沉井下沉遇到鋼管道的處理措施

陸 勇

上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司 上海 200065

水下電弧-氧切割工藝，是一種成熟的水下金屬切割方法，與氣體火焰切割法相比，具有能率大、熱源集中、切割效率較高等優(yōu)點；與等離子弧、熔化極水噴射切割法相比，具有電源及水下裝置簡單、成本低、操作靈活等優(yōu)點。目前該工藝水下施工深度可達(dá)150 m，切割的厚度也在不斷增加。但在水下作業(yè)時割縫質(zhì)量不高，因而主要應(yīng)用于水下切斷金屬材料，并在海洋事業(yè)、工程施工過程中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

1 工程概況

鹽城市城南污水處理廠尾水管道改擴(kuò)建工程2#沉井位于奮進(jìn)路西側(cè)躍進(jìn)河中，躍進(jìn)河寬14 m，沉井填河施工。2#沉井為圓形工作井，內(nèi)徑11 m，壁厚0.9 m，制作高度11.42 m，分3次制作，2次下沉。第1次制作高度3.27 m，第2次制作高度3.66 m，第3次制作高度4.49 m，刃腳設(shè)計底標(biāo)高為－12.92 m。2#沉井完成刃腳及第1節(jié)井身制作（高度6.93 m）并養(yǎng)護(hù)至設(shè)計強(qiáng)度后開始第1次下沉。下沉4.73 m時，沉井南側(cè)刃腳下方原DN1 400鋼管（圖1、圖2）阻礙沉井下沉的工作，尾水管道影響長度約8.69 m。刃腳位于③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，刃腳底高程為－3.43 m。沉井外側(cè)現(xiàn)狀填土頂面高程為＋1.30 m，沉井現(xiàn)狀頂面高程為＋3.50 m，沉井內(nèi)水位高程為＋0.60 m。

圖1 2#沉井平面示意

圖2 2#沉井剖面示意

經(jīng)現(xiàn)場對廢棄DN1 400尾水管道割口探查，原DN1 400尾水管道內(nèi)部存在尾水，且在2#沉井上下游無封堵尾水管道條件，割孔后尾水管道內(nèi)部水已倒灌至2#沉井內(nèi)。經(jīng)現(xiàn)場水泵抽水，原尾水管道內(nèi)部水量較大且因管道滲漏有地下水補(bǔ)給無法抽干。為保證安全，需進(jìn)行水下切割。拆除范圍為沉井下方井壁外擴(kuò)2 m，共14.69 m。

2 工程地質(zhì)情況

2#沉井下沉過程依次經(jīng)過①素填土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土、⑤A砂質(zhì)粉土，終沉位于⑤黏質(zhì)粉土，目前沉井刃腳位于③層土中。

3 施工部署

根據(jù)本工程的施工圖紙及2#沉井現(xiàn)狀，為保證安全切割并取出DN1 400鋼管，經(jīng)過分析研究，施工流程如下：

首先切割1個排水孔查看2#沉井下DN1 400鋼管內(nèi)水能否排空。沉井西側(cè)外購?fù)练交靥顗簩嵵脸辆F(xiàn)頂標(biāo)高。然后在2#沉井DN1 400鋼管局部切割出1道φ1 m人孔，最后由專業(yè)潛水員進(jìn)入管道內(nèi)部將管道按圖3所示割口順序切割。取出尾水管道共切割6道口，包括沉井管道中央φ1 m人孔，沉井內(nèi)1 m和沉井外2 m各切割1道口將DN1 400尾水管道分割，由于中間段與兩端割口較小，中間段管道需將管道橫向割斷才能拉出。各切口切割完成后利用中型挖機(jī)將1、2、3管道段依次取出。

圖3 DN1 400管道割口順序

4 施工流程及施工方法

管道上割孔探查尾水管道情況→外購?fù)练教钪僮髌脚_→水下切割→取出尾水管道→土方棄運(yùn)→沉井下沉

4.1 管道切割

4.1.1 探查現(xiàn)場情況

沉井下沉遇障礙物之后，立即組織人員在管線上下游查找DN1 400尾水管道施工井位，經(jīng)查閱相關(guān)資料及現(xiàn)場勘查，原井位已不具備開挖條件，無法封堵管道截流。2#沉井內(nèi)管道割口后不斷有尾水涌入，經(jīng)過多次水泵試抽，尾水管道有地下水補(bǔ)充無法抽干。由施工經(jīng)驗豐富的專業(yè)潛水員通過爬梯下水進(jìn)入井內(nèi)在管道上割出φ1 m人孔，潛入管道內(nèi)部，了解施工對象、井內(nèi)作業(yè)情況，管道內(nèi)的水流、水壓等基礎(chǔ)信息。井內(nèi)水位與管道內(nèi)水壓平衡，呈靜止?fàn)顟B(tài)，且施工過程中不抽水、不注水，水位相對平穩(wěn)，操作環(huán)境穩(wěn)定，無大波動。根據(jù)圖1和圖2可知，沉井南側(cè)部分刃腳落在鋼管上，沉井整體著力點集中在③層土上，且沉井北側(cè)高于沉井南側(cè)10 cm。考慮到安全施工，先割井外側(cè)鋼管可保持管節(jié)完整度，保持刃腳著力在整段完整鋼管上，同時施工人員在靠近井內(nèi)一次切割，一旦發(fā)生管道變形，可直接從人孔撤離。

4.1.2 外購?fù)练教钪?/p>

利用1 m3中型挖機(jī)在2#沉井西側(cè)采用外購?fù)练椒謱踊靥顗簩嵦钪鳂I(yè)平臺，同時在挖機(jī)施工平臺下方鋪筑路基箱，土方填筑至與沉井現(xiàn)頂標(biāo)高齊平，同時沉井南側(cè)與河道駁岸之間用回填土壓實，增加井壁南側(cè)支撐力，防止沉井向南傾斜而導(dǎo)致管道變形較大，威脅施工人員安全。作業(yè)平臺長（順河道向）16 m、寬14 m、高2.2 m。

4.1.3 管道水下切割

管道水下切割采用電弧-氧切割，水下電弧-氧切割是電流通過電極和被切割金屬物件之間空隙產(chǎn)生電弧，形成局部高溫把金屬熔化。高壓氧可補(bǔ)充電弧被水吸收的熱量，同時通過電弧在水中排放出的氧可小范圍排開周圍的水，更有利于切割。

1）水下切割的參數(shù)確定。切割的電流、氧氣的壓力、切割物件時的角度、割條等都會影響切割的速度和質(zhì)量。

2）切割電流。電流I=Kd，其中K和切割物體的薄厚有關(guān)，其取值參考表1，d是割條鋼芯外徑。電流和切割物體厚度及割條鋼芯外徑成正比，鋼芯外徑越大，切割物體越厚，電流越大。但電流不宜過大，不然會使割條過熱導(dǎo)致割條的藥皮破裂，進(jìn)而熔化的金屬堆積在切口位置，無法使切割物體切割斷開。

表1 經(jīng)驗系數(shù)K值

根據(jù)水下切割作業(yè)的施工經(jīng)驗，在同等條件下，切割的電流越大，物體被切割斷開的時間越短。同等條件，電流不同，10 cm長的割條能夠切割的長度和燃弧的時間如表2所示。

表2 切割電流與切割速度的關(guān)系

由表2可知，電流增大，切割長度會增加，且電流達(dá)到350 A時，基本不會出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象。但是切割電源容量及割條最大允許電流都會限制切割電流，通常不超過500 A。

厚度不同的金屬物體，使用同等直徑的割條和同樣大小的電流，切割速度也有所差異，如表3所示。DN1 400尾水管道壁厚14 mm，因此切割電流設(shè)定在325 A。

表3 切割不同板厚時的切割速度

3）氧氣壓力。切割金屬性質(zhì)、厚度大小、水深等都會影響氧氣壓力選擇。一般越難氧化、切割金屬物體越厚、水越深，所需氧氣壓力越大。但氧氣壓力不得超過導(dǎo)氣管承壓范圍。水深10 m時，氧氣壓力參考值如表4所示。DN1 400鋼管壁厚14 mm，氧氣壓力取值0.75 MPa。

表4 氧氣壓力的選擇

4）切割角。金屬物體表面垂直于割條間的夾角為切割角。選擇合適的切割角可提高切割速度。被切割材料為厚14 mm的Q235鎮(zhèn)靜鋼，切割角選擇30°，切割效率最高。

綜上分析，水深4.7 m，被切割物體為厚14 mm的Q235鎮(zhèn)靜鋼，DN1 400尾水管道切割的施工參數(shù)為：電流325 A，割條直徑10 mm（外包直徑），氧氣壓力0.75 MPa，切割角30°。

5）管道的切割方法。2名潛水人員輪流從人孔進(jìn)入作業(yè)，每人作業(yè)時間不超過3 h。在沉井管道的上下游各距沉井2 m處和沉井內(nèi)壁1 m處各切割1道縫，切割管道由中間向上環(huán)向切割直至管道切斷。切割時保持割條頂端與管道接觸，采用接觸法引弧，加深切割法切割，即初始切口形成后，割條伸入割縫直至割口穿透后開始移動焊條切割整條管道，其他割縫依次按照此方法切割完成。

4.1.4 DN1 400尾水管道吊裝

現(xiàn)場不具備吊車吊裝條件，采用1 m3中型挖掘機(jī)從井位上方向北側(cè)遷移管道，順序為先中間管道，后東側(cè)管道，最后西側(cè)管道。中間切割管道利用焊穿的吊裝孔，采用吊繩、挖機(jī)，垂直管道方向向北遷移。由于鋼管割縫較小，直接拉中間段管子會有兩側(cè)管節(jié)阻礙，阻力較大，無法拉出。因此由潛水員下水在中間管節(jié)橫向切割1道口后順利拉出。東側(cè)切割管道，利用吊裝孔、吊繩、挖機(jī)，順老管道方向，向西北方向遷移，多次拉拽緩沖順利將東側(cè)管道取出，東側(cè)管道取出后沉井東南側(cè)下沉10 cm；待沉井穩(wěn)定后，西側(cè)割除管道，利用吊裝孔、吊裝繩、挖機(jī)，延老管道方向，向東北方向遷移，西側(cè)管節(jié)井外長度大于井內(nèi)長度，挖機(jī)一次性拉出較困難，中間及東側(cè)管節(jié)拉出后，采用30 m長臂挖機(jī)將西側(cè)管節(jié)周邊土方掏出，由長臂挖機(jī)配合中型挖機(jī)在井內(nèi)多次拉拽，最終全部取出廢棄管道。

4.2 施工監(jiān)測

利用原沉井施工建設(shè)單位提供的控制點，采用DSZ3水準(zhǔn)儀監(jiān)測沉井割除管道期間沉降位移。監(jiān)測點采用水泥釘布置在沉井上方（圖4），施工前采集初始數(shù)據(jù)，在施工過程中初始階段，30 min監(jiān)測1次，同時在沉井四周用紅漆按5 cm間隔標(biāo)10道線。沉井下沉報警值2 cm/次，累計報警值10 cm，一旦標(biāo)記下沉超過報警值，立即撤離水下作業(yè)人員。過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時反饋給井上監(jiān)護(hù)人員。

圖4 沉井沉降觀測點

4.3 后續(xù)處理措施

管道取出后，沉井向南側(cè)傾斜，沉井北側(cè)與地面之間出現(xiàn)2 cm縫隙。為減少后續(xù)井位傾斜，在DN1 400尾水管道取出后，采用30 m長臂挖機(jī)挖土下沉，將沉井下沉至廢棄尾水管道底標(biāo)高位置，后續(xù)沉井接高不排水下沉至設(shè)計標(biāo)高。

5 結(jié)語

通過清除本工程沉井下沉過程中的鋼管道障礙物，沉井順利下沉至設(shè)計標(biāo)高，對施工過程中各項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及經(jīng)驗總結(jié)，得出以下結(jié)論：

1）水下電弧-氧切割工藝能夠快速、方便、有效地切割斷金屬材料，施工設(shè)備簡單、操作靈活。

2）沉井下方土體、井壁摩擦力以及鋼管的支撐力，能夠滿足支撐沉井自身自重，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，潛水員切割管道時，不會發(fā)生沉井突沉現(xiàn)象或較大傾斜現(xiàn)象，整體施工安全可靠。

3）廢棄管道取出過程中，監(jiān)測沉井位移、沉降情況，能夠有效地指導(dǎo)施工，確保尾水管道割除過程的安全性，若周邊有重要建（構(gòu)）筑物或地下管線，則必須監(jiān)測，以信息化指導(dǎo)施工，必要時采取保護(hù)措施。

4）尾水管道取出過程采用水下作業(yè)方式，管道內(nèi)外水壓平衡，不會有地下水?dāng)y帶大量泥砂涌入沉井內(nèi)部的情況。同時，井內(nèi)注水可以增加沉井浮力，減少下沉。