楊兵 張樹(shù)俊 陳辰 朱亮

(南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 210008)

引言

沉管法是預(yù)制管段沉放法的簡(jiǎn)稱(chēng)，是在水底建造管道的一種施工方法。 其施工順序是先在船只或岸上制作管段，管段兩端用臨時(shí)悶板密封后吊裝下水，使其浮在水中，再拖運(yùn)到管道設(shè)計(jì)位置，定位后，向管段內(nèi)加載，使其下沉至預(yù)先挖好的水底溝槽內(nèi)[1]。 后在其頂部和外側(cè)用塊石覆蓋，以保安全。 水底管段，采用沉管法施工具有較多的優(yōu)點(diǎn)。 沉管是市政工程中比較常用的一種管道敷設(shè)形式，廣泛用于穿越大中型河道。

1 傳統(tǒng)沉管的特點(diǎn)及其局限性分析

傳統(tǒng)沉管采用水下開(kāi)挖管槽并拋石平整，鋼管拼裝后浮運(yùn)就位，灌水下沉，水下拋石壓重，回填土恢復(fù)河床標(biāo)高，最后河岸兩側(cè)防汛河堤按原標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)。 沉管施工時(shí)，管位、管身結(jié)構(gòu)、穩(wěn)管措施和敷設(shè)方法必須報(bào)經(jīng)穿越水域堤防、水利等有關(guān)主管部門(mén)同意，管線走向應(yīng)結(jié)合地形、工程地質(zhì)，布置在平緩、河水主流線擺動(dòng)不大的順直河段上。

傳統(tǒng)水下沉管，其主要施工工序?yàn)椋簠?shù)計(jì)算→測(cè)量放線→管道組焊→無(wú)損檢測(cè)→試壓→防腐補(bǔ)口→管溝開(kāi)挖→抽污泥→溝底測(cè)量→漂管沉降→管道測(cè)量→穩(wěn)管→回填→護(hù)岸及地貌恢復(fù)。施工過(guò)程大部分在水上進(jìn)行，要用到挖泥船，清槽及穩(wěn)管階段要有潛水員進(jìn)行輔助作業(yè)。 沉管法對(duì)兩岸場(chǎng)地沒(méi)有要求，有利于管道高程控制，不影響兩岸的景觀，施工周期短。 適合于周?chē)鷽](méi)有橋梁依托時(shí)、穿越較大且可以臨時(shí)斷航的河流。沉管法施工前須報(bào)請(qǐng)水利有關(guān)部門(mén)批準(zhǔn)。

傳統(tǒng)沉管也有其局限性，在某些地質(zhì)條件比較差的河道中采用沉管方案，會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，例如水下溝槽開(kāi)挖的方式成槽很困難、工程造價(jià)較高、潛水員水下操作十分困難，甚至?xí)猩ｋU(xiǎn)等等，因此急需研究出一種全新的沉管工法，去解決以上問(wèn)題。 本文研究攻克傳統(tǒng)沉管法在管道穿越軟土地基大型河道時(shí)遇到的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，研究出一種全新的沉管工法，為類(lèi)似工程提供一種可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2 沖沉法沉管設(shè)計(jì)

2.1 工程實(shí)例

江蘇某市尾水導(dǎo)流工程中管道需穿越新沂河，根據(jù)勘探報(bào)告新沂河河底存在平均約9.0m深的①-1淤泥層和平均約6m 深的○1-1粉細(xì)砂層。如采用傳統(tǒng)沉管過(guò)河方式，①-1淤泥層采用水下溝槽開(kāi)挖的方式成槽很困難，且該層土承載力很低，因此采用沖沉法沉管方式過(guò)河。 沖沉法鋪管是先把管子放在水底，將沖泥器放置于沉管底部，然后用沖泥器把高壓水射向管底土層，使管底土液化，喪失承載能力，管道就埋入水底。 液化土層的厚度一般為管徑的3 倍～4 倍[2]。

尾水導(dǎo)流工程中設(shè)計(jì)2 根DN1400 鋼管穿越新沂河。 管道過(guò)河處現(xiàn)狀河口寬約289m，河灘面高程16.3m ～16.7m，河底高程 3.9m ～5.2m，水平管設(shè)計(jì)中心高程為-2.3m，河道中沉管段長(zhǎng)度286.0m。 穿越新沂河管線自南向北工程地質(zhì)情況如下：樁號(hào) 0 ～110 管道長(zhǎng)度110m，管道基礎(chǔ)持力層為?-1粉細(xì)砂層，土體壓縮模量7.26MPa； 樁號(hào) 110 ～ 216 管道長(zhǎng)度 106m，管道基礎(chǔ)持力層為①-1浮淤層，土體壓縮模量2.01MPa； 樁號(hào) 216 ～286 管道長(zhǎng)度 70m，管道基礎(chǔ)持力層為?-1粉細(xì)砂層。 采用 2 根 DN1400 沖沉法沉管，管材為鋼管，管中心標(biāo)高-2.300m；為協(xié)調(diào)不均勻沉降，沉管在兩岸坡岸頂部交接處各設(shè)置帶法蘭盤(pán)的橡膠軟管及接頭檢查井一個(gè)。 沖沉法沉管縱斷面如圖1 所示，圖中僅表示了一半，另一半基本對(duì)稱(chēng)。 沖沉法沉管橫斷面如圖2 所示。

圖1 沖沉法沉管縱斷面Fig.1 Longitudinal section of jetted and immersed pipe

圖2 沖沉法沉管橫斷面Fig.2 Cross section of jetted and immersed pipe

鋼管采用Q345B 鋼，壁厚18mm，鋼管加工成8m ～10m 長(zhǎng)的管節(jié)，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝。 管道布置二道，并排布置，管道中心距5.5m。 接頭檢查井為地下式矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂板為活動(dòng)蓋板，每個(gè)井內(nèi)設(shè)置2 個(gè)帶法蘭盤(pán)的橡膠軟管用于協(xié)調(diào)沉管的變形，管道與井的接口采用柔性套管。 接頭檢查井平面如圖3 所示。

圖3 接頭檢查井平面Fig.3 Plan of joint inspection well

2.2 沉管沖泥器設(shè)計(jì)

沖沉法鋪管沉管管腋和管底需設(shè)置3 套～6套沖泥裝置。 沖泥裝置采用帶噴頭的注漿花管。噴頭設(shè)置橡皮單向閥用于確保泥沙不進(jìn)入噴頭內(nèi)。 噴孔孔徑可取5mm ～50mm，采用梅花形布置。 噴孔縱向間距可取0.3m ～0.8m，噴孔之間橫向角度取15° ～30°。 沖泥裝置高壓水流壓力根據(jù)不同的土質(zhì)情況可取0.8MPa ～2.0MPa。 沖泥裝置采用分段布置，每根沖泥裝置分為7 段，每段采用不同的控制器控制壓力。 因此可以調(diào)節(jié)管道的下沉姿態(tài)，控制下沉中產(chǎn)生的沉降差。 沉管沖泥裝置具體布置見(jiàn)圖4、圖5 所示。

圖4 沖泥裝置橫斷面Fig.4 Cross section of jetted device

圖5 沖泥裝置縱斷面Fig.5 Longitudinal section of jetted device

沖泥裝置布置數(shù)量、高壓水流壓力、布置形式、水泵參數(shù)、噴孔布置等沖泥裝置設(shè)計(jì)參數(shù)由于不同的土質(zhì)參數(shù)選取有所不同。 可在全面開(kāi)始施工之前在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行10m ～30m 長(zhǎng)沖沉法沉管試驗(yàn)段試驗(yàn)，試驗(yàn)段選在設(shè)計(jì)沉管位置水域附近，最終確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.3 沖沉法沉管下沉設(shè)計(jì)

(1) 管道下沉前，對(duì)河道起伏較大處進(jìn)行河床平整。 使管道沿線整個(gè)河底基本平整，同時(shí)根據(jù)洪評(píng)單位的防洪評(píng)價(jià)計(jì)算意見(jiàn)，綜合確定河底平整標(biāo)高定為4.2m。 管道采用彈性敷設(shè)，可有一定的安裝弧度。

(2) 管道頂部每隔30m 設(shè)置一個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的應(yīng)力狀態(tài)，如有超標(biāo)，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。 管道頂部每隔30m ～50m 左右設(shè)置一個(gè)高程測(cè)量標(biāo)尺，標(biāo)尺固定在管道頂部隨沉管一同下沉，可以監(jiān)測(cè)管道的高程。 當(dāng)沉管下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高以上0.8m 時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減慢下沉速度，每天不大于0.3m，沖泥吸泥力度應(yīng)減少，加強(qiáng)應(yīng)力及下沉監(jiān)測(cè)，防止超沉發(fā)生。

(3) 沖泥裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用分段布置的方式。 每段沖泥裝置互相獨(dú)立，采用不同的控制器控制沖泥裝置噴頭壓力。 采用此方式可以隨時(shí)調(diào)節(jié)管道的下沉姿態(tài)，控制下沉中產(chǎn)生的沉降差。沖泥器沿管道長(zhǎng)度方向(縱向)均分為7 段，每段(橫向?yàn)? 根沖泥器)采用一個(gè)控制器控制水流壓力，共設(shè)置7 個(gè)控制器。 按照先中心、后兩邊的原則進(jìn)行沖泥下沉，第四段→第三段、第五段→第二段、第六段→第一段、第七段，如圖 6 所示。 每段每次下沉深度不大于200mm，重復(fù)這樣的順序，直至管道下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

有人說(shuō)，一個(gè)公司的氣質(zhì)多少與其掌舵人有關(guān)，臺(tái)資企業(yè)栢科富翔之行讓我們深有同感。想象一下，一個(gè)中式復(fù)古風(fēng)格的房間，屋內(nèi)看似隨意擺放的物件，空氣中若有似無(wú)的檀香，是不是有一種偷得浮生半日閑的愜意。如果不是攝像機(jī)在一旁忠實(shí)地提醒，我似乎會(huì)忽略掉我們正在采訪栢科富翔董事長(zhǎng)吳重蔚。更令我們意外的是，眼前這位說(shuō)話不緊不慢、氣質(zhì)安靜柔和的掌門(mén)人所擁有的 “霸氣”履歷——哈佛畢業(yè)，資深建筑師，于舊金山開(kāi)有建筑事務(wù)所。跨界、國(guó)際化，自帶話題屬性的吳重蔚頓時(shí)引發(fā)了我們強(qiáng)烈的好奇，為什么會(huì)進(jìn)入印刷？建筑師的經(jīng)歷對(duì)印刷事業(yè)有何幫助？想把公司推到一個(gè)什么樣的高度……面對(duì)我們拋來(lái)的問(wèn)題，吳重蔚逐一耐心解答。

圖6 沖沉法沉管沖泥裝置分段Fig.6 Segmentation of jetted device in the jetted and immersed pipe

(4)管道沖沉?xí)r，同時(shí)采用下面兩種助沉措施：①河面吸泥船吸泥器助沉，將沖起的泥漿吸走，減小泥漿容重使得管道下沉； ②管道上綁混凝土配重[3]。

(5)沖沉法沉管工程其主要施工工序?yàn)椋簠?shù)計(jì)算→測(cè)量放線→鋼管結(jié)構(gòu)組焊→無(wú)損檢測(cè)→試壓→防腐補(bǔ)口→沖泥器安裝施工→應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝→河底測(cè)量→河底平整→漂管沉降→管道測(cè)量→限位樁施工→水下沖沉→吸泥助沉→格賓網(wǎng)箱護(hù)底→護(hù)岸及地貌恢復(fù)。

(6)沉管限位樁施工：限位樁采用預(yù)制方樁或鋼管樁，限位樁設(shè)置在管道彎折處，沿管道軸線方向在管道彎折處前后各3 排，每排2 根分布于管道兩側(cè)，限位樁與管道凈距0.3m，限位樁可以防止管道下沉過(guò)程中翻轉(zhuǎn)，并能防止下沉?xí)r沉管軸線偏差，有利于管道定位及姿態(tài)調(diào)整。

管道沖泥下沉過(guò)程中，應(yīng)力監(jiān)測(cè)、沖泥器壓力調(diào)整、吸泥助沉這三大要素應(yīng)形成一個(gè)三位一體的有機(jī)整體，通過(guò)三者的有機(jī)結(jié)合使得管道穩(wěn)定下沉。

2.4 沖沉法沉管基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

(1)沉管沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，通過(guò)高壓沖泥器進(jìn)行注漿，加固管道周邊被攪動(dòng)土體[3]。

(2)注漿水泥為強(qiáng)度等級(jí)42.5MPa 的鮮普通硅酸鹽水泥，壓力 0.4MPa ～ 1.2MPa，水灰比0.5 ～1.0，注漿為水泥 -水玻璃雙漿液注漿，注漿范圍為管道沖沉?xí)r周邊被攪動(dòng)土體，注漿示意如圖7 所示。

圖7 沖沉法沉管沖泥裝置注漿Fig.7 Grouting of jetted device in the jetted and immersed pipe

3 沖沉法沉管有限元計(jì)算

3.1 模型建立

表1 建模材料參數(shù)Tab.1 Modeling material parameters

圖8 沉管整體模型Fig.8 Integral model of immersed pipe

3.2 分析步

ABAQUS 建模計(jì)算時(shí)，通過(guò)控制生死單元來(lái)模擬管道的安置。 首先進(jìn)行土體地應(yīng)力平衡，使土體內(nèi)只有應(yīng)力場(chǎng)，沒(méi)有位移場(chǎng)。 隨后殺死管道位置的土體單元，激活管道實(shí)體單元，并建立土與管道結(jié)構(gòu)之間的接觸關(guān)系。 最后使管道受重力，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9 ～圖12。

圖9 管道水平應(yīng)力(單位：N/m2)Fig.9 Horizontal stress of pipeline(unit：N/m2)

圖10 管道豎向位移(單位：m)Fig.10 Vertical displacement of pipeline (unit：m)

圖11 土體豎向應(yīng)力(單位：N/m2)Fig.11 Vertical stress of soil (unit：N/m2)

圖12 土體豎向位移(單位：m)Fig.12 Vertical displacement of soil (unit：m)

圖13 沉管底部水平應(yīng)力ig.13 Horizontal stress at the bottom of immersed pipe

圖14 沉管豎向位移Fig.14 Vertical displacement of immersed pipe

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，管道最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在沉管彎折處附近，最大應(yīng)力值為121MN/m2，見(jiàn)圖13。 最大位移出現(xiàn)在沉管中心處，最大位移值為 57.86mm，見(jiàn)圖14。 最大水平應(yīng)力及位移均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)沖沉法沉管進(jìn)行詳細(xì)的研究，得出主要結(jié)論如下：

1.本文將沉井不排水法下沉中沖泥吸泥的思路用于沉管工程，研究出一種全新的沉管工法；

2.改進(jìn)了傳統(tǒng)沉管中的一些不利因素，以沖代挖，去解決實(shí)際工程中的一些問(wèn)題；

3.在該工程實(shí)施過(guò)程中，各技術(shù)環(huán)節(jié)均全面考慮，各項(xiàng)技術(shù)措施使用得當(dāng)，目前該工程推進(jìn)過(guò)程順利，為類(lèi)似工程提供了一種可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

沖沉法沉管在設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中還應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：(1) 沖泥器設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)在全面開(kāi)始施工之前在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)段試驗(yàn)，最終確定設(shè)計(jì)參數(shù)； (2) 本工法仍然處于起步階段，還需要持續(xù)深入的研究。