水下大开挖沉管在南水北调工程中的研究运用

褚宏万 李光凯

(1.宿迁市水务勘测设计研究有限公司，江苏 宿迁 223800；2.厦门大学建筑与土木工程学院，福建 厦门 361000)

1 工程概况

南水北调宿迁市尾水导流工程是江苏省江水北调水质保障的重要工程项目。工程横跨江苏省宿迁市的苏宿工业园区、宿城区、宿迁经济开发区、宿豫区。工程概算总投资为55786.95万元，其中项目工程部分概算为48210.75万元。工程部分主要包括新建5座污水处理厂尾水提升泵站、2座调度泵站和铺设91.7km管道；其中管道施工主要方式有沟埋管、顶管、牵引管、沉管。土建工程共分为7个施工标段，其中施工06标穿越新沂河段(E0+454～E0+762)设计为双排D1420钢管沉管(壁厚18mm)，单管长度为308m，管道间外净距为1.2m的沉管；工程的主要工作内容为沉管制作、沉管沟槽土方开挖、沉管下沉三部分。该处河道正常水位为8.7m，河床底高程为4.5～5.3m，设计管道底高程为-3.1m。是南水北调宿迁市尾水导流工程关键节点工程，也是整个工程项目施工的难点。

根据提供的地勘资料和现场地质情况复核分析跨新沂河沉管处的地质条件非常复杂，该处河床砂坑多，并有沉没采砂船；其中河床中段125m段高程4.5～3.1m为中粗砂层，靠近南岸段69m及北岸段27m两段，高程1.0m层位出现姜结石层；地质条件复杂、沉管埋深大，采用压力水冲沉施工工艺缺少施工技术经验，施工非常困难；经组织专家论证，确定沉管的施工方案为水下大开挖沉管施工方案。

2 施工工艺流程

大开挖沉管施工工艺流程为：沉管钢管制作→河床管槽沟开挖→钢管下水与下沉→回填碎石料稳管→沉管打压→河床恢复回填。

2.1 钢管沉管制作

本工程钢管沉管采用直径为1420mm、壁厚为18mm的Q235B钢材，由钢管生产厂家加工成成品钢管运到施工现场焊接而成。钢管沉管的制作施工分两个阶段进行：采购每节长度为12m的成品管件，运到工地现场焊接平台进行对接，采用Ⅴ形坡口焊接；焊缝经过打磨，进行全焊缝超声波探伤检测合格后，进行管道内外防腐处理。沉管制作分为两个阶段：第一段为E0+643.43～E0+762段，水平长度118.57m，折线长度120.27m；第二段为E0+454～E0+643.43段，水平长度189.43m，折线长度192m。第一段焊接完成、气囊封堵后吊装下水，暂时存放，待第二段组焊结束后将第一段吊起进行对接组焊(见图1)。

图1 沉管制作

2.2 河床管槽沟开挖

河床管槽开挖采用定位桩挖泥船搭配泥驳船运和绞吸式挖泥船清挖相结合的施工方案。根据施工图提供的坐标和高程进行沉管支墩、基槽的测量放样；首先计算出管线起始端点的坐标，导入挖泥船GPS控制系统，启动船舶GPS按设计线性对点。

土方开挖分4层完成，第一层从河底挖到高程4.20m，由定位桩挖泥船完成；基槽开挖时，泥驳船根据挖泥船的定位方向进行靠泊装土，泥驳应停靠在挖泥船外档上土；船装满后，运输到临时堆放区堆放。第二层后由绞吸式挖泥船完成，第二层挖到高程1.70m，第三层挖到高程-0.80m，第四层挖至设计高程-3.10m。吸式挖泥船直接将开挖土方吹送800m以外的临时堆土区。

沟槽开挖结束，施工项目部自检合格后，经监理复核高程、底宽等技术指标符合设计要求后方可同意铺设碎石垫层。

2.3 钢管下水与下沉

2.3.1 管道下水

钢管焊接完成，按照《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268—2008)要求进行闭水试验，试验合格后，放空管道内的水，准备下水浮运。采用单点捆绑起吊，用5条吊装船靠近加工平台一字排开，同时进行起吊，管体缓缓离开平台30cm后，慢慢将船后退，平稳放入水中；为了减少起吊对钢管防腐层的破坏，各吊点缠绕土工织物，保护防腐层。

2.3.2 管道浮运

管道两端采用气囊封堵，下水呈漂浮状态；吊装船卸掉吊索后，采用1条拖船将其拖至沉管区域停放(见图2)。

图2 沉管下水与浮运

2.3.3 沉管下沉

a.起吊翻管。管道下水后呈U形水平漂浮在水面，与沉管管道轴线斜交。5条吊装船按照预先的安排就位，将吊索与吊耳连接。吊点的吊耳均在侧面，由两端的80t吊装船同时起吊，将管道吊至垂直，并向一侧岸边管槽滑移，待另一侧有足够的旋转空间后，将管道推进管槽，完成翻管和初步就位。

b.标尺安装。为了控制管道下沉速度、掌握管道下沉深度和平整度，将高强磁铁标尺吸附在管道顶部，连接涂塑钢丝绳，每20cm做一个标记点，每米设一明显标记，管道入水后，根据标尺的读数，计算管道在水下的高程及管道的平整度；本工程沉管水下直管长度254m，共设立8个检测标尺。沉管结束后，用力牵引钢丝绳即可使磁铁标尺与管体分离。

c.注水沉管。沉管下沉时，要使各吊装船索具全部受力，让管道保持水平，从一端向管道注水，第一次注水量应大于等于[管道排水量—(管体重量+附件重量)]的一半，使管道稳定下沉。管道下沉距离设计高程1.0m时，停止下沉，准备进行管头堵板的切割与对接安装。

d.管道就位。为保证沉管下沉后能准确沉放在设定的支墩上，先在南北两岸采用法兰对岸坡管道进行加接，加接长度(水平)：南岸10m，北岸14m。当管道下沉至设计标高以上0.5m时，进行管道的精确定位，并将管道注满水，然后缓缓下沉至托架上，下沉后的U形管道与岸坡加接管道对接，使管道准确搁置在支墩上。沉管完成后，潜水员立即下水检查就位情况，经监理机构确认后，拆除吊索(见图3)。

图3 沉管下沉与固定

e.管道固定。沉管平面位置与管道中心高度的控制是沉管下沉的关键。为了解决沉管定位难的问题，采用混凝土支墩及定位立柱进行纵横向位置控制；在浇筑钢筋混凝土支墩时，预埋四根竖向槽钢作为沉管的定位立柱；定位支墩起到控制管体下沉高度，确保管道沉至设计高程的作用，定位立柱将保证管道沉放轴线位置，减小沉管沉放的平面偏差量，以便与陆上管道对接。

2.4 回填碎石料稳管

沉管结束后回填碎石进行稳管。用船载碎石抛撒铺填直至设计高程-2.30m，碎石稳管结束后，进行管顶土方回填。根据施工设计图纸，管中心到管顶800mm处采用原河床砂进行回填，然后覆盖1000mm块石，块石顶面至河床均为原土回填。管顶回填经检测合格后进行抛石覆盖回填，石料运至现场后由挖掘机从船舱内钩出，由南向北均匀抛填在指定位置，抛填一定量后用长臂挖掘机进行按压找平。在开始抛石覆盖施工过程中严格控制块石顶面高程，切忌超抛，形成高点。抛填后，潜水员下水进行人工探摸，防止出现漏抛现象，确保沟槽块石覆盖顶面高程符合施工图设计要求。

2.5 沉管试压

2.5.1 方案编制

沉管下沉就位固定并经碎石稳管后方可进行试压，在此之前要编制管道系统压力试验方案。

2.5.2 设备报验、试验报备

使用的试压机具、设备要进行报验，合格才能使用；试验应提前48h(特殊情况除外)通知业主、监理，并将相关资料报审，以便检查确认是否满足试压条件。

2.5.3 管道打压

参照《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268—2008)要求及批准的打压试验方案进行试压，检查管道接口处有无渗漏现象，如有渗漏现象应中止试压，并查明原因采取相应措施后重新组织试压。升压过程中，如发现压力表及表针摆动、不稳且升压较慢，应重新排气后再升压。进行外观检查，若无漏水现象，则水压试验合格。

2.5.4 管道泄压

试压完成经各方共检合格后应及时卸压，卸压要缓慢进行，并及时填写管道压力试验记录，提交试压报告给各方会签。

2.6 河床恢复回填

管顶块石覆盖回填经检测合格后进行河床土方回填，回填方法与与管顶土方一致。本工程河床土方回填采用绞吸式挖泥船进行，即将原河床开挖出的预留土方(砂)吹送至沟槽，吹填的土方宜均匀沉积在管道顶部，恢复河床至设计高程。吹填过程中控制喷口位置与方向，控制回填部位，分层回填均匀上升，采用水下超声波进行河床地形跟踪测量，保证河床土方回填满足设计要求。

3 施工重点、难点与对策

3.1 施工的重点、难点

整个沉管管道水平长度为308m，两端支墩的中心间距326m，由φ1420×18mm、每节长12m的成品钢管运到施工现场焊接而成，沉管焊接质量的好坏直接影响整个沉管的顺利实施，是沉管质量控制的重中之重。整个沉管长326m，水上吊装下沉，其吊装下沉安全是本工程安全控制的重点。沉管的位置包括水平位置、竖向位置，任意方位的偏差都将直接影响与两岸已安装管道和应急排放口对接的施工质量，位置控制是本工程的重点。

3.2 采取的对策措施

3.2.1 沉管焊接质量控制措施

为保证沉管制作的质量，监理着重做好以下工作：检查钢管材质、管道压力等级是否符合设计规定，核对钢管生产批号、出厂合格证书；检查钢管表面防腐层厚度及焊缝外观是否符合设计要求及规范规定；检查焊条合格证、生产日期、材质是否符合设计技术要求，是否符合现行国家标准《炭钢焊条》《低合金焊条》的规定；检查焊工是否持证上岗，是否进行了焊接工艺试验，提供焊接工艺试验报告；管道焊接前，应逐根测量管节不圆度并编号，宜选用管径相差最小的管节组对对接。管道对接前要先修口、清根，管端端面的坡口角度、钝边、间隙，应符合规定；管节对口时应使内壁齐平，错口的允许偏差应为0.2倍壁厚，且不得大于2mm；不得在对口间隙夹焊帮条或缩小间隙施焊；所用的焊条性能应不低于母材材质要求。钢管壁厚为18mm，按照规范要求采取3层焊接，第一层焊缝根部必须均匀地焊透，不得烧穿。各层接头应错开，且不允许在焊件的非焊接表面引弧。每层焊完之后，应清除溶渣、飞溅物等并进行外观检查，发现缺陷，必须铲除重焊。在焊缝附近明显处，加盖焊工钢印代号标志。

3.2.2 沉管吊装下沉措施

为确保沉管吊装安全，主要采取以下措施：选择有资质且经验丰富的专业吊装施工队伍；吊装施工严格履行相关报批手续，加强施工现场的安全管理，进行封闭管理作业；根据现场实际情况编制合理的吊装方案。在沉管的一端打开阀门进行排气，严格控制管道的注水量，合理利用管道的浮力，保持管道水平下沉，是沉管施工过程关键点；在吊装时，出现管道变形量过大，超过允许值时，应立即停止吊装并查明原因；准确计算起吊重量，核实起吊设施起吊能力，确保起吊设备的起吊能力大于(管体重量+配重重量-水体浮力)的1.5倍，现场实际使用时大于1.5倍。

3.2.3 位置控制措施

为保证沉管精准下沉，保证沉管下沉后与两岸管道精准衔接，督促施工单位落实以下工作：成立沉管专项监控班组，全方位、全过程做好跟踪监测工作；认真统计每一次监测数据，发现位置偏移立即汇报；认真编制纠偏方案，未经许可不得启用。

4 结 语

南水北调宿迁市尾水导流跨新沂河沉管工程实施过程中参建单位对沉管施工方案严格把关，针对沉管处地质条件复杂，监理机构及时督促施工单位对该处河床地质进行复勘，根据复核认证的地质条件组织专家论证压力水冲沉沉管施工方案的可行性。因地制宜，优化施工工艺，最后确定河床大开挖沉管施工方案；克服了沉管处中粗砂、姜结石交错的复杂地质条件，沉管埋深大、管道固定覆盖防护困难等问题，实现了在河道不断流情况下，大口径、长距离跨河一次下沉成功，与同管径的顶管、牵引管施工工艺相比具有工期短、投资省、施工方便等优点，收到了较好的工程效果。