徐欽明，張 益，劉少林，趙 琰，張貴保，劉 凱

(1.中鐵建工集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.東莞市建筑科學(xué)研究院有限公司，廣東 東莞 523000)

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，水資源的開發(fā)利用越來越受到重視，涉及的城市地下基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目越來越多，地下排水系統(tǒng)穿越江河的情況越來越多，進(jìn)而推動沉管施工技術(shù)的革新與發(fā)展，同時也帶來了很多挑戰(zhàn)。當(dāng)前給排水工程穿越江河常用的方式主要為架空管、沉管、頂管、圍堰開挖等[1- 2]，其中沉管由于施工周期較短，施工成本低，操作條件好、施工安全，適用水深范圍較大等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越多的應(yīng)用[3- 4]。目前，隨著使用管道直徑的不斷增大，傳統(tǒng)沉管焊接對中一次焊接質(zhì)量差，施工效率低，在較長沉管施工過程中，傳統(tǒng)技術(shù)使用簡易浮臺作為工作平臺，供操作人員行走、拼接鋼管以及焊接加固工作，管道之間對接精確性較差，耗時耗力，沉管在下沉作業(yè)過程中，姿態(tài)調(diào)整、下沉定位作業(yè)吊船多，協(xié)調(diào)配合難度大，施工效率和精度低[5- 7]。因此，在充分研究現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上[8- 10]，研發(fā)一種工藝簡單，精度和效率高，成本較低，綠色環(huán)保，且實(shí)用性較強(qiáng)的復(fù)雜流域過河沉管施工技術(shù)成為沉管技術(shù)發(fā)展的重要一環(huán)。

為解決上述問題，開發(fā)一種復(fù)雜流域過河沉管施工技術(shù)就顯得十分必要。本技術(shù)成功地在“番禺區(qū)取水口優(yōu)化整合工程-東部輸配水管道工程(標(biāo)段二)項(xiàng)目得到應(yīng)用，本文將通過具體項(xiàng)目，闡述復(fù)雜流域過河沉管施工技術(shù)的主要內(nèi)容。

1 工程概況

“番禺區(qū)取水口優(yōu)化整合工程-東部輸配水管道工程(標(biāo)段二)”項(xiàng)目，項(xiàng)目實(shí)施時間為2020年3月—2021年1月，為廣州市番禺區(qū)重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目，建設(shè)DN2200管道總長約9.38km，沉管采用焊接式DN2200鋼管，需跨越紫坭和附近河涌，沉管段總長度約為210m。過河沉管施工是輸配水管道工程的關(guān)鍵一環(huán)，過河沉管快速高效的施工，不僅可有效控制項(xiàng)目工期和質(zhì)量，而且減少對環(huán)境和周邊居民的影響，早日實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行，造福番禺人民。

2 關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容

2.1 大直徑鋼管輔助焊接裝置設(shè)計(jì)

2.1.1大直徑鋼管輔助焊接裝置組成

大直徑鋼管輔助焊接裝置由10固定臺座、11側(cè)向支撐結(jié)構(gòu)兩大部分組成，其中10固定臺座包括101H型鋼底座和102卡位槽鋼，11側(cè)向支撐結(jié)構(gòu)包括111側(cè)向支撐槽鋼和112卡位鋼釘(如圖1—3所示，圖中2為大直徑鋼管)。H型鋼為大直徑鋼管放置的底座，卡位槽鋼為H型鋼上限制鋼管水平移動的卡位裝置，它由2塊槽鋼焊接而成，卡位槽鋼根據(jù)焊接鋼管的直徑確定在H型鋼的位置，并緊貼大直徑鋼管，卡位槽鋼對稱分布于H型鋼上，限制大直徑鋼管的移動，H型鋼和卡位槽鋼通過焊接進(jìn)行連接；側(cè)向支撐槽鋼與地面成45°，其一端與大直徑鋼管進(jìn)行焊接，側(cè)向支撐槽鋼另一端置于地面，卡位鋼釘緊貼側(cè)向支撐槽鋼打入地面一定深度，通過側(cè)向支撐槽鋼和卡位鋼釘實(shí)現(xiàn)對大直徑鋼管的水平移動。各構(gòu)件可通過廠家定制，設(shè)備造價較低，各構(gòu)件通過焊接進(jìn)行組裝，安裝快捷。

圖1 輔助焊接裝置焊接平面布置示意圖

圖2 輔助焊接裝置橫剖面示意圖

圖3 輔助焊接裝置現(xiàn)場圖

2.1.2大直徑鋼管輔助焊接裝置工作原理及步驟

本施工裝置工作原理及步驟如下：①場地整平和硬化后，根據(jù)每節(jié)管道的長度和尺寸確定卡位槽鋼高度、在H型鋼上的位置、以及側(cè)向支撐槽鋼長度，并對固定臺座各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互的焊接固定。②根據(jù)各節(jié)鋼管直徑和長度，排列放置固定臺座，各臺座應(yīng)平行且中心線在一條直線上，每節(jié)鋼管按2個臺座進(jìn)行設(shè)置，且臺座離該節(jié)鋼管最近端部距離為管節(jié)長度的1/4。③利用吊車和工人輔助將管節(jié)吊至固定臺座，且各相鄰管節(jié)對中正直緊貼。④根據(jù)前期確定的側(cè)向支撐槽鋼長度確定卡位鋼釘位置，卡位鋼釘對稱布置于鋼管兩側(cè)，兩側(cè)卡位鋼釘連線與單節(jié)鋼管垂直，且與單節(jié)長度中線重合，先施工卡位鋼釘，然后側(cè)向支撐槽鋼一端緊貼卡位鋼釘，另一端與鋼管焊接。鋼管兩側(cè)對應(yīng)布置。⑤進(jìn)行多節(jié)大直徑鋼管的同時焊接，焊接完成后，檢查焊接質(zhì)量滿足要求，該部分大直徑鋼管焊接完成。⑥拆除側(cè)向支撐槽鋼，利用吊車吊出已焊接好鋼管，重復(fù)步驟②～⑤，其中④只需安裝側(cè)向支撐槽鋼，直至完成大直徑鋼管焊接。

2.2 水上管道拼接裝置設(shè)計(jì)

2.2.1水上管道拼接裝置組成

水上管道拼接裝置由1安裝件、2箱體、3緩沖墊、4對拉螺桿、5螺帽等部分組成(如圖4—7所示)，其中2箱體包括201骨架、202鋼板。箱體的上方開設(shè)用于放置管道的管槽，使得管道能夠置于漂浮于水面的單一箱體上，便于水上拼接管道。在相鄰箱體之間安裝由硬質(zhì)材料制成的對拉件，通過對拉件控制相鄰箱體之間的距離，且在箱體的四周均勻設(shè)置用于限制對拉件徑向運(yùn)動的安裝件，使得對拉件能夠在相鄰箱體之間對齊，提升了管道之間拼接的精確性；同時，管道接口對接速度快，省時省力，提高了拼接工作的效率。

圖4 水上管道拼接裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 水上管道拼接裝置對拉件示意圖

圖7 水上管道拼接裝置現(xiàn)場實(shí)物圖

2.2.2水上管道拼接裝置工作原理及步驟

本施工裝置工作原理及步驟如下(如圖8所示)：①利用吊船將岸上焊接兩端密封的分段沉管浮運(yùn)至指定江河的指定位置；②將預(yù)對接管節(jié)相鄰端分別放置于箱體上，利用浮力讓管道和箱體均浮在水面上，通過對拉螺桿穿過相鄰管道扣實(shí)現(xiàn)軸向一致，用對拉螺桿調(diào)節(jié)箱體之間距離的方式，擰緊螺帽，使水面上管道慢慢靠攏對接；③待對接相鄰沉管段軸線一致，相鄰箱體之間的管道接口對齊，2處浮箱平臺緊拉完成后，工人以箱體為作業(yè)平臺對相鄰沉管段進(jìn)行對接成型焊接作業(yè)，完成沉管對接成型。

圖8 水上管道拼接裝置工作步驟

2.3 新型沉管下沉安裝工藝

2.3.1新型沉管下沉安裝工藝所需設(shè)備

新型沉管下沉安裝工藝所需設(shè)備為起重船數(shù)艘，注水泵2臺，其中起重船艘數(shù)根據(jù)沉管自重+注水自重-浮力自重所得值和單艘起重船起吊力綜合確定，注漿泵用于沉管兩端，以本項(xiàng)目最長沉管段為180m，鋼管型號為D2220×28的沉管為例，所需設(shè)備為：3艘200t起重船，2臺55KW水泵(管徑0.2m)。

2.3.2新型沉管下沉安裝工藝原理及步驟

本施工工藝原理及步驟如下：①沉管浮運(yùn)到指定位置，其中沉管兩端軸線位置與設(shè)計(jì)安裝后平面位置重合，管道浮運(yùn)及注水過程中，管道軸線始終保持水平，當(dāng)管道處于懸浮狀態(tài)時，即刻停止注水；②采用控制沉管兩端軸線和兩岸沉管定位樁連線重合，將總成管道兩端同時用起重船吊離水面0.5m，起吊過程中兩端的起吊速度與角度要保持一致，起吊到指定高度以后，管道兩側(cè)的水將流向中間管道，管道中部自身重力+管內(nèi)水的重力>管道浮力，管道在重力的作用下，管道軸線會自動糾正為豎直方向，同時通過調(diào)整沉管中間部位的起吊船吊繩長度，控制沉管姿態(tài)調(diào)整速度，減少兩端鋼吊繩對沉管的破壞，最終實(shí)現(xiàn)沉管姿態(tài)調(diào)整；③管道姿態(tài)調(diào)整后，對沉管內(nèi)注1min，停止注水，3艘吊船同時以相同的速度緩慢下放鋼纜，在接近就位標(biāo)高+20cm時，暫停下沉，全站儀再次精確定位，然后緩慢就位，從而實(shí)現(xiàn)沉管下沉安裝。

2.4 復(fù)雜流域過河沉管施工步驟

通過借鑒和吸取國內(nèi)外過河沉管施工的經(jīng)驗(yàn)，對復(fù)雜流域過河沉管施工技術(shù)進(jìn)行了研究，確定具體施工步驟如下。

(1)施工準(zhǔn)備。施工前需進(jìn)行材料及機(jī)械的選擇(見表1)、進(jìn)場，鋼管岸上焊接的施工場地的選擇和處理；建立測量控制系統(tǒng)、建立水尺施工導(dǎo)標(biāo)等；準(zhǔn)備好相關(guān)施工材料和手續(xù)。做好施工信息公告，做好施工區(qū)段交通疏導(dǎo)，設(shè)置警示牌、航標(biāo)和航道頻閃警示燈等。

表1 機(jī)械設(shè)備表

(2)對沉管下沉位置和水下管槽位置進(jìn)行測量放樣和定位。

(3)水下成槽施工。按照設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)行基槽開挖，基槽基礎(chǔ)處理施工，并通過水上地形雷達(dá)掃描和水下人工驗(yàn)槽保障水下成槽質(zhì)量。

(4)管道焊接制作。利用開發(fā)的大直徑焊接輔助裝置按照裝置工作原理及步驟對鋼管進(jìn)行焊接，根據(jù)需要可制作成管或多段沉管，成管或各段沉管兩道采用鋼板密封。

(5)管道吊運(yùn)、水上浮運(yùn)。吊車或起重船將成管或各段沉管起吊入水面，由于浮力大于沉管自重，沉管懸浮于水面上。當(dāng)沉管分多段時，應(yīng)按照水上管道拼接裝置工作步驟進(jìn)行沉管成型對接，并經(jīng)檢測滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。對于總成管沉管，利用3艘錨艇進(jìn)行水上浮運(yùn)工作，每艘錨船用纜繩與總成管道吊環(huán)相連接，進(jìn)行水上拖運(yùn)。浮運(yùn)過程中，總成管保持水平狀態(tài)，完成總成管橫管，沉管兩端軸心點(diǎn)連線與沉管兩岸定位樁連線重合。如圖9所示。

圖9 總成管段姿態(tài)調(diào)整現(xiàn)場施工

(6)管道下沉安裝。結(jié)合新型沉管下沉安裝工藝原理和步驟進(jìn)行操作。在接近就位標(biāo)高+20cm時，暫停下沉，全站儀再次精確定位，然后緩慢就位；起重船放松吊鉤，當(dāng)2艘起吊船的吊纜稍有松弛，證明管道已坐床，此時應(yīng)將吊纜稍上升，使其帶緊管道。全站儀檢測控制點(diǎn)點(diǎn)位，若有平面偏差，提起管道重新就位；當(dāng)高程高于標(biāo)準(zhǔn)時，由潛水員下水，探摸管道與墊塊的接觸狀況，采用高壓水槍進(jìn)行沖刷，使管道下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。若高程低于標(biāo)準(zhǔn)時，指揮起吊船收攏鋼纜，使管道上升至設(shè)計(jì)標(biāo)高+50cm，人工堆砌碎石，調(diào)整墊塊至設(shè)計(jì)標(biāo)高，重新就位。如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場下沉定位

(7)穩(wěn)管及溝槽回填。管道精準(zhǔn)就位后，由潛水員在每個墊塊兩側(cè)安裝一個楔子固定管子，管子固定后方可撤掉起重設(shè)備。溝槽回填采用15～30mm的級配碎石回填至管頂1m以上，其他部分采用自然土回填至原河床標(biāo)高。

(8)驗(yàn)收。根據(jù)規(guī)范要求對管道進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)收。

如上所述施工步驟施工方便、操作較簡單，可大幅提高沉管施工效果和效率，且節(jié)省大量的水資源和人力物力，很好的踐行綠色節(jié)約的社會理念。

3 技術(shù)適用范圍

復(fù)雜流域過河沉管施工技術(shù)適用于大直徑鋼管沉管的施工，尤其是內(nèi)徑大于等于2000mm而岸上焊接和水上對接質(zhì)量難保障，沉管下沉安裝精度和效率低的的過河沉管施工，適用于市政、水務(wù)等過河的大直徑鋼管沉管工程，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 經(jīng)濟(jì)及社會效益

與傳統(tǒng)沉管施工技術(shù)相比，復(fù)雜流域過河沉管施工技術(shù)，開發(fā)大直徑鋼管輔助焊接裝置、水上管道拼接裝置和新型沉管下沉安裝工藝，提高沉管施工中大直徑鋼管管節(jié)岸上對中焊接精度和效率，在沉管較長時，可提高沉管水上對接成型精度和焊接質(zhì)量及效率，沉管下沉施工中，可提高注水下沉、姿態(tài)調(diào)整、下沉定位精度和效率，減少為保持精度的重復(fù)工作量，其平均每100m節(jié)約2d，總節(jié)約4.2d，每100m人工費(fèi)節(jié)省0.42萬元，材料費(fèi)節(jié)省約4萬元，設(shè)備租賃費(fèi)節(jié)省約3萬元，其他費(fèi)用節(jié)省1萬元，每100m總節(jié)省費(fèi)用約11.42萬元，節(jié)省總費(fèi)用約22.84萬元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

使用復(fù)雜流域過河沉管施工技術(shù)，極大地提高了施工效率和質(zhì)量，減少了工地文明施工強(qiáng)度，提高部分結(jié)構(gòu)的回收利用，提升現(xiàn)場文明施工形象，大大地提升了公司的整體競爭力。

5 結(jié)論

(1)開發(fā)了大直徑鋼管輔助焊接裝置、水上管道拼接裝置和新型沉管下沉安裝工藝，形成相應(yīng)的施工技術(shù)，提高了沉管施工精度和效率，達(dá)到幫助沉管高效高質(zhì)施工目的。

(2)復(fù)雜流域過河沉管施工技術(shù)適用于內(nèi)徑大于等于2000mm鋼管的過河沉管施工，尤其適用于市政、水務(wù)等過河的大直徑鋼管沉管工程。

(3)復(fù)雜流域過河沉管施工技術(shù)在工期上平均每100m節(jié)約2d，每100m總節(jié)省費(fèi)用約11.42萬元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)復(fù)雜流域過河沉管施工技術(shù)在過江河沉管工程中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值，隨著技術(shù)的不斷完善，復(fù)雜流域過河沉管施工技術(shù)將會得到大量的推廣應(yīng)用。