管道輸水工程開槽穿越河流的開挖及降排水研究

陳亮

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)110003）

管道輸水工程開槽穿越河流的開挖及降排水研究

陳亮

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)110003）

河流穿越工程成功與否的關(guān)鍵工作是施工導(dǎo)流與施工期降排水。遼河穿越工程施工，采用挖掘機(jī)結(jié)合挖泥船的開挖方案，在保證效率的同時(shí)降低了成本；采用井點(diǎn)降水的方式，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，合理確定井點(diǎn)降水參數(shù)，成功在2.5 km的河床內(nèi)實(shí)現(xiàn)全部干地施工；通過(guò)科學(xué)合理的導(dǎo)流、降水、開挖方案，成功壓縮工期4個(gè)月，節(jié)約建設(shè)成本約300萬(wàn)元。

管道輸水工程；穿越河流；挖泥船開挖；井點(diǎn)降水

1 工程概況

河流穿越工程作為各類線性工程的組成部分，決定著工程的建設(shè)工期與經(jīng)濟(jì)效益，甚至整個(gè)工程的成敗，而河流穿越工程的施工期降排水是決定整個(gè)工程成敗的關(guān)鍵。某工程穿越遼河段，位于遼寧省沈陽(yáng)市法庫(kù)縣境內(nèi)，屬于遼河中游地區(qū)。工程從東至西穿越遼河，工程樁號(hào)C093+533.6—C096+050，線路長(zhǎng)2.5 km，設(shè)計(jì)采用4根直徑3.2 m的鋼管同槽布置，鋼管外包鋼筋混凝土。主河床寬度為170 m，其余皆為灘地施工。鋼管單節(jié)長(zhǎng)度12 m，重24 t/節(jié)，焊接接口。

管道工程穿越河流的方式，主要分開槽施工和不開槽施工兩大類，該工程根據(jù)工程實(shí)際并結(jié)合投資評(píng)價(jià)，采用開槽施工方式。

2 水文氣象及地質(zhì)條件

工程所在地區(qū)多年平均氣溫為6.8℃，最高氣溫為35.9℃，最低氣溫為-30.5℃。最大凍土深度大于1.50 m。遼河枯水期汛后流量為229 m3/s。

管道斜穿河道，地貌單元為河漫灘地貌，主要由第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積組成，地勢(shì)開闊，地形起伏較大，地面高程67.0～72.5 m，在穿越段附近，河流成S形流向下游側(cè)，分別于左岸穿越段的下游側(cè)及右岸穿越段的上游有河道變化形成大型河灣水域與主河道相連；河道兩側(cè)建有防洪堤壩。

地下水位埋深為2.6～3.0 m，河床與河道兩側(cè)地下水位標(biāo)高相差不大。地下水類型為第四系孔隙潛水，主要接受大氣降水及地表水補(bǔ)給，并以地下水徑流的方式排泄于下游，主要含水層為粉細(xì)砂層，中等透水性，洪水期河水補(bǔ)給地下水。2013年8月16日特大洪水后，地下水埋深明顯提高，目前實(shí)測(cè)埋深約為1.2 m。

飽和粉細(xì)砂地層施工中易產(chǎn)生流砂、管涌等現(xiàn)象，并且具有高度的靈敏度、觸變特性，極易造成沉降過(guò)大或塌方現(xiàn)象。

遼河主河床段與管線穿越段橫斷面地形相對(duì)河灘部分略低，最大高差為3 m，最小高差為1 m，斷面有不規(guī)則起伏，河床斷面最大通水量為220 m3。

3 施工降排水

3.1 溝槽降排水

地下水控制工程的主要方法有基坑明溝排水、輕型井點(diǎn)降水、噴射井點(diǎn)降水、電滲井點(diǎn)降水、深井井點(diǎn)降水等幾種。該工程結(jié)合實(shí)際情況，選擇輕型井點(diǎn)降水作為主要降水措施。

輕型井點(diǎn)降水系在工程處圍豎向埋設(shè)一系列井點(diǎn)管深入含水層內(nèi)，以連接管與集水總管連接，再與真空泵相連，進(jìn)行抽水，使地下水位降低到基坑底以下。主要設(shè)備由井點(diǎn)管、連接管、集水總管及抽水設(shè)備等組成。該法具有機(jī)具設(shè)備較簡(jiǎn)單，使用靈活，裝拆方便，降水效果好，可防止流砂發(fā)生提高邊坡穩(wěn)定，降水費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)。[7]

重要的參數(shù)有滲透系數(shù)、井點(diǎn)布置、埋置深度、涌水量計(jì)算等，下面分別予以簡(jiǎn)要介紹。

3.1.1 滲透系數(shù)

根據(jù)建筑施工計(jì)算手冊(cè)表3-1,結(jié)合工程的地質(zhì)條件，滲透系數(shù)K值在1～20 m/d之間，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，該工程取6 m/d。

3.1.2 井點(diǎn)布置

根據(jù)基坑平面形狀與大小、地質(zhì)和水文情況、工程性質(zhì)、降水深度等而定。當(dāng)基坑（槽）寬度小于6 m，且降水深度不超過(guò)6 m時(shí)，可采用單排井點(diǎn)，布置在地下水上游一側(cè)；當(dāng)大于6 m或土質(zhì)不良、滲透系數(shù)較大時(shí)，宜采用雙排井點(diǎn)，布置在基坑（槽）的兩側(cè)。[7]

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)情況，該工程為單排布置，間距6 m，管徑30 cm。

3.1.3 埋設(shè)深度

工程溝槽最深13 m，要求地下水位降到槽底0.5 m以下，且基槽遠(yuǎn)離井點(diǎn)一側(cè)要求降深低于開挖基底不少于0.5 m，綜合考慮最小降深為13.5 m。

管井的埋置深度應(yīng)根據(jù)降水深度及含水層所在位置決定，一般必須將濾水管埋入含水層內(nèi)，并且比開挖基坑（溝、槽）底深0.9～1.2 m以上。

式中：H——井點(diǎn)管的埋置深度，m；H1——井點(diǎn)管埋設(shè)面至基坑底面的距離，取13 m；h——基坑中央最深挖掘面至降水曲線最高點(diǎn)的安全距離，一般為0.5～1.0 m；L——井點(diǎn)管中心至基坑中心短邊距離，m；i——降水曲線坡度，與土的滲透系數(shù)、地下水流量等因素有關(guān)，根據(jù)工程實(shí)測(cè)確定位0.3；l——濾水管長(zhǎng)度，取2 m。

H計(jì)算出后,為安全計(jì)，再增加1/2濾管長(zhǎng)度。井點(diǎn)管露出地面高度，一般取0.2～0.3 m。經(jīng)計(jì)算，H≥20.7 m，取H=21 m。

3.1.4 涌水量計(jì)算

根據(jù)建筑施工計(jì)算手冊(cè)，基槽滲水量：

式中：Q——單井涌水量；K——滲透系數(shù)；H0——有效帶深度；R——抽水影響半徑；S——水位降低值；X0——井點(diǎn)的半徑。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可知，馬道處降水管井所覆蓋的溝槽寬度約36.5 m，溝槽長(zhǎng)度暫定為100 m，實(shí)際開挖時(shí)根據(jù)開挖長(zhǎng)度延長(zhǎng)管井布置位置即可。開挖溝槽的長(zhǎng)寬比小于5，故可以將開挖溝槽假想成為半徑為X0的大井，X0=（36.5×100÷3.14）×0.5 =34.1 m。經(jīng)計(jì)算，Q=6 321 m3/d。

3.2 抽水設(shè)備選擇

管井井點(diǎn)降水每一個(gè)管井單獨(dú)用1臺(tái)水泵進(jìn)行抽水以降低地下水位。由于工程降水深度較大，考慮到潛水泵安裝簡(jiǎn)便、耗能少、效率高、成本低，可采用深井泵式潛水泵。根據(jù)管井井點(diǎn)的進(jìn)水量，選用潛水泵型號(hào)為150QJ32－30。

3.3 打井強(qiáng)度分析

馬道開挖完成后，在馬道上開挖降水管井，管井間距為6 m，深度16 m，直徑30 cm，粉細(xì)砂部位采用粘土封口，膨潤(rùn)泥漿固壁成井。300 m溝槽共102眼井，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，單臺(tái)打井機(jī)施工強(qiáng)度為4眼/d。投入5臺(tái)打井機(jī)用時(shí)5.2 d即可完成打井任務(wù)，實(shí)際安排7 d。

3.4 注意事項(xiàng)

由于溝槽上開口較寬，溝槽四周地下水位比較高，在整個(gè)施工過(guò)程中不間斷有帶壓水流向開挖面，因此施工降水應(yīng)從挖泥船開挖完第二層上岸后開始，持續(xù)到分段回填施工結(jié)束。在該過(guò)程當(dāng)中，注意馬道處井點(diǎn)降水速度大于基坑底部降水，這樣可以保證地下水滲透壓力不會(huì)作用在溝槽邊坡上，從而保證溝槽邊坡穩(wěn)定。

4 溝槽開挖

4.1 穿越段施工斷面設(shè)計(jì)

遼河穿越段溝槽開挖深度為8～12 m，溝槽分兩層布置，溝槽底層開挖高度為5 m，開挖坡比動(dòng)荷載一側(cè)1.00∶1.75，靜荷載一側(cè)開挖坡比為1.0∶1.5；溝槽底層上口寬34.5 m，兩側(cè)各預(yù)留2 m寬的馬道，溝槽頂層開挖高度為3～6 m，開挖坡比動(dòng)荷載一側(cè)1.00∶1.75，靜荷載一側(cè)開挖坡比為1.0∶1.5，溝槽頂口約寬59.3 m。穿越輸水管線為4× DN3200鋼管，管道設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，管間距為4 m，管線路長(zhǎng)2 260 m，單節(jié)供應(yīng)長(zhǎng)度12 m，重24 t/節(jié)?；A(chǔ)為10 cm厚C20混凝土墊層，鋼管360°外包C30混凝土（直徑處50 cm厚）；樁號(hào)C93+615.1～C94+890和樁號(hào) C95+067～C95+911為河灘部分，樁號(hào)C94+890～C95+067為主河床部分。斷面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。

溝槽土方開挖按照300 m一個(gè)循環(huán)進(jìn)行開挖，具體開挖分為3層，表層0.5 m部分土方開挖，采用挖掘機(jī)開挖，裝載機(jī)運(yùn)輸至表層土的堆土區(qū)。

圖1 管線穿越縱斷面設(shè)計(jì)圖

4.2 第一層開挖

1）平面布置

采用2臺(tái)液壓反鏟將開挖溝槽處的剝離表土以下4 m部分，沿縱向退挖甩土出槽后，再用裝載機(jī)運(yùn)至堆土區(qū)。 第一層開挖后初步形成的開挖溝槽，在溝槽蓄水后，為第二層挖泥船開挖創(chuàng)造下水作業(yè)條件。

2）功效分析

第一層開挖配備為3臺(tái)1.6 m3挖掘機(jī)和5臺(tái)ZL50裝載機(jī)。開挖深度4 m，開挖方量61 200 m3。采用挖掘機(jī)開挖、裝載機(jī)將開挖土倒運(yùn)至堆土區(qū)，推土運(yùn)距最大140 m、最小100 m。

裝載機(jī)每天工作20 h可運(yùn)土1 528 m3，5臺(tái)裝載機(jī)用時(shí)8.29 d可運(yùn)輸完成；挖掘機(jī)每天工作20 h，可挖土3 440 m3土方，3臺(tái)挖掘機(jī)5.9 d可完成開挖。施工周期按照9 d安排，平均每天開挖33 m。

4.3 第二層開挖

第二層開挖至溝槽底高程以上1 m，該層開挖高度6 m，溝槽深度按管道埋深6 m覆土考慮。主要采用挖泥船開挖，輔以挖掘機(jī)開挖，挖泥船開挖時(shí)預(yù)留馬道部分和邊坡開挖不到設(shè)計(jì)開挖邊線的部分采用挖掘機(jī)開挖整修到位。

1）挖泥船

穿越遼河土方開挖采用挖泥船開挖，挖泥船也可叫作抽沙平臺(tái),是指利用水力的作用,將高壓水槍噴射出的水柱沖起的淤泥（或細(xì)沙、海沙等）在水泵的作用下由管道輸送到目的地，船與抽沙設(shè)備一體，成本低、效率高，能從水下0～30 m抽沙；易可破泥層，從深水中提取泥砂。絞吸挖泥船具有挖掘、輸送和沙漿處理各個(gè)工序一次性完成的能力，能夠進(jìn)行連續(xù)抽砂作業(yè)。

挖泥船在該層開挖過(guò)程中主要作用是降水和開挖最中間部位（運(yùn)距最遠(yuǎn)）的土方，為了避免挖泥船開挖時(shí)造成邊坡塌方和超欠挖現(xiàn)象，開挖邊線略小于設(shè)計(jì)開挖邊線，開挖邊坡為1∶1，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度為300 m。挖泥船布置見(jiàn)圖2。

圖2 挖泥船斷面布置示意圖

2）液壓反鏟修整邊坡

挖泥船在進(jìn)行第二層土方開挖時(shí)，挖泥船開挖每層開挖深度為2 m左右，基坑水位隨著開挖高程降低而降低，即當(dāng)進(jìn)行挖泥船第二層開挖時(shí)，其第一層開挖2 m邊坡已經(jīng)裸露出來(lái)，由于挖泥船開挖基坑高程低于裸露邊坡，所以土壤中的地下水也滲透至開挖基坑中，裸露邊坡地下水含量比較低，此時(shí)采用傳統(tǒng)土方設(shè)備開挖，最終形成設(shè)計(jì)開挖斷面，見(jiàn)圖3。

圖3 邊坡修整斷面布置示意圖

3）功效分析

該工序使用1700型挖泥船型挖泥船開挖。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)和廠家提供指標(biāo)可知，一臺(tái)挖泥船開挖強(qiáng)度為設(shè)備功率20%，由此可以及時(shí)每天工作20 h，1700型挖泥船日開挖6 800 m3/d。第二層開挖方量為52 500 m3，1臺(tái)挖泥船用時(shí)7.8 d即可完成開挖?？紤]設(shè)備檢修等影響因素，該工序?qū)嶋H施工安排12 d。

邊坡整修開挖方量為4 920 m3，1臺(tái)挖掘機(jī)用時(shí)1.5 d即可完成開挖。邊坡開挖和修整作業(yè)基本與挖泥船同時(shí)進(jìn)行，不占用總的直線工期，僅占用緊后工期。此工序使用挖掘機(jī)開挖和裝載機(jī)倒運(yùn)，溝槽兩側(cè)各用2臺(tái)挖掘機(jī)開挖，每2臺(tái)通過(guò)倒運(yùn)，其功效等于1臺(tái)，另外2臺(tái)分別位于堆土區(qū)用于堆土，可以滿足開挖強(qiáng)度要求。

4.4 第三層開挖（基底整修）

挖泥船開挖溝槽時(shí)，出于對(duì)基礎(chǔ)底部的保護(hù)，溝槽底部留有1 m厚的土體，當(dāng)采用井點(diǎn)降水達(dá)到溝槽底部0.5 m以下時(shí)，此時(shí)采用液壓反鏟結(jié)合裝載機(jī)等設(shè)備，開挖邊坡下半部分和溝槽底部，最終形成設(shè)計(jì)斷面。基底部分開挖土通過(guò)裝載機(jī)運(yùn)輸?shù)綔喜鄣囊欢祟^。在溝槽端頭通過(guò)挖掘機(jī)進(jìn)行倒運(yùn)，運(yùn)至溝槽上開口開挖邊線以外。

4.5 土方開挖總結(jié)與注意事項(xiàng)

采用土方設(shè)備和挖泥船結(jié)合作業(yè)，不但可以提高開挖速度，減少土方倒運(yùn)量，降低施工成本，同時(shí)還可以有效控制開挖成形的控制，有效控制超挖，杜絕出現(xiàn)欠挖。

施工前由測(cè)量工程師放出溝槽上口開挖邊線，在溝槽兩端設(shè)置開挖的兩端打樁做醒目標(biāo)記；推土機(jī)依照溝槽開挖線進(jìn)行表土的清理施工，開挖溝槽。

溝槽開挖采用跳格法，依照劃分的施工段進(jìn)行溝槽開挖。

挖泥船將高壓水槍噴射出的水柱沖起的淤泥（或細(xì)沙等）在水泵的作用下由排砂管道輸送到土方堆存區(qū)域，采用2 m3挖掘機(jī)進(jìn)行堆土。

將開挖的表層土堆放在河流的迎水面一側(cè)，在堆土的過(guò)程中，按照上述圍堰標(biāo)準(zhǔn)修筑施工圍堰。因河水已經(jīng)通過(guò)導(dǎo)流明渠排往下游側(cè)，此圍堰作為施工安全防護(hù)措施存在。

5 結(jié)語(yǔ)

該工程按上述方案實(shí)施施工與降排水，2014年2月成功截流，2014年11月完成土方開挖112萬(wàn)m3、降水井840眼、管道安裝10 068 m、混凝土澆筑9.7萬(wàn)m3等主要建設(shè)任務(wù)，成功實(shí)現(xiàn)了遼河穿越施工，并壓縮工期4個(gè)月，節(jié)約工程投資約300萬(wàn)元。

通過(guò)對(duì)遼河穿越工程實(shí)例的介紹與分析，得出以下結(jié)論：

1）河流穿越工程是線性工程的關(guān)鍵工作；施工導(dǎo)流與施工期降排水是河流穿越工程的關(guān)鍵工作；粉細(xì)砂類地質(zhì)條件適合井點(diǎn)降水，在理論計(jì)算基礎(chǔ)上結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，合理確定降水井參數(shù)，實(shí)踐效果非常好，主河床內(nèi)能夠全部實(shí)現(xiàn)干地施工。

2）溝槽開挖采用反鏟挖掘機(jī)與挖泥船相結(jié)合，在保證效率的同時(shí)，提高了經(jīng)濟(jì)性，使工程成本大幅降低，值得系統(tǒng)研究及推廣。

［1］何玉.大管徑PCCP管道穿越大型河流的施工技術(shù)［J］.水利水電技術(shù)，2015，66（10）.

［2］張宏偉，王澤.長(zhǎng)輸煤氣管道大開挖穿越河流的施工［J］.煤氣與熱力，2003，23（5）.

［3］李洪雷，王小勇.長(zhǎng)輸管道河流大開挖穿越施工技術(shù)［J］.石油化工建設(shè)，2013（02）.

［4］張國(guó)慧，劉志強(qiáng).大伙房水庫(kù)輸水工程穿越太子河段鋼管施工［J］.水利科技，2015（01）.

［5］錢衛(wèi)星.挖泥船的分類及發(fā)展趨勢(shì)［J］.江蘇船舶，2008，25（06）.

［6］彭建軍，井緒東.常見(jiàn)挖泥船疏浚特性及選型［J］.浙江水利科技，2004，24（06）.

TV672+.2

A

.建筑施工計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

2016-03-29