陳玲 廣東省源天工程有限公司

沉管施工技術于19世紀末開始應用于輸水管線工程中，科技的發(fā)展促使這一技術得到相應的優(yōu)化與完善，拓寬技術應用范圍。長距離輸水管線的施工難度大，且水下作業(yè)的風險性高，若采取傳統(tǒng)的沉管方法會因建設架空橫過水道支架、修建水中圍堰等作業(yè)而影響航道正常通行，還會增多工程量與施工成本。對此，需注重管線水下整體下沉施工技術的運用，優(yōu)化施工流程，提高管線工程施工效率與質量。

1.沉管施工技術應用優(yōu)勢分析

對于水下作業(yè)的長距離輸水管道工程來說，可借助沉管施工技術來保障整體施工效果，技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）適應能力強。基槽開挖深度較淺，開挖以及基礎處理施工工藝流程簡單。且在水浮力的作用下，可減輕地基總荷載，削弱沉管自身重量對地基結構穩(wěn)定性的影響。由于管段施工時，按照先預制再浮運沉放的施工工序，減少在水下環(huán)境的工作量，因此，這一技術適用于深水作業(yè)中，水流速以及潮差對于技術的應用效果影響程度不大；（2）施工期間，大多數(shù)作業(yè)于岸上進行，只需將完成制備的管道按照要求下放至水下便可，只涉及到少部分的潛水作業(yè)，施工人員不必承受水壓，為作業(yè)安全提供基本保障；（3）每節(jié)管線較長，對于長距離輸水管線，只使用少量的預制管段便可搭建而成，且基槽開挖和預制管段制作、運輸工作同時進行，既提高施工效率，還規(guī)避各作業(yè)環(huán)節(jié)彼此間的干擾；（4）水下基槽開挖時，土方量較少，與地面上的挖土單價相比，施工成本較低，而管段預制的施工形式所需費用也遠低于盾構隧道施工方法。

2.沉管施工技術原理及要點研究

2.1 技術原理

管線下沉施工技術是在岸上執(zhí)行鋼管焊接工作，達到穩(wěn)固后，借用吊裝設備將其平穩(wěn)放置于水面上，再加以運輸船的配合，緩慢下放管道，在充水后自動下沉，直達底板，鋼管安放結束后組織回填施工。與以往跨河道管線布設形式相比，可省去斷水圍堰修建、河道架空橫跨等施工流程，直接在岸上進行焊接并按照要求下放至水下便可，極大程度地提高施工效率，降低工程造價。同時，這一技術大多環(huán)節(jié)在水下工作，可保證道路交通的順暢性。

2.2 管段平移

與岸邊距離較近的管線吊放下水后，遠離岸邊的管道需要借助氣囊運輸至岸邊。通常來說，平移氣囊共有4組，彼此間的距離控制在50m左右。在此之前，應將鋼板平整鋪放在氣囊移動線路上，并為氣囊配備專用托架，兩側放置同規(guī)格墊塊，以達到鋼管固定的目的。將牽引繩兩端分別設置在起重船與托架前進端構件上，實現(xiàn)氣囊的移動，但在橫移過程中，應加強對管線防腐層的保護。

2.3 壓力試驗

所有下沉的管線至少進行三次壓力試驗，具體要求、試驗開展時間如下：第一次試驗在岸上管道拼裝、焊接作業(yè)結束后且在吊運下沉前進行，設定的試驗壓力約0.9MPa；第二次試驗于管線完全下放至水中時進行，壓力設置為0.1MPa；第三次試驗開展于下沉結束后、回填前，試驗壓力為0.9MPa。分段制作管線是沉管施工技術的突出特點，因此，需保證首次試驗時應在管線制備場地對待下沉所有管段進行水壓試驗。

2.4 水面對接

岸上作業(yè)空間有限，盡量設計管線兩段成型施工方案，利用起重船執(zhí)行水面上各段管線的對接。這一施工工藝的操作難度較大，且作業(yè)條件較復雜，對接質量是管道是否成型的關鍵，亦是保障施工作業(yè)安全的重要前提。在此期間，如果管道受到較大程度的干擾，便無法保證下沉位置的準確，還會增大水面對接焊接難度，不利于管道快速、高質量成型。開展焊接工作時，如果未嚴格按照施工順序進行，極易引發(fā)眾多施工質量問題，并增大作業(yè)風險。這就需要合理選擇管線對接水域，盡可能在水浪小、水流緩的區(qū)域進行，確定最適宜的施工時間。同時，應加大對水域其他行駛船只的管控，盡量避開船舶行進路線，以此降低外來船只對施工進度的不良影響。

水面對接施工流程如下：①打造對接工作艙。若無特殊施工要求，可將水面工作艙規(guī)格設計成4×7×2.4m。應保證管道外壁與對接工作艙具備極強的水密性，為達到這一施工標準，需在工作艙制作時，科學、嚴格把控設計精度；②完成工作艙設計、制作后，立即組織管線與工作艙彼此間的吻合試驗，只有達到規(guī)定的密封要求后，才可執(zhí)行后續(xù)作業(yè)；③根據(jù)施工空間以及實際工作量，引進起重船開展管線下沉定位工作；④組織施工人員按照設計圖紙以及操作說明書安裝水面對接工作艙。這一施工工序應用的施工設備為起重船，將工作艙設置在管線對接口處，檢驗合格后，借助4個10kN手拉葫蘆收緊管線與工作艙；⑤將2臺直徑為2cm的潛水泵引入現(xiàn)場，其作用是盡數(shù)抽出艙內(nèi)的囤積水；⑥使用板條以焊接的形式整合兩段管線；⑦安排專業(yè)焊接人員進入工作艙開展接口焊接工作，達到所要求的施工質量后，使用打磨設備平滑處理焊口，再釋放超聲波，對焊口內(nèi)部質量進行檢驗，細致、全方位清潔、烘烤焊口，并做好防腐處理工作；⑧組織施工者按照操作流程圖拆卸工作艙，此時便可宣告水面對接施工結束。

3.輸水管線水下整體下沉施工技術在工程中的具體運用

3.1 項目背景

某退圩還湖試點項目的取水設施經(jīng)改造后，原有的取水泵站與取水頭部向南移動600m，結合改造后的工程情況，對取水規(guī)模進行優(yōu)化設計為11萬t/d。取水管道采用DN1000雙排埋設方式設置，開挖總長度2.7km，經(jīng)測量，取水設施占地面積約4000m，包括取水泵房、加藥間、監(jiān)控室以及輔助用房組成，不同設施的功能存在較大差異，在彼此間聯(lián)動作業(yè)下，賦予取水工程更強的控制、配藥、加藥、藥劑存儲等功能，其中，控制功能主要體現(xiàn)在可全過程、跟蹤管控4臺200kW離心泵方面。

輸水管線工程受地形條件的限制，最初設計時，K1+400—K1+640段橫穿固城湖堤壩，K1+640—K2+640段埋于湖底，施工工藝復雜，增大施工難度。結合現(xiàn)場實際情況以及匯總得到的各項調(diào)研數(shù)據(jù)，決定采用頂管施工、明挖施工、沉管施工相結合的作業(yè)形式。具體施工時，發(fā)現(xiàn)沉管作業(yè)開展難度較大，主要是因為作業(yè)區(qū)域開展于飲用水水源地，且航道與湖泊通聯(lián)，船舶數(shù)量多，為保證不影響船只的正常運行，當?shù)卣?guī)定的施工周期短，同時，又提出綠色、環(huán)保施工要求。此外，湖中多個區(qū)域的水深超過2m，意味著開挖基槽的深度應大于7m，提高水下作業(yè)危險系數(shù)，還不利于施工的有序進行。

于是，沉管施工前，所有參建人員組織會議，借鑒相似案例施工方法，最終決定采取整體式沉管施工形式，運用管線水下整體下沉施工技術實現(xiàn)管線工程的水上+水下進行。選用的取水管道規(guī)格為DN1000×2，單根管道長度達1km，管中心標高為0.06m，管道底端的土質構成有黏土、粉質黏土、淤泥質黏土。而素填土與雜填土表現(xiàn)出良好的工程性質，可將其設計成管道基礎持力層。

3.2 施工準備

沉管水下基槽開挖前，應保證所有設計圖紙以及施工方案審批通過，建設方需辦理與當?shù)丨h(huán)保部門、海事單位、航務單位等職能部門的審批備案手續(xù)，依據(jù)審批部門提出的各類意見積極落實施工準備工作。同時，還需通過互聯(lián)網(wǎng)、新媒體軟件告知施工時間以及區(qū)域等，為航道運行調(diào)整提供參考。施工范圍內(nèi)應沿岸設置醒目標識牌，以起到警示的作用，便于船舶行駛速度與方向的調(diào)控。還需做好作業(yè)區(qū)域內(nèi)航道交通疏導工作，增設航標、航道頻閃警示燈。完成所有施工審批程序手續(xù)辦理后，組織各施工設備及船只陸續(xù)進入施工現(xiàn)場，包括起重船、挖泥船、拖船等。

3.3 管道發(fā)射

以往所開展的管線下沉施工常采用接近岸邊組織管線加工、拖拽入水的作業(yè)方式，從而達到省去水下法蘭連接的施工環(huán)節(jié)，但也暴露出另一方面的不足即管道入水前若向其長時間施加較大拖拽力，極易損壞管線外部的防腐層。而水上加工可防范對管道表層的破壞，降低管線運行風險，卻增多水下連接作業(yè)量，不利于對管線工程造價的有效控制。為從根本上優(yōu)化、改良沉管施工工藝，充分發(fā)揮技術優(yōu)勢，便在工程執(zhí)行前研發(fā)一款管道發(fā)射裝置，以此達到管道無傷下水的目的。

發(fā)射裝置構成包括5部分即焊接操作井、制定卷揚機、牽引卷揚機、軌道發(fā)射平臺、軌道車。當完成每三根鋼管起吊裝載并移動到軌道上后，作業(yè)人員便需在焊接操作井中執(zhí)行管線對接焊接施工；完成一節(jié)36m管線焊接后，運行船舶卷揚機，向管線施加牽引力，以保證管道緩慢、勻速滑行。管道發(fā)射至指定位置后，湖岸側卷揚機會自動收緊鋼絲繩進行制動，完成最后一段管線拼裝、焊接作業(yè)后，使用法蘭盲板進行密實封堵，直至管線整體入水，運行器械船將其托運至下沉定位點。重復上述施工流程，最終可得到長度為1km的長距離輸水管線。

3.4 作業(yè)規(guī)劃

要想保證管線下沉施工作業(yè)的順利、有序進行，并在規(guī)定工期內(nèi)高質量完成各項施工任務，設計的施工方案如下：結合現(xiàn)場情況，合理劃分水上工程得到兩個工作面，并為不同作業(yè)分別配置充足施工人員同時開展施工。其中一個施工團隊在取水泵西側岸灘打造鋼管發(fā)射平臺，其作用是焊接、發(fā)射鋼管，確保最終搭建的管線總長度達到1km；另一施工團隊負責水下土方開挖，由于管線下沉區(qū)域與現(xiàn)處于運行中的航道線路有交叉，為降低施工對通航的影響，最終決定采取分兩段、同方向的施工方法，在此期間，嚴格按照政府提出的要求合理、科學布設警示標識，以保障沉管施工、通航安全。

水上開挖深度達150m后，需立即組織施工人員開展水上定位樁與溝槽基礎平整施工，由于管線較長，因此管線下沉敷設分為三段進行：①中間段。下沉管線的長度約1004m；②取水頭部段。這一分段的管線較短，約7m；③頂管連接段。完成沉管區(qū)域的開挖作業(yè)后，使用盲板實現(xiàn)管線兩端法蘭的連接，并在注水口處安裝讀數(shù)準確的壓力表。

各項作業(yè)完成后，利用發(fā)射平臺將管線輸送至指定位置。待其平穩(wěn)后，組織施工人員開展水壓試驗。為獲得準確的試驗結果，需保證所選用的壓力表配備有專業(yè)機構出具的檢驗合格證書。將水注入管道中，從管道內(nèi)部施加壓力，當達到規(guī)定壓力值后，開啟排氣閥，盡數(shù)排出管道中的空氣，再由技術人員對管道整體情況，如密實度、完好程度進行細致、全面檢查。在此期間，需做到對壓力表顯示數(shù)值的全過程觀察與詳細記錄，直至內(nèi)部空氣排出后，再逐步升壓，達1.5MPa時立即停止。壓力趨于穩(wěn)定后，檢查管體、各接口是否有滲漏問題，只有在滿壓狀態(tài)下靜置10min且壓力值下降小于0.05MPa，便可判斷管道整體質量達標。

3.5 溝槽開挖

水下的溝槽開挖施工受作業(yè)條件的限制會遇到較多突發(fā)性事件，不利于開挖施工的安全、秩序進行。因此，施工放樣時，盡量于岸上進行，具體來說就是將溝槽邊線以及管道中軸線引到湖岸，借助導標的方式實現(xiàn)對施工工序的有效控制。使用長度為3m的花桿測量導標，依據(jù)施工標準確定相鄰導標的間距，應始終超過管線施工長度的0.2倍。作業(yè)期間，運行全站儀復核所有數(shù)據(jù)，確保溝槽開挖平面位置的準確性。施工前，還應安排專業(yè)人員重新測量河道斷面，以管道中心線為基準，彈一條鋼絲繩，而測量人員則在交通船的幫助下實現(xiàn)對管線位置的有效測量，測繪作業(yè)需每行進1m進行一次，使用的測量工具有測繩、鉛錘，整合所有測量結果繪制出河床橫斷面。

溝槽開挖工程的特點主要表現(xiàn)在工期短、難度大、縱向距離長、工作量多等方面，對各類因素加以綜合考量，決定選用的開挖設備為反鏟挖泥船。且由于施工位置在運行的航道線路上，因此，1km的輸水管線溝槽開挖劃分為兩段進行，但同時施工：第一段開始于管道中間，朝著岸邊的方向延伸；第二段的起始位置于最遠端，同樣以岸邊為方向組織施工。在此期間，應適當增加管道與取水頭部段連接部位的開挖深度，以保證作業(yè)空間的充足性。挖泥時，使用八字錨，并為每艘挖泥船配置兩艘自航泥駁船，其中一艘的工作是在水上進行裝泥，另一艘則停靠在岸邊，將泥土運輸至指定場地。采取分段開挖原則，將航道中心線作為基準，先在航道右側約45m寬的水域開展施工，另一側則用于通航。完成開挖作業(yè)后，再對航道左側進行處理，確保航線正常運行。

3.6 溝槽回填

沉管管線溝槽回填時使用的回填土為該作業(yè)區(qū)域開挖得到的土方，先將開挖淤泥運輸至固定拋泥點，為管線下沉施工創(chuàng)造有利條件，施工結束后再將原土拋卸于溝槽中?；靥顣r，應在管線兩側以及中間部位均勻拋填，遵循對稱、分段回填原則，嚴禁出現(xiàn)單側回填過多或過少問題，防范下方管線或溝槽受力不均引發(fā)管道局部變形。作業(yè)期間，應做到隨填隨測，并安排專業(yè)潛水員定期檢查水下溝槽回填進度，確保施工質量。

4.結束語

長距離輸水管線下沉、敷設施工難度較大，施工組織復雜，為保證施工效果與安全，不影響船舶正常通行，需注重管線整體下沉施工技術的運用，充分發(fā)揮其可操作性強、適應性廣、工藝科學等優(yōu)勢，從根本上處理沉管深水穿越難、施工作業(yè)成本高、施工周期有限、下沉施工污染大等問題，以保證管線工程生態(tài)效益、經(jīng)濟效益以及社會效益。