复杂水流域过河沉管施工技术

徐钦明，张 益，刘少林，赵 琰，张贵保，刘 凯

(1.中铁建工集团有限公司，北京 100160；2.东莞市建筑科学研究院有限公司，广东 东莞 523000)

随着城市化进程的不断推进，水资源的开发利用越来越受到重视，涉及的城市地下基础设施项目越来越多，地下排水系统穿越江河的情况越来越多，进而推动沉管施工技术的革新与发展，同时也带来了很多挑战。当前给排水工程穿越江河常用的方式主要为架空管、沉管、顶管、围堰开挖等[1- 2]，其中沉管由于施工周期较短，施工成本低，操作条件好、施工安全，适用水深范围较大等优点得到了越来越多的应用[3- 4]。目前，随着使用管道直径的不断增大，传统沉管焊接对中一次焊接质量差，施工效率低，在较长沉管施工过程中，传统技术使用简易浮台作为工作平台，供操作人员行走、拼接钢管以及焊接加固工作，管道之间对接精确性较差，耗时耗力，沉管在下沉作业过程中，姿态调整、下沉定位作业吊船多，协调配合难度大，施工效率和精度低[5- 7]。因此，在充分研究现有技术基础上[8- 10]，研发一种工艺简单，精度和效率高，成本较低，绿色环保，且实用性较强的复杂流域过河沉管施工技术成为沉管技术发展的重要一环。

为解决上述问题，开发一种复杂流域过河沉管施工技术就显得十分必要。本技术成功地在“番禺区取水口优化整合工程-东部输配水管道工程(标段二)项目得到应用，本文将通过具体项目，阐述复杂流域过河沉管施工技术的主要内容。

1 工程概况

“番禺区取水口优化整合工程-东部输配水管道工程(标段二)”项目，项目实施时间为2020年3月—2021年1月，为广州市番禺区重点工程建设项目，建设DN2200管道总长约9.38km，沉管采用焊接式DN2200钢管，需跨越紫坭和附近河涌，沉管段总长度约为210m。过河沉管施工是输配水管道工程的关键一环，过河沉管快速高效的施工，不仅可有效控制项目工期和质量，而且减少对环境和周边居民的影响，早日实现工程运行，造福番禺人民。

2 关键技术内容

2.1 大直径钢管辅助焊接装置设计

2.1.1大直径钢管辅助焊接装置组成

大直径钢管辅助焊接装置由10固定台座、11侧向支撑结构两大部分组成，其中10固定台座包括101H型钢底座和102卡位槽钢，11侧向支撑结构包括111侧向支撑槽钢和112卡位钢钉(如图1—3所示，图中2为大直径钢管)。H型钢为大直径钢管放置的底座，卡位槽钢为H型钢上限制钢管水平移动的卡位装置，它由2块槽钢焊接而成，卡位槽钢根据焊接钢管的直径确定在H型钢的位置，并紧贴大直径钢管，卡位槽钢对称分布于H型钢上，限制大直径钢管的移动，H型钢和卡位槽钢通过焊接进行连接；侧向支撑槽钢与地面成45°，其一端与大直径钢管进行焊接，侧向支撑槽钢另一端置于地面，卡位钢钉紧贴侧向支撑槽钢打入地面一定深度，通过侧向支撑槽钢和卡位钢钉实现对大直径钢管的水平移动。各构件可通过厂家定制，设备造价较低，各构件通过焊接进行组装，安装快捷。

图1 辅助焊接装置焊接平面布置示意图

图2 辅助焊接装置横剖面示意图

图3 辅助焊接装置现场图

2.1.2大直径钢管辅助焊接装置工作原理及步骤

本施工装置工作原理及步骤如下：①场地整平和硬化后，根据每节管道的长度和尺寸确定卡位槽钢高度、在H型钢上的位置、以及侧向支撑槽钢长度，并对固定台座各部分结构进行相互的焊接固定。②根据各节钢管直径和长度，排列放置固定台座，各台座应平行且中心线在一条直线上，每节钢管按2个台座进行设置，且台座离该节钢管最近端部距离为管节长度的1/4。③利用吊车和工人辅助将管节吊至固定台座，且各相邻管节对中正直紧贴。④根据前期确定的侧向支撑槽钢长度确定卡位钢钉位置，卡位钢钉对称布置于钢管两侧，两侧卡位钢钉连线与单节钢管垂直，且与单节长度中线重合，先施工卡位钢钉，然后侧向支撑槽钢一端紧贴卡位钢钉，另一端与钢管焊接。钢管两侧对应布置。⑤进行多节大直径钢管的同时焊接，焊接完成后，检查焊接质量满足要求，该部分大直径钢管焊接完成。⑥拆除侧向支撑槽钢，利用吊车吊出已焊接好钢管，重复步骤②～⑤，其中④只需安装侧向支撑槽钢，直至完成大直径钢管焊接。

2.2 水上管道拼接装置设计

2.2.1水上管道拼接装置组成

水上管道拼接装置由1安装件、2箱体、3缓冲垫、4对拉螺杆、5螺帽等部分组成(如图4—7所示)，其中2箱体包括201骨架、202钢板。箱体的上方开设用于放置管道的管槽，使得管道能够置于漂浮于水面的单一箱体上，便于水上拼接管道。在相邻箱体之间安装由硬质材料制成的对拉件，通过对拉件控制相邻箱体之间的距离，且在箱体的四周均匀设置用于限制对拉件径向运动的安装件，使得对拉件能够在相邻箱体之间对齐，提升了管道之间拼接的精确性；同时，管道接口对接速度快，省时省力，提高了拼接工作的效率。

图4 水上管道拼接装置结构示意图

图6 水上管道拼接装置对拉件示意图

图7 水上管道拼接装置现场实物图

2.2.2水上管道拼接装置工作原理及步骤

本施工装置工作原理及步骤如下(如图8所示)：①利用吊船将岸上焊接两端密封的分段沉管浮运至指定江河的指定位置；②将预对接管节相邻端分别放置于箱体上，利用浮力让管道和箱体均浮在水面上，通过对拉螺杆穿过相邻管道扣实现轴向一致，用对拉螺杆调节箱体之间距离的方式，拧紧螺帽，使水面上管道慢慢靠拢对接；③待对接相邻沉管段轴线一致，相邻箱体之间的管道接口对齐，2处浮箱平台紧拉完成后，工人以箱体为作业平台对相邻沉管段进行对接成型焊接作业，完成沉管对接成型。

图8 水上管道拼接装置工作步骤

2.3 新型沉管下沉安装工艺

2.3.1新型沉管下沉安装工艺所需设备

新型沉管下沉安装工艺所需设备为起重船数艘，注水泵2台，其中起重船艘数根据沉管自重+注水自重-浮力自重所得值和单艘起重船起吊力综合确定，注浆泵用于沉管两端，以本项目最长沉管段为180m，钢管型号为D2220×28的沉管为例，所需设备为：3艘200t起重船，2台55KW水泵(管径0.2m)。

2.3.2新型沉管下沉安装工艺原理及步骤

本施工工艺原理及步骤如下：①沉管浮运到指定位置，其中沉管两端轴线位置与设计安装后平面位置重合，管道浮运及注水过程中，管道轴线始终保持水平，当管道处于悬浮状态时，即刻停止注水；②采用控制沉管两端轴线和两岸沉管定位桩连线重合，将总成管道两端同时用起重船吊离水面0.5m，起吊过程中两端的起吊速度与角度要保持一致，起吊到指定高度以后，管道两侧的水将流向中间管道，管道中部自身重力+管内水的重力>管道浮力，管道在重力的作用下，管道轴线会自动纠正为竖直方向，同时通过调整沉管中间部位的起吊船吊绳长度，控制沉管姿态调整速度，减少两端钢吊绳对沉管的破坏，最终实现沉管姿态调整；③管道姿态调整后，对沉管内注1min，停止注水，3艘吊船同时以相同的速度缓慢下放钢缆，在接近就位标高+20cm时，暂停下沉，全站仪再次精确定位，然后缓慢就位，从而实现沉管下沉安装。

2.4 复杂流域过河沉管施工步骤

通过借鉴和吸取国内外过河沉管施工的经验，对复杂流域过河沉管施工技术进行了研究，确定具体施工步骤如下。

(1)施工准备。施工前需进行材料及机械的选择(见表1)、进场，钢管岸上焊接的施工场地的选择和处理；建立测量控制系统、建立水尺施工导标等；准备好相关施工材料和手续。做好施工信息公告，做好施工区段交通疏导，设置警示牌、航标和航道频闪警示灯等。

表1 机械设备表

(2)对沉管下沉位置和水下管槽位置进行测量放样和定位。

(3)水下成槽施工。按照设计和相关规范要求，进行基槽开挖，基槽基础处理施工，并通过水上地形雷达扫描和水下人工验槽保障水下成槽质量。

(4)管道焊接制作。利用开发的大直径焊接辅助装置按照装置工作原理及步骤对钢管进行焊接，根据需要可制作成管或多段沉管，成管或各段沉管两道采用钢板密封。

(5)管道吊运、水上浮运。吊车或起重船将成管或各段沉管起吊入水面，由于浮力大于沉管自重，沉管悬浮于水面上。当沉管分多段时，应按照水上管道拼接装置工作步骤进行沉管成型对接，并经检测满足设计和规范要求。对于总成管沉管，利用3艘锚艇进行水上浮运工作，每艘锚船用缆绳与总成管道吊环相连接，进行水上拖运。浮运过程中，总成管保持水平状态，完成总成管横管，沉管两端轴心点连线与沉管两岸定位桩连线重合。如图9所示。

图9 总成管段姿态调整现场施工

(6)管道下沉安装。结合新型沉管下沉安装工艺原理和步骤进行操作。在接近就位标高+20cm时，暂停下沉，全站仪再次精确定位，然后缓慢就位；起重船放松吊钩，当2艘起吊船的吊缆稍有松弛，证明管道已坐床，此时应将吊缆稍上升，使其带紧管道。全站仪检测控制点点位，若有平面偏差，提起管道重新就位；当高程高于标准时，由潜水员下水，探摸管道与垫块的接触状况，采用高压水枪进行冲刷，使管道下沉至设计标高。若高程低于标准时，指挥起吊船收拢钢缆，使管道上升至设计标高+50cm，人工堆砌碎石，调整垫块至设计标高，重新就位。如图10所示。

图10 现场下沉定位

(7)稳管及沟槽回填。管道精准就位后，由潜水员在每个垫块两侧安装一个楔子固定管子，管子固定后方可撤掉起重设备。沟槽回填采用15～30mm的级配碎石回填至管顶1m以上，其他部分采用自然土回填至原河床标高。

(8)验收。根据规范要求对管道进行相关验收。

如上所述施工步骤施工方便、操作较简单，可大幅提高沉管施工效果和效率，且节省大量的水资源和人力物力，很好的践行绿色节约的社会理念。

3 技术适用范围

复杂流域过河沉管施工技术适用于大直径钢管沉管的施工，尤其是内径大于等于2000mm而岸上焊接和水上对接质量难保障，沉管下沉安装精度和效率低的的过河沉管施工，适用于市政、水务等过河的大直径钢管沉管工程，社会效益和经济效益明显。

4 经济及社会效益

与传统沉管施工技术相比，复杂流域过河沉管施工技术，开发大直径钢管辅助焊接装置、水上管道拼接装置和新型沉管下沉安装工艺，提高沉管施工中大直径钢管管节岸上对中焊接精度和效率，在沉管较长时，可提高沉管水上对接成型精度和焊接质量及效率，沉管下沉施工中，可提高注水下沉、姿态调整、下沉定位精度和效率，减少为保持精度的重复工作量，其平均每100m节约2d，总节约4.2d，每100m人工费节省0.42万元，材料费节省约4万元，设备租赁费节省约3万元，其他费用节省1万元，每100m总节省费用约11.42万元，节省总费用约22.84万元，具有较好的经济效益。

使用复杂流域过河沉管施工技术，极大地提高了施工效率和质量，减少了工地文明施工强度，提高部分结构的回收利用，提升现场文明施工形象，大大地提升了公司的整体竞争力。

5 结论

(1)开发了大直径钢管辅助焊接装置、水上管道拼接装置和新型沉管下沉安装工艺，形成相应的施工技术，提高了沉管施工精度和效率，达到帮助沉管高效高质施工目的。

(2)复杂流域过河沉管施工技术适用于内径大于等于2000mm钢管的过河沉管施工，尤其适用于市政、水务等过河的大直径钢管沉管工程。

(3)复杂流域过河沉管施工技术在工期上平均每100m节约2d，每100m总节省费用约11.42万元，具有较好的经济效益。

(4)复杂流域过河沉管施工技术在过江河沉管工程中具有较强的应用价值，随着技术的不断完善，复杂流域过河沉管施工技术将会得到大量的推广应用。