超长大管径沉管施工在南水北调穿河工程中的应用技术

刘敬峰

摘 要：沉管法作为管道穿越河流的一种方法，具有适用范围广、施工周期短及工程造价相对较低等优点，但整体吊装、沉管难度大。该文结合南水北调配套输水管道穿越南拒马河倒虹吸沉管施工探讨了钢管沉管的施工技术要点。

关键词：输水钢管 整体吊装 沉管施工

中图分类号：TK2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（b）-0059-02

管道河底穿越一般有頂管法、围堰法、沉管法。管道过河方法的选择应综合考虑河床断面宽度、水深、水位、地质以及管道的管材、管径、管内水压等因素。本文结合南拒马河倒虹吸沉管施工实例，对沉管各施工工序及技术要点进行了详述，为沉管法的推广和应用提供了实践经验。

1 工程简介

工程位于保定市涞水县，属于南水北调配套工程水厂以上输水管道工程第四设计单元的节点工程，管道在西义安村东穿越南拒马河，穿越桩号为15+202--15+596，总长394m。穿越管道采用人工焊接钢管，钢材等级为Q345C，管道内径1.4m，壁厚18mm，管长12m。钢管外防腐采用环氧煤沥青，内防腐采用环氧白陶瓷。

主要施工重点及难点如下：a.钢管的焊接和防腐是保障工程施工质量的关键；b.由于管径较大且管道较长，进行整体吊装时整体偏软。

2 总体部署

在上游侧马道上进行整体焊接，完成后，通过多台大型吊车将管道整体吊入水中，依靠管道浮力，进行临时固定，通过人工牵拉就位。

3 沉管施工

3.1 管道焊接

穿河段直管长度为303.13m，在焊接前应对进场的成品管再次进行外观复检，检查管节在运输过程中可能造成的缺陷，并应予以消除。钢管及钢制弯头在管厂进行内外防腐施工，经验收合格后运至现场。管道整体焊接平台选在线路左侧10m马道内侧，平台宽2m，外侧8m预留吊装平台位置，利用水准仪测量、挖掘机、压路机、人工配合对平台进行整平压实，表面铺设10cm细沙，采用全站仪在平台上放出焊接管道中心线，接口部位下挖工作坑，以便于焊接。

管道焊接前应先修口、清根，管端端面的坡口角度为55°-65°，钝边P=1.0-2.0mm，两管节对接的间隙为b=2.0-4.0mm。管道对口时应使内壁齐平，采用300mm直尺在接口内壁周围顺序贴靠，错口的允许偏差不得大于2mm。对口调节好后可进行焊接，这时应将管段两端临时支撑固定，避免钢管重量集中在焊缝位置。所有焊缝要求宽窄均匀整齐，宽度要求为每边超出坡口边缘2mm为宜，焊缝余高要求为1.5-2.5mm，焊接表面要求焊波均匀，不得有裂纹、夹渣、焊瘤、烧穿、弧坑和气孔等缺陷。管道焊接后，刷防腐涂料前，先对焊缝进行外观自检；咬边深度不大于0.5mm，应逐口进行探伤检测，合格后及时进行接头的外防腐，其要求与成品管的要求相同。

3.2 水压试验

在直管段整体焊接完成后在焊接平台上做水压试验，管道两端焊接封堵板，封堵板两侧预留注水孔、排气孔，由水管引水入试压管道，通过试压泵进行加压，管道注满水后，保持0.2-0.3MP水压充分浸泡，浸泡不少于48小时，管道升压时要逐步平稳升压，每次升压0.2MP，检查所有接口，封板，排气阀等然后继续升压至1MP，保持恒压10分钟，未出现降压和渗水现象后试验合格。

3.3 吊装工艺

管段吊放入水是技术性较强和工程的关键环节，吊装过程中绝对不能对管道造成任何碰伤、扭裂，要求吊装一次成功，否则对工程的进度、质量、效益造成的影响是十分严重的。管段在平台上焊接完成后与水面还有8m的距离，钢管延米重为0.625t/m，直线段管道长度303.13m，本次吊装的斜管段长度大小里程各12m，吊装总长度为327.13m，总重约为204t（未考虑内衬重量），将管道每隔24m，绑一道揽风绳（人工牵拉就位时使用），绳长25m，在沟槽对岸施作砼地锚以固定。每台吊车采用人字形双吊点，吊点避开焊口，为防止应力集中，在每个吊点下侧设一个弧形护板，弧形钢板径向长1m，弧长1.5m，护板内直径0.73m，厚1.5cm。通过下述计算确定吊车数量及吊点间距。

3.4 吊车数量及吊点间距计算

综合管道焊缝间距（12m），吊车配置钢丝绳长度（约40m），吊装安全性等因素，初步选定吊点间距为11m。现依据《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》CECS141：2002中第7.0.1条，对钢管的变形量进行验算：

管道采用环氧白陶瓷内防腐，根据规范变形率取ψ=0.03；

管道计算内径D0=1416mm；

管道允许最大变形ψD0=0.03× 1416=42.48mm；

当吊点间距为11m，弧形护板长度为1m时，管道在吊装及自重作用下最大变形：

（1）

变形滞后系数取D1=1.1；

竖向力作用下柔性管道竖向变形系数Kb=0.089；

管道计算内半径r0=708mm；

跨度（吊点间距）为11m时单跨均布荷载F=1.1×π×（0.718?-0.7?）×78.5×11/1=76.2，其中1.1为安全系数，0.718为管道外半径，0.7为管道内半径，78.5为钢材重度，1为弧形护板径向长度；

钢材弹性模量EP=2.06×105Mpa；

钢管管壁纵向截面单位长度的截面惯性矩Ip=341.33mm4/mm；

由公式（1）计算得

=35.94mm≤ψD0=42.48mm，即当吊点间距为11m，弧形护板径向长度1m时，钢管变形量满足要求。

综上所述，同一吊车两个吊点间距11m，不同吊车相邻吊点间距也为11m，每台吊车为人字形双吊点，吊车间距为22m，管道两端斜管段各布置1台80t吊车负责保证管道首末段的斜管段竖直度不变。故共需吊车数量为327/22+1≈16台。

3.5 吊装方案

管道焊接达到设计要求后，即可进行管道整体沉放安装，16台吊车均匀布置在管道沿线的10m马道上，间距22m，钢丝绳采用外套管包裹，防止划伤管道，所有吊车通过旗语、口哨统一指揮，每3台吊车配一名副指挥，同步作业（为增加安全性，起吊前进行一致性、协调性演练），吊装共分起吊和爬杆两个阶段，首先按照起吊信号同步起吊后，当全管吊离地面50cm后停止起吊，调整钢管使其完全处于水平状态。而后根据指令统一进行爬杆将管道直接吊放入水，斜管段两侧吊车不动，其他吊车撤出吊装场地，利用皮划艇将揽风绳另一端送至对岸马道，人工牵拉揽风绳，控制好管段的形态及应力，在两端斜管段吊车的配合下匀速靠进管道中心轴线，在管道中心轴线侧斜管段各打设一根定位钢管桩，靠拢后将管道临时固定。复测管道轴线，定位后将揽风绳栓紧，进入就位状态。

3.6 沉管

定位后两侧同时采用4寸水泵开始注水，在测量监控下，钢管在水重和自身重量作用下下沉，注水时应严格注意，不得一次注水过多，应逐步注水，一次注水管道下沉不得超过20cm，待钢管稳定后5min后再次加水；为便于观测，在两端的弯起段每隔200mm标注清晰的高程点，通过两端的高程标注点控制管下沉的速度和确保管道平衡下沉，管道下沉每1m，进行1次吊点、吊力、管位的检查和调整，调整完成后在统一指挥下，在将管道缓缓下沉，当管道下沉至距离基槽底50cm时，再最后进行一次吊力和管位调整，在整个下沉过程中，要使管道受力平衡并且均匀，下沉要缓慢不能过快，吊装平台上预先准备20个大沙袋，当发现管道下沉不均匀，局部过高时，可通过吊放沙袋加压的方式纠正，钢管下沉时，揽风绳通过地锚同步缓慢松放，必须保证钢管的中心轴线位置。钢管就位后，复测管体里程、高程、轴线方位，符合要求后，在管道水平段每隔30m吊装一U形压块，以固定管道。

4 技术关键点

（1）吊装过程中，吊车司机及副指挥随时关注吊车起吊重量仪表，超过平均吊装重量后，及时调整吊力变化，防止出现单一吊车吊装重量过大，造成钢丝绳崩断和车辆损坏甚至倾覆，而致吊装失败，关键控制吊装设备的同步问题。

（2）沉管过程中保证管道均匀下沉，及时增加或减少管道上沙袋数量，防止因不均匀下沉导致的钢管变形或局部应力过大，造成钢管损坏。

（3）沉管完成后及运行期保证管道内处于满水状态，禁止抽排管道中水体，防止浮管。

5 结语

本工程于2014年7月1日进行了管道沉放，整个沉放过程安全有序，达到了设计及规范要求，沉管施工法获得成功。如此长度的大管径钢管采用沉管法施工在南水北调配套工程中应用尚属首次，本工程沉管施工的顺利完成有利于沉管施工法的验证及完善，为今后类似的工程提供了借鉴和参考。

参考文献

[1] 保定市南水北调配套工程涞高定干管穿越南拒马河倒虹吸工程设计图纸[Z].

[2] 给水排水管道工程施工及验收规范. （GB50268-2008）[Z].

[3] 保定市南水北调配套工程水厂以上输水管道工程第四设计单元施工第三标段招标文件[Z].