沉管跨越河道法施工在刚果(布)朱埃河工程中的应用

陈方葵,何　俊,李　婷

(1.安徽水安建设集团股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603；3.安徽建筑大学管理学院，安徽 合肥 230601)



沉管跨越河道法施工在刚果(布)朱埃河工程中的应用

陈方葵1,何俊2,李婷3

(1.安徽水安建设集团股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603；3.安徽建筑大学管理学院，安徽 合肥 230601)

摘要：本文结合刚果(布)朱埃河过河钢管工程采用沉管技术穿越的工程实例，阐述了过河管道沉管施工中的技术措施和应注意的问题。在朱埃河工程中实施的沉管施工方法，施工简单，安全可靠，施工成本低、进度快。在工期、成本、安全、质量等方面均达到了预期的目标。整个沉管过程安全有序，达到了设计要求，为以后类似工程施工提供了借鉴。

关键词：河道；抽砂泵；抽砂成槽；沉管；定位控制；泥沙类河床

0引言

管道穿越河道工程的施工方法常见的有盾构、顶管和围堰基坑法等。盾构和顶管法适用于管径较大、管线地基基本不穿越岩层、孤石、漂石层的工程，围堰内开挖基坑法则适合河流基本无通航要求、河水不太深、导流工程不复杂的情况。而沉管施工是穿越水深较深、围堰施工困难、有通航要求的水域的主要方法之一，目前在水利工程和市政工程中已广泛运用。

刚果(布)Djoue UCD水站至Mayanga水池的一段DN600的钢管管线，跨越朱埃河。管线过河处位于朱埃河的渡口处，采用沉管跨越河道法施工。[1]

本文结合跨越朱埃河的DN600mm钢管沉管工程，陈述了沉管跨越河道法施工的主要技术措施，意在为今后类似工程积累施工经验。

1工程自然条件

1.1地形地貌

朱埃河流域自北向东南延伸，流域平均长度为125km，平均宽度为46km ，集水面积为5740平方公里。管线过河处为朱埃河干流渡口，水面开阔。旱季主河道宽78米，河流水深最深处为3.7米。河道西岸岸坡较缓，东岸岸坡相对较陡。[1]

1.2气象、水文情况

刚果(布)1月中旬至5月中旬为大雨季，5月中旬至9月底为大旱季，10月初至12月中旬为小雨季，12月中旬到次年1月中旬为小旱季。雨季降雨频繁，雨量大，冲刷能力强，对道路毁坏较重。

现场对水面的流速进行了简易测量，测量结果见表1。[1]

图1　朱埃河过河段水流速测量表

测量成果：1.平均流速=总距离/总时间=50/62.41=0.801 m/s；2.本测量未考虑风速及水摩擦力对漂浮物的影响。

1.3土层地质状况

现场检测朱埃河过河处浅滩的土质，见表2。

表2　朱埃河过河处浅滩的土质

测量方法：在河道西岸节点26附近(距水边3m)处，进行坑探，探坑挖深5m。

勘测结果：1. 5米以内土质绝大部分为含砂量20%左右的亚粘土；2.渗水情况：挖坑2m左右开始渗水。

经简易探测，河道底部沙层厚为0.4—1.7米砂质层，纵断面图见图1。

2沉管法跨越施工工艺[2][3]

抽砂沉管法是利用抽砂泵将河底的砂层抽走形成沟槽，将制作好的管道沉入槽内就位，就位后在两岸河边浇筑混凝土镇墩，固定河道中的管道。具体方法简述如下：

2.1测量放线和准备工作

首先对管道线路进行测量放线，确定管线位置及高程。在管线两侧漫滩位置填筑砂石料并进行碾压，构筑两个工作平台。工作平台局部台面予以硬化，用于焊接管线及设备操作。工作平台构筑计划于3月份(旱季)进行，其高度根据现场实际水位情况而定。

2.2混凝土墩施工

在河两岸浇筑混凝土墩，混凝土墩中心连线位于过河管线的上游并平行于管线。混凝土墩为圆柱形钢筋混凝土结构，直径1米，埋深4米，地上部分为1米，每座墩内竖直埋入2根C20槽钢，埋深2米，露出1.5～2米。两岸混凝土墩上槽钢用钢丝绳连接，作为水上作业定位钢缆。墩后3.5米处分别打设两根2米深浅桩，用钢丝绳与槽钢顶部连接，以便抵抗跨河钢缆拉力。混凝土墩采用DN1000混凝土管做外模，采用放坡开挖法(或沉井法)施工，管内下入钢筋笼，灌入混凝土。

2.3管道连接

图1过河纵断面图

在工作台上进行DN600钢管焊接及抽砂船组装工作。管道一次焊接直管64米，两侧分别连接25o、30o弯头，河道缓坡岸焊接3米短管，陡坡岸焊接6米短管。使过河管道与河底坡度基本相同，管底最深处距水面4.09米，管道平均埋入砂层0.42，最小埋入砂层0.2米。抽砂船采用3mm钢板进行组装，抽砂船长为3.5×2×1(长×宽×深)米，内装两台柴油发动机，分别带动一台4英寸送水泵及一台6英寸抽砂泵。送水泵搅动砂层，抽砂泵进行抽砂。管道的制作成型与开挖沟槽同时进行或提前进行。管段焊接完成后，进行整体水压试验，合格后进行管口防腐处理。管道外侧防腐采用二布四油环氧煤沥青防腐，内侧采用食品级环氧涂料采取抽拉的方式补涂。

2.4河底抽砂

在两岸混凝土墩预埋的槽钢上，系Φ22的钢丝绳，用来定位抽砂船。抽砂船依附钢丝绳，沿过河管线中心位置，用抽砂泵深入河床底部抽砂成槽，成槽断面宽度视现场实际情况而定，抽出的砂土直接泵送至下游弃土区(以不影响过流断面和环境为度)。当沿管道中心线砂层形成0.5米以上深的沟槽并与管线设计高程基本吻合后，进行管道安装。抽砂时为保证抽砂位置不偏离过河管道中心线位置，首先在该中心线两岸延长线上每岸设两个标志桩，使抽砂船以岸边标志桩为参照物，确定位置，并用经纬仪或全站仪跟班进行定位监测；其次，抽砂泵水平位置固定在抽砂船上，垂直方向可上下移动，水平方向固定，保证沟槽的平面位置正确。

2.5管道安装

(1)管道采用整体浮运，下水前管道两端管口采用盲板封堵，并在两端盲板上各设置一个进水管阀门(闸阀)、一个排气管阀门(闸阀)。管道在水中浮运时，所有阀门关闭，对岸一侧用设备牵引管道，将管道缓缓牵入水中。为保护管体及减小摩擦力，管底采用圆木做滚杠，并用吊车配合作业。

(2)管道牵引至安装位置后，用仪器监测定位。就位后，由进水阀泵入清水，排气阀排气，谨慎控制进水速度和水量，缓慢下沉，以便调整下沉位置。

(3)沉管安装：沉管时管道两端采用吊车进行调整，抵抗冲力及管线平面位置调整利用四道横向拉索，拉点分别挂在岸上的四个混凝土墩上。拉索连接手动葫芦，便于调节管线位置，手动葫芦设置在横向拉索上，靠近岸边，便于人员在陆地上操作。水上配合管道就位的人员利用船只依附过河钢索进行操作，过河钢丝绳采用Φ22的钢丝绳。吊装时应保持管道水平，并同步沉放于槽底就位，将管道稳固后，再撤走起重设备。

(4)在管道安装时，如沟底不平，管道不能平稳落于沟槽，采用抽沙泵及潜水员水下局部处理。

2.6石笼护管

为避免水流冲刷过河管道，管道就位后，在管道两侧局部抛石笼护管。抛石笼时利用河上钢索滑轮将石笼挂在钢索下，以船牵引石笼至抛掷区，放下石笼。

2.7过河管道安装就位

管道安装就位后，在管道弯头处用砂袋做模，浇筑混凝土镇墩，以便稳定过河管道。

2.8系统连接

上述管道过河段位于主河槽，主河槽段施工后，进行两岸漫滩管段施工。主河槽与漫滩处管道连接采用法兰连接，减少带水作业难度。在管道预制焊接时，管端焊接钢制法兰(沉管注水时，此法兰与封堵盲板相连，卸下盲板后，与两侧管道系统相连)。接口施工采用土袋围堰，形成作业坑进行连接。

3混凝土墩的稳定验算

混凝土墩的的主要作用是固定河道中的管道，根据所受荷载，计算出桩的水平拉力、被动土压力，绘制混凝土墩的受力图，见图2：

图2混凝土墩的受力图

3.1桩的拉力计算[4-6]

(1)水流对船的冲力

F=2ρSv2=2×1×103×0.9×12 =1.8×103N

式中 ρ：水的密度 ρ=9.8KN/m3

v：流速V =1m/s

S：船迎水面积S= 2×0.45=0.9m2

抽砂船船吃水深度计算：

船自重=[(3.5+2)×2×1+3.5×2]×0.003×7800=421.2kg

(抽砂船长×宽×高=3.5m×2m×1m，钢板厚3mm)

船上设备、发电机、泵体、操作人员=2500kg，按3000kg计。

浮力=3000kg=3.5×2×h×1×103kg

抽砂船吃水深度 h=3000/(3.5×2×1×103)=0.429m，按h=0.45m计

(2)Φ22钢丝绳重量

165kg/100m=1650N

桩的水平拉力 T水=(F+G)tgα=((1.8+1.65)×45/2)/2=38.8KN

3.2被动土压力(利用朗金被动土压力定律)[8]、[9]

Ep=1/2γpKp=1/2×18×42×1.92=276.48KN(埋深4米)

式中 γ：砂土容重γ=18KN/m3

H：埋土的深度

Kp：被动土压力系数=tg2(45+35/2)=1.92

3.3稳定验算

对a取力矩

Ma拉=38.8×1.2=77.6KNm

Ma抵=276×4.8=1324.8KNm

Ma抵>1.3 Ma拉=77.6*1.3=101 KNm

3.4槽钢截面验算

每侧采用2根C20槽钢

最大弯矩位于槽钢底部

Mmax=38.8×1.2=46.56 KNm

最大正应力σmax=Mmax/Wz=46.56×1÷167.2÷2=0.139×103MPa

Q235钢的屈服极限为[σ]=235>139×1.3=180.7 MPa

4管道沉管受力情况

4.1管道漂浮在水面时的受力分析[7-10]

管道的重力G=(0.3162-0.32)×3.14×75×7.8*10=181KN

假设管道全部淹没时，水的浮力 F浮=0.316×0.316×3.14×75×10=235KN

因为F浮>G，所以此时管道漂浮在水面。

4.2管道在注水后下沉时的受力分析

当管注满水下沉时管的Gmax=181+0.3×0.3×3.14×75×1×10=393KN

这时水的浮力 F浮=0.316×0.316×3.14×75×10=235KN

管的下沉力 T=393-235=158KN

水流对管的冲力F=ρSV2=1×0.6×72×12×10=432KN

混凝土墩的应力验算

σmax=Mmax/Wz=432×103÷4×1÷(3.14×1.13÷32)=0.826×103MPa

[σ]=1.5>0.826×1.3=1.074 MPa

钢筋混凝土墩的截面计算满足要求。

5结论

沉管法在穿越河道的管道工程施工中是最简捷的方法之一，主要适用于泥沙类河床质的河道。有砂性土层的河床透水性很强，不利于顶管法，安全不能保证。钢架跨河法，河道跨度较大，成本较大而且不美观。

水下沉管施工与围堰内开挖埋管施工方法相比较，开挖和回填的土方量少，节约成本，对水体等周边环境影响小，对通航影响较小，施工工期可控；与顶管和盾构等施工方法相比较，经济效益明显，技术要求低，在工期紧张的情况下是适宜的施工方法。但其需要一个较大的场地；在河床地形地貌复杂的情况下，会增加施工难度和造价；管道浮运和沉放施工需考虑水文和气象条件等的影响。此外，钢管的焊接、防腐处理等要求非常高，且在投入使用后进行维修相当困难，因此对施工过程中的质量控制要求高，在施工中必须一次成功。

在朱埃河工程中实施的沉管施工方法，施工简单，安全可靠，施工成本低、进度快。在工期、成本、安全、质量等方面均达到了预期的目标。整个沉管过程安全有序，达到了设计要求，为以后类似工程积累了实践经验。

参考文献

1吕凤志. 非洲刚果(布)给水管道过朱埃河总结(R) .吕凤志 2013.

2刘灿生，给水排水施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

3刘敏林.沉管施工技术在过河管道中的应用[J].西部探矿工程，2004(9)：165-166.

4国家技术监督局，中华人民共和国建设部.GB50268-97给水排水管道工程施工及验收规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1997 .

5中华人民共和国住房和城乡建设部某某或某某委员会.GB50268-2008.给水排水管道工程施工及验收规范国家标准[S].北京出版地：中国建筑工业出版社出版社.出版2009年.

6北京燕化天钲建筑工程有限责任公司.YHTZ-ZY-009《压力管道安装通用工艺标准》[S].北京：北京燕化天钲建筑工程有限责任公司2013.YHTZ-ZY-017.

7国家人民防空办公室.GB50108-2001《地下工程防水技术规范》[S].北京：中国计划出版社.2001.

8中国建筑工业报出版社.GB50208-2002《地下防水工程质量验收规范》[S].北京：中国建筑工业报出版社.2011.

9中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》[S].北京：中国建筑工业报出版社.2012.

10中国土木工程学会.JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》[S].北京：北京市住房和城乡建设委员会.2012.

Application of Construction Method in River Crossing Pipe Engineering
at Zhu’ai River in Congo(Brazzaville)

CHEN Fangkui1, HE Jun2, LI Ting3

(1.Anhui Water Safety Construction Group Co., Ltd，Hefei 230601,China；

2.Anhui Water Conservancy Technical College，Hefei 231603,China;

3.The School of Management of Anhui Jianzhu University,Hefei 231601,China)

Abstract:Based Zhu'ai River construction in Congo (Brazzaville) as an example, to illustrate the technical of immersed tube technology to implement river-crossing, and technical measures in construction and the problems that should be paid attention Immersed tube construction method, implemented in Zhu'ai River in engineering construction is simple, safe and reliable, low cost, fast construction progress. In the period, cost, safety, quality and other aspects have achieved the expected goal. The whole process of immersed safe and orderly, meet the design requirements. It provides reference for similar engineering construction in the future.

Key words:river；sand pump；sand pumping trough；immersed tube；positioning control；Sediment transport

收稿日期：2015-05-18

作者简介：陈方葵(1963-)，男，高工，主要从事水利建筑、市政工程施工、工程管理等工作。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150609

中图分类号：TU411.01

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)06-042-05