淺談沉管技術(shù)在管道穿越湘江中的應(yīng)用

陳 濤

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司湖南分公司，湖南 長沙 410000）

1 項目背景

2020年3月底株洲二水廠蘆淞大橋下游DN800過江管突然爆管，經(jīng)過株洲水務(wù)集團調(diào)度中心進行的水下管外摸排和管道檢測，發(fā)現(xiàn)管道存在重大缺陷，管道損壞嚴重或即將破壞，該管道使用年限已近30年，基本達到原設(shè)計使用年限，需重新更換。

2020年5月，公司接到業(yè)主委托后馬上組織人員進行現(xiàn)場勘探測量以及方案探討，由于項目跨越湘江，前期我們咨詢了湖南省交通運輸局、株洲市水利部門以及省內(nèi)專家，采取沉管的施工方案對管道進行更換（原管道廢除，新敷管道距原址北移25 m）。

工程位于湖南省株洲市蘆淞大橋下游約300 m處（穿越湘江），管道為株洲二水廠主干管，項目起點為右岸白石港碼頭（x=3 082 332.235，y=498 483.890，西安80坐標系，下同），終點為左岸河西文化廣場（x=3 081 694.997，y=498 490.129），采取沉管施工方案[1]，管道采用D1020×14 mm的螺旋鋼管，雙面對焊，沉管長度為620 m，兩岸明敷段長度為45 m，全長665 m。

2 項目區(qū)施工條件

項目區(qū)處在亞熱帶濕潤地區(qū)，受季風影響大。多年平均降水量為1 412.2 mm，時空分布不均，降水多集中于每年4—6月，降水占年降水的43%。工程位置處于湘江航電樞紐回水范圍內(nèi)，多年平均流量回水位為31.77 m（黃海高程），河底高程在22.52～24.06m之間。

根據(jù)鉆探揭露，擬建場地的地層巖性較為簡單，由上至下主要為淤泥質(zhì)土、粉細砂、強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖，局部有圓礫。

湘江航道為Ⅲ級航道，兩岸均有防洪大堤，交通條件便利。

3 沉管施工主要工藝

沉管施工主要工藝為施工測量—→水下溝槽開挖—→鋼管組接—→鋼管浮運—→鋼管沉放—→管道試壓—→溝槽回填—→竣工驗收。

3.1 施工測量

平面及高程控制測量采用GPS測量位置及水下測深儀測量水深的方法進行。

在溝槽開挖到施工沉管過程中，測量工作必須始終進行，只有不間斷跟蹤測量，才能夠保證溝槽的開挖質(zhì)量。

3.2 水下溝槽開挖

水下溝槽開挖形式為“ ”型，下端為矩形槽，上端為梯形槽，下端（泥質(zhì)粉砂巖層）采用帶有旋挖鉆孔設(shè)備的工作船旋挖鉆孔成槽，上端（淤泥質(zhì)土、粉細砂層）利用水下長臂挖機成槽，同時配備駁船運泥，將開挖料運送至指定的拋泥區(qū)。

3.3 鋼管組接

鋼管原材料為Q235b鋼板螺旋成品卷管作為主材，加工尺寸必須符合設(shè)計要求。焊縫采用手動電弧焊雙面焊接，每條焊縫均按規(guī)定進行超聲波探傷檢測[2]。

鋼管為防腐鋼管，在出廠前需完成內(nèi)外防腐工作，再運送至場地，運送過程中要注意對防腐涂層的保護。鋼管到達施工現(xiàn)場后，要對原材料進行檢驗，確保鋼管的質(zhì)量合格，再進行焊接組裝。

3.4 鋼管浮運

鋼管組接完成后進行第一次氣壓試驗，試驗合格后利用拖船將整條管段旋轉(zhuǎn)漂管過江，根據(jù)測量工程位置湘江河面寬度約為600 m，因此，鋼管前面采用1艘36HP工作船拖拉，后面用5艘24HP的工作船穩(wěn)管，將沉管拖至指定位置，等待下沉。

3.5 鋼管沉放

沉管時期應(yīng)選擇在無雨少風的天氣，水流流速不大于0.8 m/s下進行，沉放主要為以下5個步驟：

1）管道下沉前，各定位樁工程船先在指定位置落樁就位，隨即兩端用吊具通過抱箍將浮運管道吊起，中間吊點固定管道，完成工程船和管道定位工作。

2）打開管道兩端盲板上進水閥和排氣閥，用水泵從兩端向管內(nèi)注水，注水過程應(yīng)間斷進行，隨時用工程船上扒桿卷揚機調(diào)整管道浮態(tài)，以免中心撓度過大損壞管道。

3）根據(jù)各吊點位置，通過管道彈性彎曲計算出各吊點起吊力，制訂各吊點每次下沉時的深度，通過現(xiàn)場指揮完成管道沉放作業(yè)。

4）管道沉放到指定管溝底部后，立即用超深波測深儀測量管道的管頂標高，并派潛水員到水底實地觀察管位情況。

5）管道經(jīng)調(diào)整到位后，再進行第二次水壓試驗，試驗合格后方可進行溝槽回填。

3.6 溝槽回填

溝槽回填方式由下往上依次為0.5 m厚粗砂墊底、2.0 m厚河卵石包管、1.0 m厚拋石壓面[3]。回填料通過運輸船運至溝槽回填點，利用抓斗式挖泥船進行水下溝槽回填，潛水員水下配合實施，保證回填質(zhì)量。

3.7 竣工驗收

竣工驗收前進行管內(nèi)清掃和沖洗消毒，直至水質(zhì)管理部門取樣化驗合格為止。

4 設(shè)計中技術(shù)創(chuàng)新點

4.1 沉管的溝槽開挖方式

傳統(tǒng)的水下溝槽開挖采用水下長臂挖機，但是由于本項目穿越湘江，枯水期施工水深在7.0 m以上，加上槽深3.5 m，挖泥船的臂長受限；同時河床地質(zhì)為粉細砂和強風化泥質(zhì)粉砂巖，挖泥船無法按設(shè)計開槽布溝。

本次設(shè)計根據(jù)項目特點，采用旋挖鉆孔成槽的方式開槽，通過帶有旋挖鉆孔設(shè)備的工作船在設(shè)計管線路由上進行旋挖鉆孔成槽，再運用水下長臂挖機對表層淤泥質(zhì)土清理。

4.2 溝槽回淤處理措施

由于沉管位于湘江河道內(nèi)，屬于動水環(huán)境，覆土層在動水力及開挖攪動下容易將開挖溝槽掩埋，為減少回淤量的影響，本次設(shè)計主要措施有：①溝槽開挖斷面設(shè)計成超深超寬斷面，留有回淤余地；②合理安排施工工期，由于項目區(qū)在湘江航電樞紐的庫區(qū)范圍內(nèi)，流速不大，工程選擇在枯水期施工，減少水流對溝槽的擾動；③合理安排施工工序，保證鋼管組接與溝槽開挖無縫對接，盡量減少溝槽閑置時間；④沉管下沉前，由水下潛水員配合水下長臂挖機對溝槽進行梳清，確保沉管前溝槽符合設(shè)計要求。

4.3 鋼管及鋼管焊縫要求

沉管選用3PE螺旋鋼管，鋼管規(guī)格為D1020×14 mm，鋼管內(nèi)外防腐在出廠前完成并進行檢測，鋼管采用12 m/根，盡量減少焊縫。焊接采用雙V型坡口，雙面對焊，每個焊口必須一次連續(xù)焊完，焊縫要求100%超聲波探傷檢測，確保整體管道質(zhì)量。

4.4 管道沉管施工方式

管道采用直線漂浮下沉法施工，620 m管道一次焊接到位，整體下沉。管道岸上焊接，首節(jié)管端頭利用帶閥門盲板封閉，焊接完成一節(jié)，溜放下水一節(jié)，利用管節(jié)自身浮力浮于岸邊水面。待穿河鋼管全部焊接完成后，將末節(jié)管端用帶閥門盲板封閉，利用拖船將整條管段旋轉(zhuǎn)漂管過江，浮運至沉管指定位置，然后灌水自然下沉至設(shè)計槽位內(nèi)。

5 應(yīng)用前景

沉管技術(shù)較頂管、定向鉆等傳統(tǒng)技術(shù)方案相比，造價低且工期較短。沉管一般運用于穿越江河等地形復(fù)雜的有水環(huán)境，因此其大部分為水上或水下作業(yè)，這就要求實施單位水上施工設(shè)備（挖泥船、駁船、交通船、起重船、起錨艇等）齊全，且有類似工作經(jīng)驗，才能確保沉管施工一次成功。沉管施工對環(huán)境破壞小，僅在開槽階段會對水質(zhì)有一定影響，沉管回填后影響消失。

總之，沉管技術(shù)在管道穿越江河的施工應(yīng)用中，能夠節(jié)省投資約30%以上，且能夠更高效快捷地達到目的，是管道穿越河流施工的最優(yōu)選擇。但是沉管施工要求精度較高，所以前期必須對穿越河道的地形做出精確的測量，對地質(zhì)條件有詳細勘探，設(shè)計方案時盡量多地考慮不利因素。

6 結(jié)語

沉管施工技術(shù)既能節(jié)省工期、節(jié)約投資，還能減少對水體的污染，同時無需搭建圍堰，是管道穿越江河的一種經(jīng)濟環(huán)保，安全可靠的施工工藝[4]。但是沉管施工完成投入使用后，后期進行維護、維修難度較大，這就要求管道及焊接的質(zhì)量嚴格達標[5]，施工精度嚴格控制，以確保管道能達到設(shè)計使用年限。