紅水河漂管沉降施工技術(shù)

許 航 吳曉麗

廣西天然氣管道有限責(zé)任公司,廣西 北海 536000

0 前言

隨著中國長輸管道工程建設(shè)的不斷發(fā)展,油氣管道的數(shù)量不斷增加,大型管道不可避免地要通過各種類型的河流,而廣西地區(qū)獨(dú)特的自然環(huán)境給相關(guān)河流的穿跨越技術(shù)提出了新的要求[1-2]。廣西天然氣管道工程是中國石化北海LNG項目配套的天然氣外輸工程,輻射兩廣地區(qū)十六個市,是中國西南重要的能源保障。廣西天然氣管道管徑為Φ 813 mm×17.5 mm,防腐結(jié)構(gòu)為常溫加強(qiáng)型3層PE,工作壓力10 MPa,需要在來賓市橋鞏鄉(xiāng)境內(nèi)由南向北穿越紅水河峽谷段。紅水河是喀斯特地貌明顯的一條河流,具有岸坡陡、巖層厚、水流急、河道曲等特點,對于此種地貌條件下河流的沉管穿越?jīng)]有任何施工和管理經(jīng)驗可以借鑒。對紅水河穿越軸線進(jìn)行詳勘,河谷兩岸為天然陡坎,岸邊坡度約55°,臨近水面處的坡度超過88°,穿越斷面形狀為開闊“U”形,岸邊布滿大小不一的溶洞,并向水下延伸。紅水河穿越處河水較為湍急,洪水季節(jié)的流速超過2 m/s,這些極端的自然條件給沉管施工帶來了巨大的施工難度。該工程針對喀斯特地區(qū)特有的實際情況,采取了一系列的施工措施,利用旋轉(zhuǎn)漂管沉降的施工方法,成功進(jìn)行了漂管沉降穿越,以下著重介紹管段漂管沉降過程中的施工原理及關(guān)鍵施工技術(shù)。

1 漂管沉降施工原理及可行性分析

紅水河水下溶洞裂隙較多,定向鉆鉆頭在前進(jìn)過程中容易出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象,造成重復(fù)性施工,并且定向鉆施工費(fèi)用較高,為了減少施工難度,降低成本,經(jīng)過多方討論決定選擇在枯水季節(jié)進(jìn)行沉管施工[3]。具體施工工藝流程見圖1[4-6]。

圖1 紅水河漂管沉降施工工藝流程

根據(jù)管段漂浮牽引就位的方式不同,漂管沉降可以分為直線漂管沉降、旋轉(zhuǎn)漂管沉降和起重漂管沉降三類[7-8]。垂直于紅水河流動方向的施工場地小于河流寬度,且地形狹窄,無法在穿越軸線上進(jìn)行管段預(yù)制,所以選擇旋轉(zhuǎn)漂管沉降進(jìn)行沉管施工。首先選擇位于穿越處上游約800 m的一處淺灘作為管段預(yù)制場地,沿著河流方向預(yù)制管段,待無損檢測、管段試壓、防腐補(bǔ)口合格、管溝平整及檢驗合格之后再將管段移入水中,利用管子自身的浮力使其漂浮于水面之上,加上水上船舶的牽引,在水力的作用下使預(yù)制管段漂浮到位,然后在牽引船和起吊船的配合下旋管橫江,安裝鑄鐵配重塊使其緩慢下沉,進(jìn)入管溝中心位置,最后完成管段穿越。

每米管段的自重計算[9]:

G=[(D/2)2π-(d/2)2π]×1m×ρ1×9.8N/kg

(1)

每米管段橡膠保護(hù)墊層(10 mm厚)的重量:

(2)

每米配重鑄鐵塊的重量：

(3)

每米管段完全沉入水中的的浮力計算:

F=(D/2)2π×1m×ρ2×9.8N/kg

(4)

由式(1)～(2)和式(4)可得:

(5)

故對預(yù)制管段兩段封堵后，即可進(jìn)行管段的拖浮就位作業(yè)。

由式(1)～(4)可得:

(6)

故就位后對預(yù)制管段上添加鑄鐵配重塊后,管段會緩慢下沉。

2 漂管沉降關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 水下爆破管溝成型技術(shù)

圖2 水下爆破管溝爆破流程

爆破碎片通過清礁船清理完成后,采用測深儀及GPS對管溝中心線、管溝邊線及溝底標(biāo)高進(jìn)行檢測,對于管溝底部標(biāo)高低于設(shè)計管底標(biāo)高的部分認(rèn)為合格,對于沒有達(dá)到設(shè)計標(biāo)高的部分采用補(bǔ)爆進(jìn)行處理,對于溝底起伏不平則交由管溝平整設(shè)備處理[9]。管溝平整設(shè)備由方駁船、平臺及水下平整設(shè)備構(gòu)成，見圖3。

圖3 管溝平整設(shè)備

回填的沙礫通過管溝平整設(shè)備的導(dǎo)管進(jìn)入管溝會稍高于設(shè)計管底標(biāo)高,然后再由潛水員下水,推動刮尺沿著基槽中心線前進(jìn),這樣高出部分的沙礫就會刮平。對管溝底部砂礫較少的部分,潛水員會做好標(biāo)記,再通過抓斗將砂礫石送到指定位置,直至管溝底部標(biāo)高及平整度達(dá)到設(shè)計及規(guī)范的要求,同時解決了溝槽開挖不平出現(xiàn)的管道底部懸空產(chǎn)生局部應(yīng)力的問題[14-15]。

管溝開挖成型后,為了保證水下管溝的開挖深度和平整度達(dá)到設(shè)計要求,第三方機(jī)構(gòu)將用測深儀和水下攝像的方法進(jìn)行管溝復(fù)測,對存在問題的個別點位進(jìn)行處理,直到管溝總體達(dá)到設(shè)計要求。經(jīng)檢測:開挖前穿越軸線河底最深處高程為45.4 ～53.1 m,開挖后直管段管溝高程為41.5 m,冷彎段管溝高程為41.5 ～47.2 m,管溝寬度約5 m,溝底填砂平均厚度為0.5 m,管溝中心軸線與設(shè)計軸線偏差 <300 mm,溝底設(shè)計標(biāo)高偏差 <150 mm。

2.2 3 PE防腐層及熱煨彎頭的保護(hù)

預(yù)制管段以整管的形式從預(yù)制場順流漂至沉管穿越的位置,為了避免在漂管過程中淺灘礁石和水流沖擊對3 PE防腐層及熱煨彎頭的影響,需要采取一些保護(hù)措施[16-17]:預(yù)制管段漂管前,在3 PE防腐層外面固定厚 10 mm 橡膠皮保護(hù)層,每塊橡膠皮寬1 m、長度略長于管線的周長，用鋼帶固定在防腐層外側(cè);為了防止熱煨彎頭在漂管及翻轉(zhuǎn)下沉過程中在水流沖擊下產(chǎn)生變形,在距離彎頭3 m處,直管上綁扎一直徑159 mm×4.5 mm的鋼管,加強(qiáng)熱煨彎頭處的強(qiáng)度。熱煨彎頭鋼管綁扎見圖4。

圖4 熱煨彎頭鋼管綁扎

2.3 減小預(yù)制管段的旋轉(zhuǎn)半徑

預(yù)制管段在南岸就位后橫江需要一定的旋轉(zhuǎn)半徑,紅水河穿越處兩岸高程較大,水面到岸邊的距離常年保持在30 m以上,岸坡極為陡峭,導(dǎo)致岸邊的開挖量大。為了減少施工開挖量,需要對原先管段進(jìn)行角度和長度的改變:將彎頭由30°改為60°,將南岸出水直管段截短10 m,將北岸出水直管段截短7 m,改變后管段的旋轉(zhuǎn)半徑縮短近25 m,大大減小了開挖量和施工難度。同時,管段翻轉(zhuǎn)就位后直管段依然可以露出水面,采用立管焊接的方法進(jìn)行后續(xù)施工。

2.4 漂管沉降過程中船舶對管段的控制

在漂管沉降的過程中,考慮到水流的沖擊,所以必須在管段橫江過程中保持預(yù)制管段的穩(wěn)定[18]。待預(yù)制管段從上游漂浮至南岸預(yù)定位置,固定一端,通過船舶的牽引使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)過程中讓背弓面迎著水流,以減小其在漂管過程中的變形量。管段前后的船只分別起到拖管和頂管的作用,讓管段逆流而上,最終使管段的中心位于水下管溝的正上方。在牽引機(jī)和施工人員的配合下,均勻安裝鑄鐵配重塊,使其緩慢下沉。預(yù)制管段的旋轉(zhuǎn)過程見圖5。

圖5 預(yù)制管段的旋轉(zhuǎn)過程

2.5 管段下沉過程的控制

紅水河河水較為湍急,在預(yù)制管段下沉過程中,預(yù)制管段受到浮力、管段及鑄鐵配重塊的重力和水流的沖擊力等多種外力的影響,需要采取一些控制措施來防止預(yù)制管段因外力而產(chǎn)生過大的變形:

1)控制鑄鐵配重塊的數(shù)量。由式(6)得知鑄鐵配重塊的添加使得每米管段產(chǎn)生-922.87 N的合力以便管段順利下沉。為了加快施工的進(jìn)度,一部分鑄鐵配重塊的安裝在岸上進(jìn)行,一部分安裝在水面上進(jìn)行。在水面上安裝鑄鐵配重塊時由起吊船和牽引船共同牽引預(yù)制管段,待各船的牽引繩均受向下的力時,停止安裝鑄鐵配重塊,在保證管段順利下沉的同時避免管段受到過大的向下外力。在安裝配重塊時也應(yīng)注意間隔均勻地安裝,使得管段均勻受力。

2)合理布船,協(xié)調(diào)施力。在管段下沉過程中起吊船和牽引船分別沿著預(yù)制管段方向均勻排布,通過牽引繩拉住管段,抵消水平方向的水流沖擊力,減小因水流沖擊力而產(chǎn)生過大的變形。牽引船為主要施力船,逆流而上,通過前后進(jìn)退來擺正下沉過程中的管段。起吊船在牽引船的另一側(cè)均勻分布,在豎直方向上吊住預(yù)制管段,輔助牽引船施力,協(xié)同前退。預(yù)制管段下沉過程中船只分布見圖6。

圖6 預(yù)制管段下沉過程中船只分布

預(yù)制管段采取逐次逐段的方式下沉,由牽引船和起吊船共同進(jìn)行控制[19]。預(yù)制管段旋轉(zhuǎn)就位后,兩端熱煨彎頭各由1艘起吊船控制其前后擺動,在沉管過程中使用牽引繩調(diào)整位置,使得彎頭始終處于變坡點正上方。兩岸各布置2臺卷揚(yáng)機(jī)分別位于管段兩側(cè),通過松緊牽引繩來擺正彎管角度,保證熱煨彎頭下潛到位,預(yù)制管段進(jìn)入中心軸線。預(yù)制管段在下沉的過程中,根據(jù)管段兩端的情況松放牽引船和起吊船的鋼絲繩,管段每下沉0.5 m暫停一次,通過儀器檢測管段是否偏離設(shè)計的下沉路線,并適當(dāng)調(diào)整牽引纜,使得管段中線與管溝軸線的相對位置在可控范圍之內(nèi)[20]。待管段下沉至距管溝溝底約0.5 m時,用全站儀及水下定位系統(tǒng)對管段中線進(jìn)行監(jiān)測控制,直至與管溝中心軸線相一致,再將管段沉至管溝之上。管段下沉完成后,通過岸上卷揚(yáng)機(jī)和船只微調(diào)扶正管道到設(shè)計角度。待調(diào)整完畢,管段兩端分別在岸上進(jìn)行固定和支撐,同時水下進(jìn)行馬鞍塊安裝,穩(wěn)定管段,防止發(fā)生位移和扭轉(zhuǎn)。管段逐次逐段下沉控制見圖7。

圖7 管段逐次逐段下沉控制

3 結(jié)論

綜上所述,廣西天然氣管道工程紅水河沉管穿越結(jié)合廣西喀斯特地區(qū)河流的自然環(huán)境特點,對沉管施工中的水下爆破管溝成型技術(shù)、3 PE防腐層及熱煨彎頭的保護(hù)技術(shù)、預(yù)制管段的旋轉(zhuǎn)控制、漂管及沉管過程控制等主要的關(guān)鍵工序控制點進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)和探索,較好地保護(hù)了管道,減小了施工難度和工程量,成功進(jìn)行了沉管穿越,證明了喀斯特地區(qū)河流沉管穿越切實可行,為在類似地質(zhì)條件的沉管穿越施工提供了借鑒。