浅谈沉管技术在管道穿越湘江中的应用

陈 涛

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司湖南分公司，湖南 长沙 410000）

1 项目背景

2020年3月底株洲二水厂芦淞大桥下游DN800过江管突然爆管，经过株洲水务集团调度中心进行的水下管外摸排和管道检测，发现管道存在重大缺陷，管道损坏严重或即将破坏，该管道使用年限已近30年，基本达到原设计使用年限，需重新更换。

2020年5月，公司接到业主委托后马上组织人员进行现场勘探测量以及方案探讨，由于项目跨越湘江，前期我们咨询了湖南省交通运输局、株洲市水利部门以及省内专家，采取沉管的施工方案对管道进行更换（原管道废除，新敷管道距原址北移25 m）。

工程位于湖南省株洲市芦淞大桥下游约300 m处（穿越湘江），管道为株洲二水厂主干管，项目起点为右岸白石港码头（x=3 082 332.235，y=498 483.890，西安80坐标系，下同），终点为左岸河西文化广场（x=3 081 694.997，y=498 490.129），采取沉管施工方案[1]，管道采用D1020×14 mm的螺旋钢管，双面对焊，沉管长度为620 m，两岸明敷段长度为45 m，全长665 m。

2 项目区施工条件

项目区处在亚热带湿润地区，受季风影响大。多年平均降水量为1 412.2 mm，时空分布不均，降水多集中于每年4—6月，降水占年降水的43%。工程位置处于湘江航电枢纽回水范围内，多年平均流量回水位为31.77 m（黄海高程），河底高程在22.52～24.06m之间。

根据钻探揭露，拟建场地的地层岩性较为简单，由上至下主要为淤泥质土、粉细砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，局部有圆砾。

湘江航道为Ⅲ级航道，两岸均有防洪大堤，交通条件便利。

3 沉管施工主要工艺

沉管施工主要工艺为施工测量—→水下沟槽开挖—→钢管组接—→钢管浮运—→钢管沉放—→管道试压—→沟槽回填—→竣工验收。

3.1 施工测量

平面及高程控制测量采用GPS测量位置及水下测深仪测量水深的方法进行。

在沟槽开挖到施工沉管过程中，测量工作必须始终进行，只有不间断跟踪测量，才能够保证沟槽的开挖质量。

3.2 水下沟槽开挖

水下沟槽开挖形式为“ ”型，下端为矩形槽，上端为梯形槽，下端（泥质粉砂岩层）采用带有旋挖钻孔设备的工作船旋挖钻孔成槽，上端（淤泥质土、粉细砂层）利用水下长臂挖机成槽，同时配备驳船运泥，将开挖料运送至指定的抛泥区。

3.3 钢管组接

钢管原材料为Q235b钢板螺旋成品卷管作为主材，加工尺寸必须符合设计要求。焊缝采用手动电弧焊双面焊接，每条焊缝均按规定进行超声波探伤检测[2]。

钢管为防腐钢管，在出厂前需完成内外防腐工作，再运送至场地，运送过程中要注意对防腐涂层的保护。钢管到达施工现场后，要对原材料进行检验，确保钢管的质量合格，再进行焊接组装。

3.4 钢管浮运

钢管组接完成后进行第一次气压试验，试验合格后利用拖船将整条管段旋转漂管过江，根据测量工程位置湘江河面宽度约为600 m，因此，钢管前面采用1艘36HP工作船拖拉，后面用5艘24HP的工作船稳管，将沉管拖至指定位置，等待下沉。

3.5 钢管沉放

沉管时期应选择在无雨少风的天气，水流流速不大于0.8 m/s下进行，沉放主要为以下5个步骤：

1）管道下沉前，各定位桩工程船先在指定位置落桩就位，随即两端用吊具通过抱箍将浮运管道吊起，中间吊点固定管道，完成工程船和管道定位工作。

2）打开管道两端盲板上进水阀和排气阀，用水泵从两端向管内注水，注水过程应间断进行，随时用工程船上扒杆卷扬机调整管道浮态，以免中心挠度过大损坏管道。

3）根据各吊点位置，通过管道弹性弯曲计算出各吊点起吊力，制订各吊点每次下沉时的深度，通过现场指挥完成管道沉放作业。

4）管道沉放到指定管沟底部后，立即用超深波测深仪测量管道的管顶标高，并派潜水员到水底实地观察管位情况。

5）管道经调整到位后，再进行第二次水压试验，试验合格后方可进行沟槽回填。

3.6 沟槽回填

沟槽回填方式由下往上依次为0.5 m厚粗砂垫底、2.0 m厚河卵石包管、1.0 m厚抛石压面[3]。回填料通过运输船运至沟槽回填点，利用抓斗式挖泥船进行水下沟槽回填，潜水员水下配合实施，保证回填质量。

3.7 竣工验收

竣工验收前进行管内清扫和冲洗消毒，直至水质管理部门取样化验合格为止。

4 设计中技术创新点

4.1 沉管的沟槽开挖方式

传统的水下沟槽开挖采用水下长臂挖机，但是由于本项目穿越湘江，枯水期施工水深在7.0 m以上，加上槽深3.5 m，挖泥船的臂长受限；同时河床地质为粉细砂和强风化泥质粉砂岩，挖泥船无法按设计开槽布沟。

本次设计根据项目特点，采用旋挖钻孔成槽的方式开槽，通过带有旋挖钻孔设备的工作船在设计管线路由上进行旋挖钻孔成槽，再运用水下长臂挖机对表层淤泥质土清理。

4.2 沟槽回淤处理措施

由于沉管位于湘江河道内，属于动水环境，覆土层在动水力及开挖搅动下容易将开挖沟槽掩埋，为减少回淤量的影响，本次设计主要措施有：①沟槽开挖断面设计成超深超宽断面，留有回淤余地；②合理安排施工工期，由于项目区在湘江航电枢纽的库区范围内，流速不大，工程选择在枯水期施工，减少水流对沟槽的扰动；③合理安排施工工序，保证钢管组接与沟槽开挖无缝对接，尽量减少沟槽闲置时间；④沉管下沉前，由水下潜水员配合水下长臂挖机对沟槽进行梳清，确保沉管前沟槽符合设计要求。

4.3 钢管及钢管焊缝要求

沉管选用3PE螺旋钢管，钢管规格为D1020×14 mm，钢管内外防腐在出厂前完成并进行检测，钢管采用12 m/根，尽量减少焊缝。焊接采用双V型坡口，双面对焊，每个焊口必须一次连续焊完，焊缝要求100%超声波探伤检测，确保整体管道质量。

4.4 管道沉管施工方式

管道采用直线漂浮下沉法施工，620 m管道一次焊接到位，整体下沉。管道岸上焊接，首节管端头利用带阀门盲板封闭，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，将末节管端用带阀门盲板封闭，利用拖船将整条管段旋转漂管过江，浮运至沉管指定位置，然后灌水自然下沉至设计槽位内。

5 应用前景

沉管技术较顶管、定向钻等传统技术方案相比，造价低且工期较短。沉管一般运用于穿越江河等地形复杂的有水环境，因此其大部分为水上或水下作业，这就要求实施单位水上施工设备（挖泥船、驳船、交通船、起重船、起锚艇等）齐全，且有类似工作经验，才能确保沉管施工一次成功。沉管施工对环境破坏小，仅在开槽阶段会对水质有一定影响，沉管回填后影响消失。

总之，沉管技术在管道穿越江河的施工应用中，能够节省投资约30%以上，且能够更高效快捷地达到目的，是管道穿越河流施工的最优选择。但是沉管施工要求精度较高，所以前期必须对穿越河道的地形做出精确的测量，对地质条件有详细勘探，设计方案时尽量多地考虑不利因素。

6 结语

沉管施工技术既能节省工期、节约投资，还能减少对水体的污染，同时无需搭建围堰，是管道穿越江河的一种经济环保，安全可靠的施工工艺[4]。但是沉管施工完成投入使用后，后期进行维护、维修难度较大，这就要求管道及焊接的质量严格达标[5]，施工精度严格控制，以确保管道能达到设计使用年限。