急流深河道河道管快速安装技术在沉管工程中的应用分析

王 池 黎昌源 王元文

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

0 引言

河道管一般包括河道沉管和架空管。河底沉管法是沉管技术的发展和延伸，采用河道管钢管在岸上一次焊接成型，将其在岸边搭设管道输送平台，在输送平台上焊接成型，通过卷扬机拉力将其拖动在河道水平面上，利用卷扬机和输送平台配合输送就位，然后灌水下沉，直至钢管沉放至设计底板高程为止，钢管安放后进行回填施工，代替传统的跨河管道采取的架空横跨河道或修建断水围堰的施工工艺，由于河底沉管及输送平台施工技术具有施工安全、周期短、成本低等优点，在城市供排水管道跨河施工中应用广泛。尽管河底沉管施工技术较为成熟，但由于河底沉管安装好后是长期沉入河底的，维修比较困难，对沉入河底的管道的焊接质量以及安装过程中控制钢管挠度要求较高。对于直径较大、跨河长度较大的河底沉管，普遍具有重量大等特点，且航道内不具备大型运输船舶进入施工作业区，亟需解决河底沉管运输至河道内的技术难题。另外由于河底沉管采用整体深入河底安装工艺，如何保证钢管安装过程中挠度变形、就位后轴线和高程满足设计要求以及保证下落过程中各吊点的平衡等，另外受沉管大小、水流速度、沉入深度、气候条件等不同因素影响，在实际应用中河底沉管安装定位、急流深河道管槽开挖回填和沉管安装仍存在很多难点，需研究一种能够保证河底沉管快速安装、控制钢管形变的方式，并配备相应的辅助设备工装，确保河底沉管的安全快速安装。急流深河道河道管快速安装施技术就能克服传统安装方法导致的不足和困难。本文结合马来西亚美里二期供水项目过河段沉管工程对就急流深河道河道管快速安装施技术进行应用分析。

1 工程概况

马来西亚美里二期供水项目过河段沉管主要是穿越Karap和Bakong河道的2条沉管安装，其中Karap河道段沉管桩号为DK7+755.13～DK8+045.37，全长290.248m；Bakong河道段沉管桩号为DK15+133.88～DK15+309.69，全长175.81m。河底管道铺设均采用直径1200mm MSPUL双管铺设，两管中心间距为2.75m，预埋河底2m以下。河底沉管直径较大，距离较长，每根沉管为10m，钢管壁厚15mm，重量为12t，沉管外侧有75mm混凝土包裹，包裹混凝土厚度要根据调试设计水压力计算数据取得，河底地质、河水位、河水流速及施工环境，沟槽的开挖及回填，设备的起吊安装，吊装运输，沉管开挖面积较大，开挖完成后整体河宽约260m，移动平台的搭设及管道在推拉过程中容易变形，且管头容易制动等均属于该工程的施工难点。由于Karap河航道区域水流速度较大，最大流速可达3m/s，水下沉管下水时最大接触面积1140m2，对水下沉管在下水期间推力较大，河道管槽开挖深度约3.5m，开挖坡度为1∶3，开挖工程量巨大，开挖过程中急流对开挖作业面有严重影响作用，该河流宽度约50m，重型设备船舶无法运输到施工现场，这些都是河底管道开挖回填安装面临的施工难题。

2 急流深河道河道管快速安装施工工艺

针对该过河段沉管工程面临的困难，公司决定采用急流深河道河道管快速安装施工技术。

2.1 工艺流程

施工准备→河底管道设计生产→河底管道输送装置基础混凝土施工→输送装置施工安装→河底管道接缝处施工步骤→河底管道固定系统施工→河底管道悬浮控制系统施工→河底斜管道安装系统施工→卷扬机及地锚系统施工→河底管道拉力受力装置施工→河底管道流水线作业→注水下沉→河底沉管安装完成→测量复测→水压试验→管道沟槽回填→河道管河岸边场地平整恢复。

2.2 河底沟槽开挖回填施工工艺

首先河道区管槽开挖采用GPS定位、GPS-RTK测量技术进行水下原始地形测量及分析，建立水下三维开挖模型和立边坡开挖数学模型。采用“长臂挖机+抓斗式挖泥沙船”联合开挖施工，长臂挖机负责浅水区，抓斗式挖泥船负责深水区域。采用“分层开挖法”，开挖坡比为1∶3，阶梯深度1m，确保边坡开挖比例及安全，见图1。设置沟槽开挖中心导向标，并基于GPS定位及测量技术进行实时检测，及时调整分层开挖顺序，实现急流中河底沉管水下沟槽开挖尺寸精确控制。采用“井点降水法”减少沼泽区域地下含水量，合理布置垂直排水管和土工布，改善开挖易塌落、回淤的情况。断面开挖采用“分层开挖法”，采用机械+人工的联合作业方式清表。利用超声波深度检测仪进行沟槽顶面高程控制。回填时要顺水流方向回填，勤测水深，勤测量对标，潜水员下水检测回填回淤情况[1]。

图1 河底沟槽开挖示意图

2.3 河道管快速安装施工工艺

集沉管对装、焊接及运输为一体的分离式运输装置分别设置组装区、焊接区及检查区，该装置基础采用钢筋混凝土制作平台，按照河底管道安装弧度或曲率采用钢板及H型钢作为立柱，立柱的高低可以控制河道管运行的弧度，以实现坡度与沉管在河道沟槽内坡度一致，管道中心与安装中心线一致。弧形管道输送安装装置属于河底管道及大型压力钢管现场输送安装技术领域，底座上固定连接有两个对称设置的受力支座，两个受力支座之间固定连接有若干块横向加强板，横向加强板与受力支座之间垂直连接，受力支座均固定连接有两块纵向加强支撑，两个受力支座的相对面对称开设有卡槽，两个卡槽之间旋转连接有滚轴，滚轴的两端固定连接有滚轮，滚轮为梯形圆柱体，滚轮的斜边到滚轮水平中线的距离从底座中心向另一侧逐渐增大。河道管输送安装装置具有弧形轨迹或具有坡度的管道输送、安装可有效降低操作人员的劳动强度、施工更加方便、可有效保护受力装置、人员受伤的安全风险也可大幅降低。河道管在河岸边操作平台上采用20T倒链，Ф25mm的钢丝绳牵引双管，通过倒链的松紧控制双管在支架上面的位移，防止沉管在组装过程中下滑，见图2。管道内部借助安全绳进行防腐焊接，施工过程中要加强通风[2]。

图2 管道下滑牵引装置系统立面图

河道管在岸边输送平台上组装、验收、试验完成后采用200T卷扬机，Ф71mm单根钢丝绳为河底双管提供拉力；在已换填沼泽地区域采用4根Ф500mm，12m长钢管桩作为受力基础，采用6m×5m×1m（长×宽×高）钢筋混凝土作为卷扬机平台。卷扬机布置在河对岸，其中心与管道中心一致。河道双管采用U型堵头连接，实现沉管封堵，堵头中心设置拉环、吊耳，同时河面上布置吊船用于辅助起吊U型头；将Ф71mm钢丝绳与堵头中心位置连接，见图3，在卷扬机牵引过程中，吊船起吊堵头，卷扬机缓慢拉动，使得管道沿沟槽缓慢前进。沉管堵头上设置导向标，随时检测沉管运行轨迹；每移动5m，采用GPS技术进行测量，保证管道精确定位。基于上述装置和技术，实现急流深河道河道管快速安装技术的应用，即：在分离式运输装置上进行管道的对接、焊接和焊口填充，形成流水线作业；采用起吊船吊装堵头，卷扬机牵引装置拉动管道在管道沟槽中缓慢前进，并辅以GPS测量检测，以此实现河道管快速安装技术的应用[3]。

图3 卷扬机与地锚连接布置图

2.4 急流深河道河道管施工装置安装

河底沉管在水下受重力、浮力、牵引力、拉力以及水流方向的推力，受力复杂，平衡控制难度大。河底沉管在水下受力复杂，且推拉力较大，施工过程中沉管挠度变形控制难度大。河道水流速度大，不能保证河底沉管在复杂受力条件下精准定位。针对河底管道安装、现场施工进度要求，项目部技术人员通过认真梳理施工流程、施工方式等，根据现场施工条件及施工要求研发了河底管道输送装置[4]。

河底管道对装、焊接及运输为一体的分离式运输系统是提供河底管道输送安装固定的装置，是对河底管道在急流中固定安装和精确输送，以实现准确、方便、安全地运输、快速安装的装置，是对具有弧形轨迹或坡度的管道同时输送、安装。输送装置采用12个支座按照5.48∶100的坡比（该坡比的确定是由河底管道的中心线运行曲率决定），间距为6m布置，支座顶部高程3.5m，支墩按照设计图纸位置及顶部高程施工，支座采用4.5m×1.5m×0.3m钢筋混凝土作为支座平台，混凝土内置Ф12mm钢筋4层间排距为200mm的螺纹钢筋。支座基础采用长12m，250mm×250mm方桩作为基础，每个基础6个桩点。输送装置包括：底座、受力支座、横向加强板、纵向加强支撑、滚轮、滚轴、同心加强轴承、卡槽、混凝土平台。底座上固定连接有两个对称设置的受力支座，两个受力支座之间固定连接有若干块横向加强板，横向加强板与受力支座之间垂直连接，每块受力支座均固定连接有两块纵向加强支撑，两个受力支座的相对面对称开设有卡槽，两个卡槽之间旋转连接有滚轴，滚轴的两端固定连接有滚轮，滚轮为梯形圆柱体，滚轮的斜边到滚轮水平中线的距离从底座中心向另一侧逐渐增大。

对称焊接于底座宽度方向上的两个受力支座，以及旋转连接于两个受力支座之间带有滚轮的滚轴，使用过程中，将具有弧形轨迹或具有坡度的管道放置于滚轮上，滚轮连同滚轴绕受力支座的卡槽转动，从而实现水平或斜坡面管道的输送，不再采用焊接吊耳挂手拉葫芦，将受力装置悬空，用手拉葫芦作为主要倒运操作机构，降低了操作人员劳动强度，施工更加安全，更加方便保护受力装置，人员受伤的安全风险会大幅降低，尤其是对具有弧形轨迹或具有坡度的管道的安装及其输送过程效果最为明显。底座是运输安装装置的基础平台，其作用是支撑受力支座并增大受力支座的接触面积，保证受力支座的稳定性。当受力支座重量较大时，可在底座下部浇筑混凝土平台，在混凝土平台上预埋螺栓，通过螺栓螺母将底座与混凝土平台进行连接。底座是由钢板或型钢加工而成的长方体框架结构，在长方形两个对称短边布置两个受力支座，主要用于弧形受力物体的支撑，即受力支座布置于底座的宽度方向。受力支座与底座之间焊接牢固。受力支座由厚钢板机械加工而成，其宽度与底座的宽度相当，高度可根据弧形受力物体安装高度进行确定，主要用于支撑弧形受力物体。

滚轴与受力支座上开设的卡槽旋转连接可以保证滚轴能够绕卡槽进行自由转动，从而在转动过程中带动滚轮转动，通过滚轴与滚轮的共同作用达到水平或斜坡面管道的输送、安装。滚轴是由钢材制作而成的实心圆柱体，与受力支座卡槽连接旋转，与滚轮共同作用，从而达到水平或斜坡面管道的输送。斜坡面输送坡度比较大时可增加防滑装置，河底沉管在河岸边操作平台上采用倒链、钢丝绳牵引管道。如防滑装置采用倒链在操作平台处牵引，通过倒链的松紧控制双管在支架上面的位移，防止沉管在组装过程中下滑。卡槽的设计尺寸应严格按照滚轴的尺寸略大设计，以保证滚轴能够在卡槽内进行自由转动。滚轴的两端进入卡槽后与轴承连接，从而减少滚轴转动过程中与卡槽之间的摩擦，避免摩擦损耗，延长受力支座与滚轴的使用寿命。滚轮的大小可根据实际使用需求进行相应的选择。

滚轮是由钢材制作而成的实心圆柱体，滚轮设计成梯形圆柱体，与弧形受力物体接触，用于输送及固定弧形物体。滚轮与滚轴之间通过同心加强轴承焊接牢固，同心加强轴承焊接于滚轴与滚轮相连接的部位。横向加强板由钢板加工制作而成，横向加强板与受力支座成90°对接，并将对接缝施焊固定，横向加强板主要用于连接加强受力支座，增加受力支座的抗弯扭矩力。受力支座均固定连接有两块纵向加强支撑，纵向加强支撑设置于两块受力支座的相背侧。两块纵向加强支撑分别位于受力支座中心轴线的左右两侧，两块纵向加强支撑距离中心轴线100mm。纵向加强支撑是由钢板制作，用于加强受力支座竖向受力，保护受力支座的安全稳定，位于受力支座的后方；通过焊接与受力支座相连接，位于受力支座中心轴线左右两侧，距离中心轴线100mm，主要防止设备在输送过程中受力支座的横向应力，从而达到受力支座的安全稳定，从而能够稳固地支撑滚轴、滚轮及弧形受力物体。纵向加强支撑与受力支座中心轴之间的距离为100mm，可根据实际需求进行相应的调整，在80～120mm范围内均可。滚轮上包裹有防滑塑性材料，滚轮在安装前可包裹防滑塑性材料，如防水面料等，目的是为了减少滚轮与管道之间的接触，防止被输送的弧形管道外壁刮伤或损坏。

河底管道对装、焊接及运输为一体的分离式运输系统是河底管道能快速施工安装的关键，该系统共计12个支撑设置三个区进行河底管道安装，从而形成流水线作业。能在最短的时间内完成河底管道的施工。三个区分别为：管道对接区、焊接区、射线检测区。管道对接区主要用于管道的对接，对接必须紧密，对接可通过电焊将两条管连接成整体；焊接区设置主要用于管道之间的焊接，该区必须设置防雨防晒棚，焊接区主要用于管道连接缝之间的焊接，焊接完成后，将进行管道焊缝检测；射线检测区主要用于管道焊缝的检测，每条焊缝必须进行射线RT检测，检测合格后才可进行下一道工序。检测合格后要进行两条管道接缝处外包混凝土的施工，首先对两条管道连接区域进行清理打磨，焊缝区域进行打磨处理，处理完成后进行塑性材料的包裹，塑性材料包裹完成后进行钢筋网片包裹，外包模板安装，进行速凝外包混凝土浇筑[5]。

3 结束语

急流深河道河道管快速安装施工技术在马来西亚美里二期供水项目过河段沉管工程中表现出施工工艺简便、安全系数高、可控性强等优点。河道管输送装置的研发使得河底管道在安装运输期间施工更加安全，河底沟槽开挖步骤及施工工艺控制能够有效防止沟槽垮塌，从而使开挖的安全风险大幅降低，河道管能快速安全地安装定位，结合技术规范对沉管实现高精度控制技术、实现现场人工操作向机械化、自动化的转型，该方法简单、节约成本、安装安全、定位准确。实践证明，急流深河道河道管快速安装施工技术有效克服了传统技术中的种种缺点，减少施工时间，合理管理和节省建造成本费用，在工程造价方面也有着突出优势。