浅析长距离输水管线水下整体下沉施工技术

陈玲 广东省源天工程有限公司

沉管施工技术于19世纪末开始应用于输水管线工程中，科技的发展促使这一技术得到相应的优化与完善，拓宽技术应用范围。长距离输水管线的施工难度大，且水下作业的风险性高，若采取传统的沉管方法会因建设架空横过水道支架、修建水中围堰等作业而影响航道正常通行，还会增多工程量与施工成本。对此，需注重管线水下整体下沉施工技术的运用，优化施工流程，提高管线工程施工效率与质量。

1.沉管施工技术应用优势分析

对于水下作业的长距离输水管道工程来说，可借助沉管施工技术来保障整体施工效果，技术优势主要体现在以下几个方面：（1）适应能力强。基槽开挖深度较浅，开挖以及基础处理施工工艺流程简单。且在水浮力的作用下，可减轻地基总荷载，削弱沉管自身重量对地基结构稳定性的影响。由于管段施工时，按照先预制再浮运沉放的施工工序，减少在水下环境的工作量，因此，这一技术适用于深水作业中，水流速以及潮差对于技术的应用效果影响程度不大；（2）施工期间，大多数作业于岸上进行，只需将完成制备的管道按照要求下放至水下便可，只涉及到少部分的潜水作业，施工人员不必承受水压，为作业安全提供基本保障；（3）每节管线较长，对于长距离输水管线，只使用少量的预制管段便可搭建而成，且基槽开挖和预制管段制作、运输工作同时进行，既提高施工效率，还规避各作业环节彼此间的干扰；（4）水下基槽开挖时，土方量较少，与地面上的挖土单价相比，施工成本较低，而管段预制的施工形式所需费用也远低于盾构隧道施工方法。

2.沉管施工技术原理及要点研究

2.1 技术原理

管线下沉施工技术是在岸上执行钢管焊接工作，达到稳固后，借用吊装设备将其平稳放置于水面上，再加以运输船的配合，缓慢下放管道，在充水后自动下沉，直达底板，钢管安放结束后组织回填施工。与以往跨河道管线布设形式相比，可省去断水围堰修建、河道架空横跨等施工流程，直接在岸上进行焊接并按照要求下放至水下便可，极大程度地提高施工效率，降低工程造价。同时，这一技术大多环节在水下工作，可保证道路交通的顺畅性。

2.2 管段平移

与岸边距离较近的管线吊放下水后，远离岸边的管道需要借助气囊运输至岸边。通常来说，平移气囊共有4组，彼此间的距离控制在50m左右。在此之前，应将钢板平整铺放在气囊移动线路上，并为气囊配备专用托架，两侧放置同规格垫块，以达到钢管固定的目的。将牵引绳两端分别设置在起重船与托架前进端构件上，实现气囊的移动，但在横移过程中，应加强对管线防腐层的保护。

2.3 压力试验

所有下沉的管线至少进行三次压力试验，具体要求、试验开展时间如下：第一次试验在岸上管道拼装、焊接作业结束后且在吊运下沉前进行，设定的试验压力约0.9MPa；第二次试验于管线完全下放至水中时进行，压力设置为0.1MPa；第三次试验开展于下沉结束后、回填前，试验压力为0.9MPa。分段制作管线是沉管施工技术的突出特点，因此，需保证首次试验时应在管线制备场地对待下沉所有管段进行水压试验。

2.4 水面对接

岸上作业空间有限，尽量设计管线两段成型施工方案，利用起重船执行水面上各段管线的对接。这一施工工艺的操作难度较大，且作业条件较复杂，对接质量是管道是否成型的关键，亦是保障施工作业安全的重要前提。在此期间，如果管道受到较大程度的干扰，便无法保证下沉位置的准确，还会增大水面对接焊接难度，不利于管道快速、高质量成型。开展焊接工作时，如果未严格按照施工顺序进行，极易引发众多施工质量问题，并增大作业风险。这就需要合理选择管线对接水域，尽可能在水浪小、水流缓的区域进行，确定最适宜的施工时间。同时，应加大对水域其他行驶船只的管控，尽量避开船舶行进路线，以此降低外来船只对施工进度的不良影响。

水面对接施工流程如下：①打造对接工作舱。若无特殊施工要求，可将水面工作舱规格设计成4×7×2.4m。应保证管道外壁与对接工作舱具备极强的水密性，为达到这一施工标准，需在工作舱制作时，科学、严格把控设计精度；②完成工作舱设计、制作后，立即组织管线与工作舱彼此间的吻合试验，只有达到规定的密封要求后，才可执行后续作业；③根据施工空间以及实际工作量，引进起重船开展管线下沉定位工作；④组织施工人员按照设计图纸以及操作说明书安装水面对接工作舱。这一施工工序应用的施工设备为起重船，将工作舱设置在管线对接口处，检验合格后，借助4个10kN手拉葫芦收紧管线与工作舱；⑤将2台直径为2cm的潜水泵引入现场，其作用是尽数抽出舱内的囤积水；⑥使用板条以焊接的形式整合两段管线；⑦安排专业焊接人员进入工作舱开展接口焊接工作，达到所要求的施工质量后，使用打磨设备平滑处理焊口，再释放超声波，对焊口内部质量进行检验，细致、全方位清洁、烘烤焊口，并做好防腐处理工作；⑧组织施工者按照操作流程图拆卸工作舱，此时便可宣告水面对接施工结束。

3.输水管线水下整体下沉施工技术在工程中的具体运用

3.1 项目背景

某退圩还湖试点项目的取水设施经改造后，原有的取水泵站与取水头部向南移动600m，结合改造后的工程情况，对取水规模进行优化设计为11万t/d。取水管道采用DN1000双排埋设方式设置，开挖总长度2.7km，经测量，取水设施占地面积约4000m，包括取水泵房、加药间、监控室以及辅助用房组成，不同设施的功能存在较大差异，在彼此间联动作业下，赋予取水工程更强的控制、配药、加药、药剂存储等功能，其中，控制功能主要体现在可全过程、跟踪管控4台200kW离心泵方面。

输水管线工程受地形条件的限制，最初设计时，K1+400—K1+640段横穿固城湖堤坝，K1+640—K2+640段埋于湖底，施工工艺复杂，增大施工难度。结合现场实际情况以及汇总得到的各项调研数据，决定采用顶管施工、明挖施工、沉管施工相结合的作业形式。具体施工时，发现沉管作业开展难度较大，主要是因为作业区域开展于饮用水水源地，且航道与湖泊通联，船舶数量多，为保证不影响船只的正常运行，当地政府规定的施工周期短，同时，又提出绿色、环保施工要求。此外，湖中多个区域的水深超过2m，意味着开挖基槽的深度应大于7m，提高水下作业危险系数，还不利于施工的有序进行。

于是，沉管施工前，所有参建人员组织会议，借鉴相似案例施工方法，最终决定采取整体式沉管施工形式，运用管线水下整体下沉施工技术实现管线工程的水上+水下进行。选用的取水管道规格为DN1000×2，单根管道长度达1km，管中心标高为0.06m，管道底端的土质构成有黏土、粉质黏土、淤泥质黏土。而素填土与杂填土表现出良好的工程性质，可将其设计成管道基础持力层。

3.2 施工准备

沉管水下基槽开挖前，应保证所有设计图纸以及施工方案审批通过，建设方需办理与当地环保部门、海事单位、航务单位等职能部门的审批备案手续，依据审批部门提出的各类意见积极落实施工准备工作。同时，还需通过互联网、新媒体软件告知施工时间以及区域等，为航道运行调整提供参考。施工范围内应沿岸设置醒目标识牌，以起到警示的作用，便于船舶行驶速度与方向的调控。还需做好作业区域内航道交通疏导工作，增设航标、航道频闪警示灯。完成所有施工审批程序手续办理后，组织各施工设备及船只陆续进入施工现场，包括起重船、挖泥船、拖船等。

3.3 管道发射

以往所开展的管线下沉施工常采用接近岸边组织管线加工、拖拽入水的作业方式，从而达到省去水下法兰连接的施工环节，但也暴露出另一方面的不足即管道入水前若向其长时间施加较大拖拽力，极易损坏管线外部的防腐层。而水上加工可防范对管道表层的破坏，降低管线运行风险，却增多水下连接作业量，不利于对管线工程造价的有效控制。为从根本上优化、改良沉管施工工艺，充分发挥技术优势，便在工程执行前研发一款管道发射装置，以此达到管道无伤下水的目的。

发射装置构成包括5部分即焊接操作井、制定卷扬机、牵引卷扬机、轨道发射平台、轨道车。当完成每三根钢管起吊装载并移动到轨道上后，作业人员便需在焊接操作井中执行管线对接焊接施工；完成一节36m管线焊接后，运行船舶卷扬机，向管线施加牵引力，以保证管道缓慢、匀速滑行。管道发射至指定位置后，湖岸侧卷扬机会自动收紧钢丝绳进行制动，完成最后一段管线拼装、焊接作业后，使用法兰盲板进行密实封堵，直至管线整体入水，运行器械船将其托运至下沉定位点。重复上述施工流程，最终可得到长度为1km的长距离输水管线。

3.4 作业规划

要想保证管线下沉施工作业的顺利、有序进行，并在规定工期内高质量完成各项施工任务，设计的施工方案如下：结合现场情况，合理划分水上工程得到两个工作面，并为不同作业分别配置充足施工人员同时开展施工。其中一个施工团队在取水泵西侧岸滩打造钢管发射平台，其作用是焊接、发射钢管，确保最终搭建的管线总长度达到1km；另一施工团队负责水下土方开挖，由于管线下沉区域与现处于运行中的航道线路有交叉，为降低施工对通航的影响，最终决定采取分两段、同方向的施工方法，在此期间，严格按照政府提出的要求合理、科学布设警示标识，以保障沉管施工、通航安全。

水上开挖深度达150m后，需立即组织施工人员开展水上定位桩与沟槽基础平整施工，由于管线较长，因此管线下沉敷设分为三段进行：①中间段。下沉管线的长度约1004m；②取水头部段。这一分段的管线较短，约7m；③顶管连接段。完成沉管区域的开挖作业后，使用盲板实现管线两端法兰的连接，并在注水口处安装读数准确的压力表。

各项作业完成后，利用发射平台将管线输送至指定位置。待其平稳后，组织施工人员开展水压试验。为获得准确的试验结果，需保证所选用的压力表配备有专业机构出具的检验合格证书。将水注入管道中，从管道内部施加压力，当达到规定压力值后，开启排气阀，尽数排出管道中的空气，再由技术人员对管道整体情况，如密实度、完好程度进行细致、全面检查。在此期间，需做到对压力表显示数值的全过程观察与详细记录，直至内部空气排出后，再逐步升压，达1.5MPa时立即停止。压力趋于稳定后，检查管体、各接口是否有渗漏问题，只有在满压状态下静置10min且压力值下降小于0.05MPa，便可判断管道整体质量达标。

3.5 沟槽开挖

水下的沟槽开挖施工受作业条件的限制会遇到较多突发性事件，不利于开挖施工的安全、秩序进行。因此，施工放样时，尽量于岸上进行，具体来说就是将沟槽边线以及管道中轴线引到湖岸，借助导标的方式实现对施工工序的有效控制。使用长度为3m的花杆测量导标，依据施工标准确定相邻导标的间距，应始终超过管线施工长度的0.2倍。作业期间，运行全站仪复核所有数据，确保沟槽开挖平面位置的准确性。施工前，还应安排专业人员重新测量河道断面，以管道中心线为基准，弹一条钢丝绳，而测量人员则在交通船的帮助下实现对管线位置的有效测量，测绘作业需每行进1m进行一次，使用的测量工具有测绳、铅锤，整合所有测量结果绘制出河床横断面。

沟槽开挖工程的特点主要表现在工期短、难度大、纵向距离长、工作量多等方面，对各类因素加以综合考量，决定选用的开挖设备为反铲挖泥船。且由于施工位置在运行的航道线路上，因此，1km的输水管线沟槽开挖划分为两段进行，但同时施工：第一段开始于管道中间，朝着岸边的方向延伸；第二段的起始位置于最远端，同样以岸边为方向组织施工。在此期间，应适当增加管道与取水头部段连接部位的开挖深度，以保证作业空间的充足性。挖泥时，使用八字锚，并为每艘挖泥船配置两艘自航泥驳船，其中一艘的工作是在水上进行装泥，另一艘则停靠在岸边，将泥土运输至指定场地。采取分段开挖原则，将航道中心线作为基准，先在航道右侧约45m宽的水域开展施工，另一侧则用于通航。完成开挖作业后，再对航道左侧进行处理，确保航线正常运行。

3.6 沟槽回填

沉管管线沟槽回填时使用的回填土为该作业区域开挖得到的土方，先将开挖淤泥运输至固定抛泥点，为管线下沉施工创造有利条件，施工结束后再将原土抛卸于沟槽中。回填时，应在管线两侧以及中间部位均匀抛填，遵循对称、分段回填原则，严禁出现单侧回填过多或过少问题，防范下方管线或沟槽受力不均引发管道局部变形。作业期间，应做到随填随测，并安排专业潜水员定期检查水下沟槽回填进度，确保施工质量。

4.结束语

长距离输水管线下沉、敷设施工难度较大，施工组织复杂，为保证施工效果与安全，不影响船舶正常通行，需注重管线整体下沉施工技术的运用，充分发挥其可操作性强、适应性广、工艺科学等优势，从根本上处理沉管深水穿越难、施工作业成本高、施工周期有限、下沉施工污染大等问题，以保证管线工程生态效益、经济效益以及社会效益。