引韓濟(jì)饒工程跨黃岡河倒虹吸管沉管施工技術(shù)

林建偉

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

1 工程概述

引韓濟(jì)饒供水工程位于潮州市的湘橋區(qū)和饒平縣，取水口位于潮州供水樞紐工程壩址上游約6.8 km，本工程從湘橋區(qū)意溪鎮(zhèn)韓江左岸引水至饒平縣，供水規(guī)模為40萬t/d，設(shè)計(jì)取水流量為5.0 m3/s，工程管線布置包括主管線(約為25.0 km)、饒平第二水廠支線1(約為11.444 km)和錢東擬建水廠支線2(約為0.367 km)，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大2型，主要永久建筑物為2 級，包括取水口、泵站、輸水隧洞、輸水管道、倒虹吸等。支線1輸水管樁號ZR11+201.289～ZR11+349.819處穿越黃岡河，設(shè)計(jì)為斜管式倒虹吸管(鋼管D1 600×24)，采用整體沉管施工方式[1]，沉管全長為152.84 m，其中水平管段長為97.501 m(i=0.51%)，左、右斜管段長為21.503 m、33.836 m(i=33.33%)，河床地面高程▽-2.6～▽-3.2 m，河床平直段管道中心線高程▽-6.8～▽-7.3 m，管道基礎(chǔ)碎石砂墊層厚為50 cm，沉管后回填粗砂至管頂50 cm,再拋石厚為150 cm,最后回淤厚為100 cm，岸端連接段施工時(shí)填筑圍堰開挖基坑，在干水條件下采用大撓度伸縮節(jié)與兩岸管道焊接連接(如圖1所示)。

圖1 跨黃岡河倒虹吸管布置示意(單位：mm)

施工時(shí)段選擇為11—3月，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水，設(shè)計(jì)洪水流量為 370 m3/s，相對應(yīng)水位H=3.14 m。

2 施工要求

1)鋼管管材采用板材選用Q355C級，鋼管結(jié)構(gòu)所用的焊條、焊絲和焊劑應(yīng)與母材相匹配，所有焊縫按一類焊縫處理，焊后強(qiáng)度不應(yīng)低于母材，焊縫用超聲探傷抽查率100%。

2)鋼管縱向焊縫不應(yīng)布置在橫斷面的水平軸線和垂直軸線上，與其夾角不應(yīng)大于10°，相鄰管節(jié)縱縫弧線錯(cuò)距不應(yīng)小于300 mm，環(huán)縫間距不小于500 mm。

3)鋼管采用噴砂除銹質(zhì)量等級應(yīng)達(dá)到Sa2.5級，人工除銹質(zhì)量等級應(yīng)達(dá)到St2.5級，內(nèi)防腐采用環(huán)氧飲水艙漆(涂層厚為0.4 mm)，外防腐采用環(huán)氧煤瀝青特加強(qiáng)級(七油兩布)。

4)沉管施工分兩次進(jìn)行壓力試驗(yàn)：陸上成型后水壓試驗(yàn)，壓力為0.65 MPa；沉放穩(wěn)定后水壓試驗(yàn)，壓力為0.65 MPa。

5)鋼管安裝后圓度偏差不大于5D/1 000。

6)沉管地基承載力特征值要求不低于130 kPa；回填級別碎石粒徑為15～30 mm，河床拋石粒徑要求達(dá)到300～500 mm。

3 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)分析

1)黃岡河為饒平縣一級飲用水源保護(hù)地，生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求高，設(shè)計(jì)采用了倒虹吸管整體沉放施工方案，本工程斜管式倒虹吸管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特點(diǎn)如下：

① 跨度大，整體沉放長度為152.84 m；

② 管徑大，管道內(nèi)徑為Φ1 600 mm；

③ 管道高差大，管口與管底最大高差達(dá)11.27 m；

④ 整體吊裝重量達(dá)146 t。

2)倒虹吸管道安裝精度控制要求高，兩端斜管長度不一致，須保證進(jìn)出管口與兩岸管道對接質(zhì)量，管進(jìn)、出口高程道和縱坡須符合設(shè)計(jì)要求，沉管穩(wěn)定后進(jìn)、出口與管身須達(dá)到在平面上成直線的要求，相對于同一標(biāo)高直線型沉管施工，斜管式沉管制作、整體沉放等工序施工難度大。

3)沉管基礎(chǔ)為河床砂礫石層，施工時(shí)段黃岡河水位約為▽2.8 m，管底開挖面高程▽-8.124～▽-8.624 m，水下基礎(chǔ)開挖深度達(dá)11.4 m，水下施工難度大。

4)倒虹吸管上游9 km為水庫，下游4.0 m處為黃岡河?xùn)|溪水閘，受通航船閘的限制，大型水上施工船吊無法駛進(jìn)沉管作業(yè)地點(diǎn)，不能采用大型船吊進(jìn)行管道沉放的施工方案[2]。

4 施工方案與主要技術(shù)措施

4.1 總體施工方案

根據(jù)倒虹吸管跨黃岡河地形條件，選擇右岸地勢較高灘地布置沉管加工、組焊場地和吊裝施工平臺，平臺頂高程▽4.0 m，160 m(長)×30 m(寬)，利用本工程隧洞開挖石渣填筑，厚度不小于50 cm；左岸利用黃岡河堤作為施工平臺、局部用石渣裝袋填筑加寬(見圖2)。沉管在右岸施工平臺組焊完成經(jīng)水壓試驗(yàn)合格后，用5 臺100 t吊機(jī)整體吊移至水面上[3]，水上用拖船牽引浮運(yùn)至倒虹吸管沉放位置。鋼管沉放時(shí)，兩岸管端施工平臺各布置1臺大型汽車吊機(jī)和水上布置兩組浮箱共同控制鋼管下沉施工[4]，吊機(jī)吊裝平臺邊坡采用鋼板樁加強(qiáng)支護(hù)，管道沉放后采用開底駁船進(jìn)行碎石、塊石等拋填及回淤施工。

圖2 倒虹吸管組焊、吊裝下水平面示意(單位：mm)

4.2 施工流程

鋼管制作、防腐→沉管岸上組裝焊接、水壓試驗(yàn)→水下管槽開挖→級配碎石基礎(chǔ)回填→沉管浮運(yùn)、沉放→沉管水下水壓試驗(yàn)→水下管槽回填。

4.3 倒虹吸鋼管制作

1)鋼管制作平臺采用Ⅰ22a@3.0 m工字鋼(長6.0 m)鋪設(shè)，沉管分為中間直線段、彎頭段及兩端斜管段，現(xiàn)場組裝焊接成整體，沉管兩端管口安裝臨時(shí)悶頭裝置，臨時(shí)悶頭設(shè)置進(jìn)水孔、排水孔、排氣孔和測試儀器的安裝孔，沉管按設(shè)計(jì)要求制作好后在岸上進(jìn)行水壓試驗(yàn)，合格后吊裝下水。

2)采用單節(jié)12 m長鋼管組焊，按“逆向分段跳焊法”焊接,每個(gè)焊口由2個(gè)焊工同時(shí)對稱焊接,同時(shí)使焊縫可自由伸縮和焊口緩慢降溫，減少焊接熱的影響。

3)鋼管對口采用50 t汽車吊機(jī)吊裝,通過吊機(jī)控制左、右和小型龍門架手動葫蘆調(diào)準(zhǔn)上、下和平整度的校對。

4)焊縫質(zhì)量符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求和《給排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50268)[5]要求。

4.4 水下管槽開挖

1)河床底溝槽開挖地質(zhì)主要為中粗砂層、蠔殼層、砂礫層，考慮深水開挖施工難度大，長臂反鏟施工方法不滿足開挖深度[6]，采用3 m3的抓斗式挖泥船分段分層開挖施工[7-8]，開挖至距設(shè)計(jì)標(biāo)高10～20 cm后，由潛水施工員水下檢平，避免超挖、擾動基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)管槽底寬為2.6 m，深度約為8 m，坡比為1：2，整條管槽長約153 m，開挖工程量約2.5萬m3。

2)挖泥船按照“縱移挖長、橫移挖寬”方法開挖，挖泥船移位1次的寬度為挖泥船自身船寬的寬度，挖泥船每次前移長度為抓斗1次向前開挖的長度。

3)沿沉管軸線采用先中間后兩側(cè)、豎向分層階梯開挖方法，每層開挖厚度以抓斗的抓深為1層，最后1層應(yīng)嚴(yán)格控制下抓深度及抓距，保證開挖至設(shè)計(jì)底高程及預(yù)留一定的超挖深度，上一斗與下一斗之間應(yīng)重疊1/4或1/3，防止漏抓及保證開挖的平整度。

4)邊坡開挖按照“下超上欠，超欠平衡”的原則施工，最后自然塌落形成邊坡，根據(jù)土質(zhì)情況、水流速度、方向、溝槽深度及時(shí)調(diào)整開挖坡度。

5)抓斗內(nèi)的棄土裝入停靠在挖泥船一側(cè)的接駁船，裝滿后在拖輪牽引下駛向指定的區(qū)域進(jìn)行棄渣。

6)開挖過程中，經(jīng)常校核測量開挖平面位置、水平標(biāo)高、控制樁號、水準(zhǔn)點(diǎn)和邊坡坡度等是否符合施工圖紙的要求。

4.5 管道浮運(yùn)、沉放

1)管道制作完成經(jīng)檢驗(yàn)合格后，兩端安裝悶頭封閉管道，采用5臺100 t吊機(jī)將沉管整體吊放至水面上，用拖船牽引鋼管浮運(yùn)至管道沉放位置，兩端岸邊(上、下游)各布置兩根纜繩固定沉管。管道就位后，在左、右岸施工平臺布置1臺500 t和1臺400 t汽車吊機(jī)，經(jīng)計(jì)算總的起吊能力滿足沉管最大重量，管道兩端再配備兩組浮箱(6×2.5 t)與吊機(jī)共同控制管道沉放(見圖3)。

圖3 倒虹吸管整體沉放施工示意

2)在岸上全站儀的控制下，通過兩岸吊機(jī)調(diào)整管道位置，使管道與設(shè)計(jì)安裝軸線及樁號位置吻合，打開管道兩端DN100進(jìn)水閥和DN100排氣閥，潛水泵注水，并保持好管道位置形態(tài)，注水前將沉管由水平狀態(tài)調(diào)整為直立狀態(tài)，控制管內(nèi)注水量，當(dāng)管內(nèi)的注水量與沉管的自重之和略大于沉管的總浮力后，沉管開始下沉，并根據(jù)浮力變化調(diào)整注水量，最終下沉至設(shè)計(jì)高程，繼續(xù)向管內(nèi)灌水至注滿。

3)在向管內(nèi)注水、下沉過程中，由于水在管內(nèi)流動，控制管道水平是關(guān)鍵，如果管內(nèi)水集中流向低的一端，管道會發(fā)生一端翹起，另一端下沉，一旦發(fā)生管道傾斜，過程非常迅速，很難控制，導(dǎo)致沉管失敗。兩岸大噸位汽車吊主要控制管道姿態(tài)，嚴(yán)格控制下沉速度，使管道均勻下沉，管道兩端高差不大于50 cm，密切觀察吊機(jī)受力變化和管道變形情況，使之始終處于安全允許范圍內(nèi)。

4)管道兩端布置兩組浮箱(6×2.5 t)的作用：一是管道突然發(fā)生傾斜時(shí)，能立即提供浮力支持，避免兩岸吊機(jī)突然超載反應(yīng)不及時(shí)失穩(wěn)；二是縮短管道吊點(diǎn)間的跨度，控制鋼管下沉過程中撓度滿足要求。

5)陸上全站儀每隔10 min復(fù)核管道軸線，當(dāng)管底距基槽0.3 m時(shí)停止下沉，復(fù)核鋼管軸線準(zhǔn)確無誤后，再將鋼管均勻整體沉至基礎(chǔ)墊層上，依次將吊索放松再至預(yù)緊狀態(tài)，留在原位置待命，潛水員檢查整條管道基礎(chǔ)貼合情況，對局部架空、凸起部位進(jìn)行鋪填和沖吸處理，保證管道與基礎(chǔ)貼合緊密，受力良好。

4.6 水下水壓試驗(yàn)

沉管灌滿水并在水下浸泡大于24 h后進(jìn)行水下水壓試驗(yàn)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)壓力為0.65 MPa，按0.15 MPa的級差進(jìn)行加壓和降壓，每一級穩(wěn)定時(shí)間大于10 min，逐級升壓至試驗(yàn)壓力為0.65 MPa時(shí)恒壓，檢查接口、管身無破損及漏水現(xiàn)象，穩(wěn)壓15 min后壓力下降不大于 0.05 MPa，認(rèn)定試驗(yàn)結(jié)果合格，水壓試驗(yàn)完畢，將壓力分級泄放。

4.7 水下管槽回填

1)管槽回填碎石、砂、塊石工程量約為1.0萬m3，采用100 t開底駁船將拋投料運(yùn)至指定區(qū)域，分段、分塊、分層拋填作業(yè)[9-10]，施工前劃分拋填網(wǎng)格區(qū)域，每一單元網(wǎng)格塊約為5 m×15 m，并計(jì)算好每一次拋填量，采取措施確保駁船定位準(zhǔn)確、穩(wěn)定后拋投，每一層填筑至設(shè)計(jì)高程后由潛水員水下用刮板等工具找平。

2)砂石料拋填位置是否準(zhǔn)確，關(guān)健是落距的確定[11-12]。在施工前，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出砂石料的落距，并進(jìn)行拋投試驗(yàn)，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，找出最接近實(shí)際的落距施工參數(shù)，實(shí)際施工過程中不斷進(jìn)行修訂。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

(1)

式中S為水平落距,m；V為表面流速,m/s；H為水深,m；W為塊石重量,kg。

施工時(shí)段水面流速約為0.15 m/s，經(jīng)試驗(yàn)調(diào)整后，砂、碎石落距為1.0～1.2 m，塊石落距為0.5～0.7 m。

5 施工效果

1)在黃岡河右岸灘地近水面布置沉管組裝場地，吊裝下水距離短，陸地沉管制作方便、快捷，質(zhì)量有保障，焊縫檢測及2次水壓試驗(yàn)均1次性合格。鋼管制作與水下管槽開挖同步施工，縮短了占用河道施工時(shí)間，節(jié)省了施工成本，減少了對黃岡河一級飲用水源保護(hù)地環(huán)境的影響。

2)抓斗式挖泥船水下挖掘效率與絞吸式船比較相對較低，但抓斗挖掘適用于深水作業(yè)，開挖精度高，本工程管槽開挖設(shè)計(jì)要求較高，選用此施工方法是適合的。實(shí)際施工投入兩艘挖泥船，開挖量達(dá) 1 500 m3/d，水下開挖用時(shí)20 d，滿足工期要求，經(jīng)水下測量，開挖斷面規(guī)格符合設(shè)計(jì)要求。

3)倒虹吸沉管于2020年11月24日開始整體吊裝下水、水上浮運(yùn)、就位，耗時(shí)1 d，整體下沉階段僅用4 h，安全、順利完成下沉施工任務(wù)，下沉過程中沒有發(fā)生管道彎曲、傾斜等異常情況，管道位置、高程、坡度、撓度、圓度、密封性等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，取得良好的施工效果，現(xiàn)場實(shí)施情況見圖4～5，管槽回填于2020年12月11日結(jié)束。水上施工歷時(shí)22 d，比預(yù)計(jì)工期提前7 d。

圖4 沉管浮運(yùn)、就位施工現(xiàn)場示意

圖5 沉管整體沉放施工現(xiàn)場示意

6 結(jié)語

引韓濟(jì)饒供水工程跨黃岡河倒虹吸管沉管施工實(shí)踐證明，所采用的整體沉放施工技術(shù)安全可靠、易行、施工快速，解決了水上無法采用大型吊裝設(shè)備條件下安全進(jìn)行倒虹吸管沉管施工的技術(shù)難題，取得了良好、預(yù)期效果，積累了相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，為類似工程提供借鑒。