萬家寨引黃陽曲原水直供穿汾河鋼管沉管工程管基處理方法

李江深，王彥奇

（1.萬家寨水控集團陽泉水務有限公司，山西 陽泉 045000；2.山西省水利水電工程建設監(jiān)理有限公司，山西 太原 030012）

1 工程概述

山西省萬家寨引黃入晉工程陽曲原水直供穿越汾河段，位于太原市尖草坪區(qū)，太嵐線跨越汾河鐵路橋上游約2.45 km 處，樁號K4+601.09—K4+949.09，方位為由西南向東北穿越，穿越汾河段長約348 m。河槽總寬約360 m，其中河東側為河灘地，地面高程788.59～793.00 m，河西側為過水段，該段現狀為早年采砂后形成的沙坑，U 型斷面，最低處河底高程774.00 m，河道內水位約790 m。

本次穿越汾河采用整體水下鋼管沉管方案，是山西省第一次成功實踐，主要內容包括DN1400 鋼管沉管、汾河堤防拆除及恢復、灘地段管溝開挖和回填，主河槽回填段利用河道開挖料回填及施工圍堰的填筑和拆除，管底基土工格柵鋪筑、鋼管頂部回填砂礫石后進行拋石壓頂、完工后施工損毀的河岸或河堤恢復及防護、岸坡加筋土填筑等。

2 沉管管基處理方案

管基處理主要包括：汾河河底段西側水下深坑填筑段管基處理，汾河河底段東側灘地水下開挖段管基處理，汾河東西兩側水下混凝土支墩。

2.1 水下深坑填筑段管基處理

汾河河底段西側采砂深坑低于管基底高程10 余m，回填主要施工區(qū)域為樁號4+622.856—4+794.658 段，長度約為172 m。利用開底式泥駁船運輸合格料進行回填，回填時利用水上浮球標定出回填區(qū)域，開底式泥駁船按照浮球標定區(qū)域進行準確填筑。深坑回填段回填料采用河道開挖料回填，其水位線以下管溝回填技術要求為：

（1）采用水上挖泥船的長臂挖掘機對深坑表面進行水下整平，再派潛水員進行水下檢查以及配合水下測深儀進行驗收。

（2）管底-2.4 m 以下的深坑采用河道內開挖的混合料進行回填。管底-2.4 m～-1.0 m 則通過開底式泥駁船將外購的單塊質量＞36 kg 的塊石進行準確拋錨定位，人工定點定量拋填，測量人員和潛水員定時檢查拋投質量，發(fā)現漏拋處進行補拋。

（3）對拋石頂部水下整平驗收合格后，即進入700 mm 厚的開挖混合料回填，主要以汾河施工區(qū)域范圍內的河道開挖料作為回填材料。

（4）混合料回填到位并水下整平驗收合格后，進行細料回填，當回填至管底-300 mm 標高處則立即進行整平，然后鋪設6 m 寬的一層土工格柵護底，鋪設土工格柵護底采用潛水員配合挖泥施工船進行施工。

（5）第一層土工格柵護底水下鋪設完成后，接著回填300 mm 厚的細料層，整平完成再鋪設第二層土工格柵護底（即到沉管底標高位置）。

（6）水下填筑邊坡坡比為1∶3。詳見圖1。

圖1 水下深坑填筑斷面、管基圖

2.2 水下開挖段管基處理

水上挖泥施工船停在河面上（船舶采用尾部2 根定位樁定位，施工時依靠2 根定位樁進行移動），船上配置長臂挖掘機進行水下溝槽開挖。移動定位時，嚴格按照開挖軸線進行施工，然后利用開底式泥駁船運輸至指定棄土位置。

當水下溝槽開挖至管底標高-300 mm 處，管基溝槽驗收利用水下測量儀器測量溝槽底高程、底寬、邊坡是否滿足設計要求（水下邊坡1∶2.5，水上邊坡1∶1）。驗收合格后采用雙層土工格柵護底（格柵寬6 m）、兩層格柵中間為300 mm 的細料回填（粒徑≤20 mm），見圖2。

圖2 水下開挖斷面、管基圖

2.3 水下混凝土支墩

水下混凝土支墩布設兩處，分別位于河西岸、東岸坡腳的管道彎頭處見圖3。按照《水電水利工程水下混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5309-2013）進行水下混凝土澆筑。

圖3 沉管縱斷面、水下混凝土支墩圖

2.3.1 水下混凝土配合比

現場水下混凝土支墩采用C20 商品混凝土。施工前，先在監(jiān)理工程師的監(jiān)督下從商品混凝土廠將水泥、黃砂、碎石、外加劑等原材料進行取樣，送往指定的試驗檢測單位進行配合比設計和原材料試驗。根據試驗檢測單位出具配合比送到商品混凝土廠，商品混凝土廠根據實驗室出的配合比進行混凝土拌合施工。根據《水電水利工程水下混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5309-2013）規(guī)定，水下混凝土配合比在配制強度時，其膠凝材料≥360 kg/m3。經過現場試驗，本次C20 水下混凝土配合比確定為1∶0.44∶2.17∶2.99∶0.022（水泥∶水∶砂∶碎石∶外加劑）。

含砂率43%，質量密度2 389.9 kg/m3，混凝土坍落度在180～220 mm 范圍內。

2.3.2 水下混凝土鋼筋施工

水下混凝土支墩底部均勻分布著一層鋼筋網，鋼筋可采用12 mm 的圓鋼，鋼筋間距20 cm，混凝土保護層厚度為5 cm。水下混凝土鎮(zhèn)墩鋼筋施工時，考慮到單個混凝土鎮(zhèn)墩鋼筋數量較少，則采用先在陸地將鋼筋網綁扎制造完成，陸地驗收合格后，潛水員在水下安裝鋼筋網。

2.3.3 水下混凝土模板施工

水下混凝土支墩模板采用鋼模板，材料采用3mm的鋼板加工而成，模板在水下混凝土澆筑完成后，不進行拆模，跟水下混凝土一起作為固定鋼管的材料。鋼模板材料運至施工現場后，先在岸邊按施工圖要求加工成鋼模板形狀，待沉管完成后利用潛水員進行水下安裝鋼模板。潛水員水下安裝鋼模板時，由挖機船全程配合潛水員進行安裝施工。

2.3.4 水下混凝土澆筑

C20 水下混凝土采用商品混凝土，拌制好后的商品混凝土用罐車運送至水下混凝土鎮(zhèn)墩施工處，再通過專用泵車澆筑水下支墩混凝土。

灌注水下混凝土時，采用導管法進行施工，導管均勻的分布在水下支墩鋼模板內部兩側中間。開始灌注時，將混凝土隔水塞吊放于臨近漿面處，導管底端到鋼模板內底的距離為0.4 m，混凝土運輸車將水下混凝土直接灌入導管斗里，開塞的同時及時灌入水下混凝土，并始終保持導管內充滿混凝土。開始澆筑前，導管底部接近地基面0.2 m，并安置在地基低洼處。隨著水下混凝土的上升，要適當提升導管，嚴禁把導管底端提出混凝土面，詳見圖4。

圖4 水下混凝土澆筑導管法

3 管基處理質量控制要點

3.1 水下開挖及填筑

（1）控制水下開挖及填筑的軸線。承包人須利用測量儀器通過測量控制點在河道東西岸兩側布設管軸線定位導標，全程由定位導標和岸側全站儀全程對管軸線程進行測量定位，確保施工軸線準確。

（2）全程控制水下開挖（或填筑）斷面尺寸。利用船載水下超聲波測深儀等水下測量高精度儀器測量管基距離水面的高度來測算溝槽開挖（或填筑）高程、寬度、厚度、邊坡是否滿足設計要求，對不符合設計的地方采用挖泥船上長臂挖掘機和潛水員配合進行水下整平（整平后基礎頂面高程：允許偏差0～-200 mm；整平后基礎平整度：砂基礎：50 mm，礫石基礎：150 mm）。

（3）控制土工格柵（層間距、拉伸強度）、塊石（單塊質量、強度等級、軟化系數）等原材料滿足設計要求。

3.2 水下混凝土支墩

（1）吊裝前對導管進行了試拼裝；導管的接口部位牢固，嚴密封閉，開始封水試驗；拼裝導管的長度依據水深確定，升降吊裝試驗在澆筑前進行。

（2）水下澆筑混凝土作業(yè)必須由作業(yè)組長指揮；澆筑前作業(yè)組長應檢查各項準備工作，確認合格后，方可發(fā)布澆筑混凝土的指令。

（3）采用水下直升導管法施工時，導管底距實際鋼模板底0.5 m，要求混凝土面上升速度≥3 m/h，鋼模板內混凝土面上升高差＜0.3m?；炷猎谒伦杂陕湎聲r，水下自由落差≤0.5 m。

（4）水下混凝土一經開始灌注，須連續(xù)進行，任何中斷不得超過30 min，以保證混凝土的灌注質量。一般嚴禁中途停灌，盡量縮短拆導管的間斷時間，避免造成堵管或埋管。

（5）每個支墩現場取樣制作試塊三組，即3 d、7 d和28 d 混凝土試塊各一組；試塊現場隨機從混凝土料車中抽取，現場制作；混凝土試塊養(yǎng)護同水下混凝土支墩同條件養(yǎng)護，將混凝土試塊放置在汾河河水中養(yǎng)護。

3.3 水下實體檢測

本次穿汾河沉管工程基礎處理于2018 年圓滿完成，并經質量評定合格，資料齊全完整，工程完工3 年后，委托青島海大工程勘察設計開發(fā)院有限公司對萬家寨陽曲原水直供工程穿汾河鋼管沉管工程進行了水下測繪和電磁探測。檢測結果顯示：河床局部有不同程度的淤積；水下管頂覆土填筑體未發(fā)生明顯沉降和沖刷破壞，管頂覆土厚度無明顯減少；水下管道、基礎、支墩等基本未產生位移、沉降、變形，沉管整體質量滿足原設計要求，各項指標符合設計預想。

4 結語

2018 年10 月穿汾河沉管工程靜水壓試驗成功。2022 年7 月1 日萬家寨陽曲原水直供工程全線初次充水成功，2022 年7 月9 日萬家寨陽曲原水直供工程第二區(qū)段1.773 km 管線（包含穿汾河沉管）水壓試驗合格。目前工程已完工近5 年時間，經受了汛期及供水等嚴峻考驗，經過多年運行觀察，工程運行良好，充分說明本工程采用的水下沉管法穿越汾河基礎處理方法是可行的、有保證的。

綜上所述，地基處理一直是關系到大型管道引水工程運行質量的關鍵環(huán)節(jié)，對于水下管道工程尤為重要。陽曲原水直供穿汾河鋼管沉管工程是山西省首次利用管道沉管法進行施工的工程，借助這次成功的實踐對鋼管沉管法地基處理技術進行總結和深入研究（對管道穿越河道區(qū)域進行定期水下監(jiān)測，從而掌握回填區(qū)可能產生的沉降、滑坡等變形情況的數字化信息），將對下一步山西乃至北方地區(qū)水利、熱力、燃氣以及供排水等穿越河流管道工程有一定的借鑒意義。同時，對今后北方河流復雜水文地質條件下管道沉管技術推廣應用有一定指導意義。