压试验。在气压试验前，每一道焊接缝都经过了超声波探伤合格。气压试验时利用空压机向沉管内打气，气压缓慢升至1.7 MPa 后，用目视管道水下部分有无气泡和管道水面以上部分涂肥皂水的方法进行排查，若无泄漏及异常情况，气压能稳压60 min 不变，指针无颤抖现象，则气压试验合格。

6 水下整体沉管施工

根据现场勘察和施工条件，右江（东笋）沉管采用直线漂浮下沉法。在横管的前两天将总成管从下游的钢管制作场由拖轮经右江浮运至东笋沉管轴线下游侧附近，平行于右岸线停泊并锚定待用。

6.1 沉管时机选择

根据沉管施工安排，提前1 个月测量右江（东笋）沉管处的水面高程和流速，以7 d 为周期，每日测量间隔2 h，绘制右江水面的月（日）变化曲线，根据水面变化曲线确定沉管时间。沉管日期以右江流速较小的日期为佳。

具备沉管的天气条件：一是确定横管、沉管日期的前后4 d内没有暴雨、大风等极端天气，如果天气、水文条件不允许，沉管日期延后；二是充分做好应急措施，以应对突发的天气变差、上游泄洪等情况。在横管前若遇以上情况，在钢管上增加固定缆绳，固定在水上定位起重船和岸上地锚锚固点。

6.2 横管

6.2.1 横管方法

根据观测资料，横管当天沉管处右江相应河水位为116.28 m，流速小于0.8 m/s，风力小于4级。

采用5 艘起重船配合横管，横管时起重船已在过江管一侧（即凹起侧）就位并抛锚固定。右岸履带吊将管道尾部固定，1 艘75 kW 动力船将管端从右岸向左岸推出，随着拖管的长度增加，5艘起重船（编号分别为1#～5#）逐步收紧钢丝缆，水平划弧，旋转漂管过江。拖管过程中起重船控制浮运速度，根据实际情况控制浮运状态，使浮运时管道允许的曲率半径控制在弹性范围内，尽可能使管段直线浮运。为避免钢管外防腐材料破损，吊点处选用棉布柔性吊带采取兜吊的方式起吊。

由于钢管呈倒虹吸状，钢管的水平投影长度大于两岸距离，浮运时弯管部分平躺于水面，自然横管不能够使钢管横于基槽上，因此在管道基槽开挖时，两岸岸坡扩挖成“U”型槽（左岸“U”型槽长27.5 m，宽14.5 m；右岸“U”型槽长27.5 m，宽19 m），当管两端将与两岸接触时，停止横管，右岸管端先利用起吊船拖入右岸“U”型槽内，左岸管端利用75 t 履带吊及5#起重船共同起吊弯管段，将弯管段抬高1 m后就位于左岸"U"型槽内。横管施工轨迹见图2。

图2 横管施工轨迹示意图

6.2.2 管道翻转

当管道横管就位后，先将两侧弯头翻转30°，然后直管段起吊船将直管段吊高10 cm，使右侧弯头的高度低于其他管段高度，然后由管道右端开始注水，使注入的水向此弯头集中开始下沉，同时各起重船及吊车配合，边下沉边使管道自然翻转90°，实现弯管垂直于水面，从而实现整体弯管垂直向下，并让右侧弯头端先沉到河床。

6.2.3 管道横江过程中弯曲度控制

管道在横江运行过程中，管道浮于水面，受风向、水流因素影响，管道易发生弯曲变形，要严格控制管道的曲率半径，保证其强度和变形均控制在弹性范围内，否则管壁会因为受折而破坏。

横管拖运过程中，随时根据水流方向控制管段在水中的浮运状态，根据施工前计算好管道允许的弯曲半径计算出极限弦长，在浮运时随时对管道弯曲后弦线的长度L（L应大于极限弦长，本工程控制为123.617 m）进行跟踪观测，并及时沟通各拖运机械操作人员做好相应调整。务必注意缓速拖运，尽可能使管段直线浮运。

弦长观测工作从管道横江开始，到管头、管尾基本进入两岸边基槽位置为止。弦长测量方法为在管道两端设立标志点，在岸边架设全站仪测出标志点坐标，通过坐标换算两点间距离。

6.3 沉管

6.3.1 吊点布置

根据钢管的长度（173.54 m），共设计7个吊点，弯头斜管段吊点由两岸履带吊配合起重船起吊，直管段设3个主吊点，由3艘60 t起重船起吊。吊点应处于管道中心线上，以免在吊装时管道发生扭转。吊点设置见图3所示。

图3 钢管吊点设置示意图

6.3.2 定位

当管道横进基槽内浮于水面时，管道两端利用岸边的两台履带吊精确定位，水面利用起重船对管道轴线进行精确定位，两台全站仪立于两岸配合精确定位。钢管水中定位完成后，由于管道跨越右江，右江水流湍急，管道浮运就位下沉过程中水流会对管道产生冲击造成弯曲应力。这就必须考虑管道和稳管工程船的锚固点布置。其锚固点布置如图4所示。

图4 江中定位稳管及锚固点设置示意图

6.3.3 进（注）水

当横管定位完成后，即可打开管道的进水阀和排气阀，右岸端进水，左岸排放口排气，利用2 台水泵注水，控制缆控制管段保持好适当的位置形态，使管段在一端进水时另一端排气顺畅，防气阻和水锤的产生。进水阀和排气阀设置示意图见图5。

图5 进水阀和排气阀设置示意图

6.3.4 下沉就位

灌水过程中，密切关注灌水总量，当管体和水的总重量略大于浮力时，此时沉管处于临界状态，管道开始下沉。因管内的水流动空间较大，保持管体平衡是沉管下沉的关键。沉管总指挥根据管道排气端的排气情况分多次指挥各吊船同时平稳匀速释放吊索，使钢管逐渐下沉。在管道下沉过程中，起重船主要控制管道形态，下沉过程中务必控制下沉速度，各吊点同时不断进行调整，使管道均匀下沉，管道受力控制在容许范围内。

管道每下沉1.0 m，岸上测量仪器根据起重的吊钩和起吊钢丝绳作为参照物，确定管道的轴线位置，进行一次吊点、吊力、管位及船位的检查和调整，调整完成后再将管缓缓下沉。

当管道轴线长度方向每下沉10 m后，潜水员下水检查管底与基槽接触的均匀程度和紧密性，管下如有冲刷，大量时采用碎石铺筑，少量时采用中粗砂铺筑。沉管就位后，安放楔子并固定好沉管两端端头，稳定管体。

在管道下沉过程中管道变形应力最大的两个点是即将着河床段和水面即将下沉段（见图6）。利用起重船的吊点调整管道下沉的姿态，让管道变形应力控制在允许范围内。期间不断地复测管体高程和方位，若有偏差，由起重船配合移动管体纠正。

图6 沉管过程中管道示意图

6.4 沉管后水压试验

（1）预先制作两块闷板和钢管直接焊接，并在闷板上焊接横向、纵向加强筋固定。闷板厚度为26 mm 的Q235C 钢板，闷板上分别设进水阀、排气阀、压力表。

（2）试压前将钢管内充满水，排尽空气，钢管充水浸泡时间为24 h。

（3）水压试验压力采用1.5 倍设计压力。管道试压应满足《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268-2008）的相关规定。

7 沉管后的管道加固和保护

根据设计要求，沉管段就位后，在管道周边及管顶以上回填1.9 m 级配砂卵砾石，上部采用厚1.0 m的固滨石笼护面固定管道防止冲刷。

7.1 管身两侧及顶部回填

管身两侧回填级配砂卵砾石，采用溜筒回填，施工方法同管槽基础回填，施工时需注意管身两侧均衡卸料，潜水员随时下水检查回填效果，防止一次性水下某个点堆料太多挤压管道位移。

管顶回填采用自卸船回填。先由一艘工程船抛锚定位在管道轴线上方，岸上的全站仪准确定位工程船的网格化位置。装载量36 m3自卸船靠泊上定位船后，由岸上的全站仪确定位置准确后再开仓卸料。自卸船回填施工中采用“划分小区、转船定位、定量抛投”的方法，以达到“抛足、抛准、抛匀”的质量标准。

7.2 固滨石笼保护

沉管段石笼防护范围宽23.6 m，水平投影长度204 m，固滨石笼在岸上拼接填石组装后再利用起重船吊入安装到河底。其施工工艺流程：抛前水下地形测量→施工网格划分→测量、放样→石笼制作→石笼填石→抛石笼→施工完工后水下测量。

固滨石笼顶部再回填1.0 m厚级配砂卵砾石与现状河道持平。

8 结语

（1）大型钢管水下敷设整体沉管施工工序复杂，具有一定的施工难度，管理跨度大，组织难度高，必须建立健全统一的组织机构和一个强有力的指挥协调系统，统一指挥、协调沉管的各项工作。

（2）大型钢管水下敷设整体沉管施工前，必须掌握沉管期间的气象，河流上下游的水文、水情，详细摸清沉管轴线附近的水下旋流、涡流情况，了解河床的地质情况，为大型钢管水下敷设施工提供基础材料。

（3）水下敷设整体沉管施工可实现水下基槽开挖和基础处理、两岸坡相关设施施工、钢管制作及溜放的平行作业，可以加快施工进度，缩短工期。

（4）过江管道整体沉管施工技术能实现钢管全部在岸上焊接，确保了管道焊接安装质量，实现管道精确定位入槽，保证管道的挠度、弯曲半径、抗扭、抗剪、抗折应力在安全值内。

（5）大型水下敷设整体沉管施工工艺合理、可靠性高、适用性广、可操作性强，与常规的围堰法施工相比较，可解决沉管难以解决的大跨度穿越、深水穿越问题，施工水域封航时间短，对航运影响不大，对下游不会产生污染，降低劳动强度，减少不安全因素，具有明显的经济效益和社会效益。