沉管技术在广西输气管道河流穿越中的应用

房海晓 孙 禹

广西天然气管道有限责任公司, 广西 北海 536000

0 前言

广西输气管道工程是国家重点工程,起于广西北海市铁山港区,主干线敷设至广西全境,粤西支线敷设至广东西部地区,途经北海、钦州、南宁、湛江、茂名等地市。广西输气管道主干线管径为Φ 813 mm×17.5 mm,粤西支线管径为Φ 559 mm×12.5 mm,防腐结构为常温加强型3层PE,设计压力为10 MPa。九洲江、郁江、红水河三条大中型河流穿越均采用沉管技术施工[1],但根据河流自然条件沉管施工方案又各有不同。

九州江穿越位于粤西支线,位置为广东省廉江市石岭镇上坡仔村,穿越管道接点之间水平长度486.72 m,管道实长491.38 m;郁江穿越位于主干线,位置为南宁市横县六景镇六景村,穿越管道接点之间水平长度482.99 m,管道实长491.68 m;红水河穿越位于主干线,位置为广西来宾市兴宾区高龙村和毛塘村,穿越管线接点间水平长度312.69 m,管线实长347.74 m[2]。

1 自然条件对比

1.1 地形地貌对比

九洲江穿越区域属河谷—平坝地貌单元,穿越段河床两侧地形平坦开阔,起伏较小。河床呈对称“U”型,两岸坡角约45°,两岸均为土质岸坡,均有防洪大堤,高出地面3.4～4.0 m。

郁江穿越区域属河谷地貌单元,北侧属于山间洼地,附近地势较平缓,起伏不大,南侧属河漫滩地貌,地势平缓,为农田[3]。

红水河穿越区域南北两岸属溶蚀准平原,地形平坦、开阔,喀斯特地貌特征明显,河流两岸皆为天然陡坎,两岸岸坡高约40 m,坡度约55°,临水面处坡度约88°。

通过三条河流两岸地形地貌对比可以看出,虽然九洲江穿越、郁江穿越的长度大于红水河穿越的长度,但红水河穿越与其它两条河流穿越沉管施工相比难度相对较大。红水河地处喀斯特地貌区,两岸的天然陡坎高度高、坡度大、石方多,给沉管施工带来不小的困难。

1.2 地质条件对比

九洲江河床地质主要为粗—砾砂、淤泥质土、砂夹粘土、粘土、粉质粘土、粘土夹卵砾石、卵砾石夹粘土和砂夹卵砾石,下伏基岩为泥质灰岩、灰岩。河底管沟开挖土方量58 500 m3,石方量7 200 m3。

郁江河床底部地层上部为第四系全新统冲洪积粘土、淤泥质粘土、粉质粘土、卵石和角砾[4],下伏泥盆系中统石灰岩、泥质灰岩和泥盆系下统泥质砂岩。河底管沟开挖土方量19 500 m3,石方量16 500 m3。

红水河河床地层上部为第四系上新统坡洪积层粉质粘土,下伏基岩为石炭系中统灰岩[5-6]。河底管沟开挖石方量15 000 m3,沟底开挖土方量较少。

1.3 水文条件对比

九洲江穿越区域属于丘陵山区地带,从海洋吹来的暖湿气团受到该地区山岭的阻挡,抬升后与山区冷空气遭遇,形成较大降雨,降水量年内分配极不均匀,降雨主要集中在6～9月，百年一遇洪水流量4 781 m3/s,最大冲刷深度2.6 m。

郁江是珠江流域西江水系最大支流,为常年性河流,主要补给为大气降雨,受季节影响明显,百年一遇洪水流量19 000 m3/s,最大冲刷深度2.85 m。

红水河属珠江流域西江水系,河道弯曲较大,全年降雨集中在春夏季,百年一遇洪水最大流量25 700 m3/s,主河槽最大流速3.498 m/s,岸坡冲刷深度1.19 m,穿越段河床为裸露灰岩,河床冲刷深度0.01 m。

通过气象水文条件对比可以看出,三条河流受季节性降雨影响较大,雨季流量大、流速高时不利于沉管施工[7],故三条河流施工均于旱季。郁江水流量最大,漂管、沉管作业时需注意船只和管道的固定;九洲江水流较为平缓,比较适合漂管、沉管施工[8];红水河旱季时流量较小,但因其石方河床下有溶洞,河底水流有旋涡、紊流,沉管时需要特别注意。

2 沉管技术对比

2.1 管道预制对比

九洲江穿越预制管长404 m,材质为Φ 559×12.5 mm X 65 M PSL 2级SAWL钢管,防腐方式为常温加强型3层PE防腐。因东岸原作业带超过300 m范围内没有转角,且地势较好,故利用其作业带内进行穿越管道预制。预制管与河道相垂直,整管预制[9]。

郁江穿越预制管长420 m,材质为Φ 813 mm×17.5 mm X 70 M PSL 2级SAWL钢管,防腐方式为常温加强型3层PE防腐[10]。由于场地受限,选择在郁江北岸边滩上作为焊接施工平台。预制管与河道相平行,分两段进行焊接拼装,单段拼接长度210 m。

红水河穿越预制管长251 m,材质为Φ 813 mm×17.5 mm X 70 M PSL 2级SAWL钢管,防腐方式为常温加强型3层PE防腐。根据红水河穿越地理位置及地形,选择位于穿越位置上游约800 m的一处浅滩进行管道预制,浅滩基本是岩石,无植被,高差在4 m左右。利用此处焊接管线,对场地进行填土整平,预制场地形状约为50 m×250 m的长形带状。预制管与河道相平行,整管预制,两段弯头均同时预制完成。

相较而言,九洲江穿越施工较为便利,预制管位于主线路作业带中,直接垂直于河道发送入水即可;郁江穿越和红水河穿越不具备直接沿主线路方向入水条件,采用的是另开辟预制场,入水后进行漂管作业,漂至指定位置后再沉管;郁江穿越预制管较长,整段入水难度较大,故而分两段漂管,在水上平台组队焊接[11]。

2.2 漂管方式对比

九洲江穿越采用浮筒漂浮系统漂管方式,由施工单位根据现场实际情况自主研究设计。由于配重形式为“对夹式配重块”,配重块在管道预制过程中一并安装,管道无法自行漂浮,需要浮筒辅助。

郁江穿越采用自身浮力漂浮漂管方式[12],密闭的管道经计算自身浮力大于自重,可以在水中漂浮。预制管采用吊车吊装发送,入水后,利用牵引船牵引管段漂浮至规定位置进行水上组对焊接。

红水河穿越采用自身浮力漂浮漂管方式,预制管采用吊车吊装发送,入水后,利用牵引船牵引管段顺流而下,漂浮至规定位置。由于红水河水流较急,漂管距离较长,为避免因河水湍急而造成管线下游段弯头变形、管线横移、不平稳等现象,由6艘船只配合牵引。

相较而言,采用不同的漂管方式主要是因为管道配重形式的不同,当管道配重过大,自身浮力不足以漂浮时,就需要采用额外的浮力系统,如九洲江穿越施工采用的自制“浮箱”；郁江穿越相较于九洲江穿越,增加了水上焊接的工序,就需要增设水上作业平台,以方便组对焊接、检测补口等多个工序的施工[13]。

2.3 沉管方式对比

九洲江穿越采用松放倒链,自重下沉沉管方式。“浮箱”设计有人站平台和倒链,漂浮筒上每两人用一个对讲机,由专人统一喊话,统一松放倒链,每次松放 0.5 m 长度,每送一步待管道缓冲稳定后,再送倒链,以保证管道平衡有序逐步下沉就位[14]。

郁江穿越采用安装铸铁配重块下沉沉管方式。管道浮运就位后,各吊装船抛设八字锚全部固定稳住整管后,把整管吊高出水面。按设计要求安装铸铁配重块,间距1.3 m,每块加工成内圆外方两块,把配重块套在管外壁并用螺栓固定。安装完成后,各起吊船统一指挥,每次下沉0.5 m,并同时进行管中线与基槽轴线校正的测量监控工作,在接近河床底部位置时,派潜水员对管道与管沟中心线的相对位置进行检查,保证沉管就位[15]。

红水河穿越采用安装铸铁配重块下沉沉管方式。根据管道两端的情况分多次指挥各吊船放松钢丝绳,使钢管逐次下沉,每次下沉不得大于0.5 m。管道逐次下沉,各吊点同时不断进行调整,以保证各吊点的合理分布。管道下沉后,派遣潜水员潜至水下基槽,进一步查看管道是否摆放正确,若摆放正确,则通过潜水员松开吊钩,缆绳通过布管船的卷扬机收回。

郁江穿越和九洲江穿越沉管的下沉方式基本相同,主要依靠起吊船的吊装设备进行控制,通过安装铸铁配重块增加管道自重下沉;九洲江穿越由于处于非通航段,因此采用了较少的船只,主要通过“浮箱+倒链”进行控制,设计比较精巧,实际操作也非常便利。三条河流下沉时均没有采用“注水自重下沉”沉管方式,其弊端明显:注水后管道整体重量不均衡,易产生晃动和偏移,不利于管道安全;下沉后管道需进行扫水清管作业,增加作业量。“注水自重下沉”沉管方式的优点则是易于操作,充分利用了环境优势,就地取材,针对长度不大的沉管作业使用[16]。

3 稳管措施对比

3.1 配重方式对比

九洲江穿越采用对夹式配重块配重方式,配重块为两块砼浇筑半圆形块对夹,用钢板夹子固定。郁江穿越和九洲江穿越采用铸铁配重块+马鞍式配重块配重方式[17]。铸铁配重块为内圆外方形,两块对夹安装,螺栓固定。

对夹式配重块的优点:固定紧密,在水下长时间不会出现因河底冲刷造成的倾覆、翻转等问题,可以起到很好的稳管效果;陆上一次性安装较为便利,减少船舶作业时间。缺点:陆上安装完成后管道整体重量较大,吊装难度和入水难度增加,不适合长距离漂管;如果不在陆上安装,在入水前用船只安装,那么安装难度较大,不易控制。

铸铁配重块+马鞍式配重块的优点:安装较为方便,沉管完成后由潜水员和起吊船配合即可;安装铸铁配重块使管道整理均匀加重,便于沉管控制[18]。缺点:极端水文条件下,受河床下长时间流沙冲刷等因素影响,会造成马鞍块下方掏空,马鞍块翻转,不利于管道运行安全;水上作业时间长,非一次性安装完成,在通航频繁的河道较为不便。

3.2 沟底回填和护岸水工保护对比

九洲江河底回填:先用袋装砂土对管沟进行抛填,覆盖至管顶上方1 m,潜水员下水检查回填情况并报告,合格后在管沟上抛撒块石,但高度不得超过原河床底高。两岸护岸进行专项设计,采用格宾石笼基础+浆砌石挡土墙方式。

郁江河底回填:按设计要求抛填砂砾石料至原河床地貌齐平,先进行大方量的水下抛填,用挖泥船将砂砾石装到泥驳上,用拖轮直接将泥驳拖到需回填处开仓回填,再采取水下整平式的回填料抛填方式,通过导管由潜水员在水下指挥抛填。河道两岸护岸采用格宾石笼基础+浆砌石挡土墙方式[19]。

红水河河底回填:先进行袋装混凝土回填,采用水灰比为0.54的C 20商砼装袋,由潜水员根据管线沟槽与管道的安放的情况,以管道边缘开始码放至沟槽边缘为一层,管道两边袋装混凝土回填到设计高程要求;再回填天然级配砂砾石,最后回填片石。两岸护岸进行专项设计,岸坡方式基础采用格宾石笼方式,岸坡岩质管沟内回填袋装混泥土,其他岸坡采用浆砌石挡土墙[20]方式。

相对而言,红水河沟底回填和护岸水工保护具有特殊性,因其喀斯特地貌,河床与两岸坡均为岩石,管沟成型于岩石沟槽中,故而回填时多用袋装混凝土,确保回填料与岩壁紧密结合,保护管道安全。

4 设备与经济投入对比

九洲江穿越主要设备:布管船1艘,交通船1艘,卷扬机4台,吊车1台,挖掘机64台,浮箱30组;郁江穿越主要设备:布管船10艘,牵引船2艘,警戒船1艘,指挥船1艘,交通船1艘,挖掘机40台;红水河穿越主要设备:牵引船2艘,布管船4艘,交通船1艘,指挥船1艘,挖掘机20台,卷扬机6台。

从整体经济投入相比较,红水河穿越,郁江穿越次之,九洲江穿越最少。九洲江穿越船只使用较少,挖机使用较多,以便吊运已配重的预制管入水；郁江穿越需要在江中船上组队焊接,并安装铸铁配重块沉管,船只使用较多；红水河穿越河床、岸坡石方量较大,爆破清渣、开挖管沟及护岸水工保护的费用投入较大。

5 结论

沉管施工是长输管道建设中穿越河道所采用的一种常规施工方式。相对于其他通过方式(如跨越等),具有施工难度较小,施工成本较低等特点,在水系发达的南方地区,河流穿越管道施工中选择沉管技术是相对较优的工艺方法。基于不同的地质和水文条件,沉管具体实施的施工方案也将采取相应变化,因地制宜,因时制宜。广西输气管道工程中分析比较的三条河流的沉管施工，因水文地质等因素采取的施工方案不同,可为同类工程提供借鉴。