大口徑長距離鋼管氣囊滑道法下水研究

陳新宇，李俊杰，陳金銘

（廣西北投環(huán)保水務(wù)集團(tuán)有限公司，南寧 530000）

0 引言

水下沉管施工主要適用于管道穿越江河、湖泊的情況，是管道穿越水深較深、地質(zhì)條件復(fù)雜、圍堰施工困難、有通航要求水域的主要施工方法之一，目前在水利工程和市政工程中已廣泛運用[1]。跨江沉管工程的管道一般采用鋼管，隨著城市供水需求的不斷增大，所用鋼管的管徑越來越大，長度越來越長[2]，這就導(dǎo)致了大口徑長距離跨江沉管工程若采用傳統(tǒng)的鋼管下水方式，需分多段多次下水[3]，對河道影響大，施工風(fēng)險也大，傳統(tǒng)的鋼管下水方式難以適應(yīng)社會的發(fā)展。

沉管法作為管道穿越河流的一種常用方法，具有適用面廣、基本不影響通航等優(yōu)點，同時，在河水較深的河道施工，施工周期短，在工程造價等方面更具優(yōu)越性[4]。沉管工程中的鋼管下水一般采用在岸上分段焊接好后分別吊裝入水，再在水上拼接成一根鋼管的施工方法，但受限于吊裝問題，鋼管岸上焊接的長度一般不超72 m，故導(dǎo)致長距離的鋼管下水需分多段多次下水，施工周期長，施工風(fēng)險大。在大規(guī)模的沉管工程中，鋼管越長則分段數(shù)量越多，進(jìn)而導(dǎo)致鋼管水上對接工作量大，水上施工作業(yè)風(fēng)險和質(zhì)量越加難以控制，傳統(tǒng)鋼管分多段下水的方式難以運用在大規(guī)模沉管工程中?？紤]到沉管工程所用鋼管的直徑和長度遠(yuǎn)小于大型船舶，為解決大規(guī)模沉管工程的鋼管下水問題，本文參考船舶下水常用的氣囊法提出了鋼管氣囊滑道法下水，并在廣西欽州石化產(chǎn)業(yè)園供水項目金鼓江沉管工程中成功取得運用。在金鼓江沉管工程中，通過ABAQUS 建模研究滑道的坡度、鋼管分段的數(shù)量等在下水環(huán)節(jié)中的應(yīng)力變化情況，確認(rèn)氣囊滑道法下水中的控制性參數(shù)，并付諸實踐，最終成功完成單段最長231.3 m直徑1.6 m的鋼管下水施工，充分驗證了氣囊滑道法運用于沉管工程中鋼管下水環(huán)節(jié)的可行性。

1 工程概況及現(xiàn)場條件

1.1 工程概況

廣西欽州石化產(chǎn)業(yè)園供水項目擬采用水下沉管施工的方式穿越金鼓江，穿越位置位于欽州市金鼓江大橋上游1.6 km處，其穿越金鼓江的水平長度約691 m，項目結(jié)合現(xiàn)狀河床底標(biāo)高和規(guī)劃疏浚深度，管道埋深至少為2.5 m，根據(jù)地勘數(shù)據(jù)，管道敷設(shè)于滿足承載力的頁巖層，管道敷設(shè)深度約為5～8 m。

金鼓江沉管工程管道長1 383.3 m（雙管，單管長691.65 m），直線長691 m，采用1626 mm×20 mm低合金高強度Q355C 鋼管（屈服強度355 MPa），管間距2 m。本工程為雙管間隔2 m布置于江底，雙管注水后的總重量達(dá)3878 t，沉管規(guī)模大，且施工過程中江面受潮汐、海洋環(huán)境等影響大，施工難度大。

1.2 地形地貌

金鼓江兩岸地形地貌屬平原河口地貌，微地貌發(fā)育有河床、河岸，岸坡高度為5.0～6.0 m，其東岸為已平整好的工業(yè)用地，寬460 m，長約800 m，地勢平緩開闊，多生長雜草等。根據(jù)地勘鉆孔資料，該金鼓江東岸管線開挖一帶由上而下主要為5.0～7.0 m 填土層，1.5～2.0 m 全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，部分區(qū)域分布有1.0～2.0 m 的細(xì)砂混淤泥，整體地質(zhì)條件好，滿足滑道建設(shè)要求。

1.3 潮汐特征

金鼓江潮型主要特征：大潮汛時潮汐一天一次漲落，小潮汛時一天兩次漲落。一月內(nèi)全日潮為19～25 d，其余為半日潮。

潮流特征：金鼓江內(nèi)漲潮平均流速為0.08～0.28 m/s，最大流速為0.54 m/s；落潮平均流速為0.09～0.55 m/s，最大流速為0.95 m/s，流向基本上與岸線或深槽走向一致，整體潮流速度小，以落潮期流速相對較大。

潮位特征：金鼓江內(nèi)歷年最高潮位5.83 m，年最低潮位-0.69 m，多年平均潮位2.40 m，多年平均高潮位3.66 m，多年平均低潮位1.15 m，平均高潮歷時10.4 h，平均落潮歷時8 h。

2 氣囊滑道法下水方案確定

2.1 滑道坡度擬定

金鼓江沉管工程鋼管單段長691.65 m，若采用傳統(tǒng)的鋼管下水方式，需將鋼管在河岸焊接成9 段72 m、1段44 m后，通過吊車吊裝入水再進(jìn)行水上焊接成一段691.65 m 鋼管，需在水上進(jìn)行9 個焊口的施工，施工難度大，焊縫質(zhì)量難以保證，且需長時間占用河道，在金鼓江沉管工程中采用傳統(tǒng)的鋼管下水方式可行性較低。

參考船舶氣囊下水的方式，若在金鼓江沉管工程利用滑道的方式進(jìn)行鋼管下水，可大大減少鋼管分段的數(shù)量，進(jìn)而減少水上對接量，且可提高焊縫質(zhì)量的可靠性。但鋼管通過滑道下水過程中，因滑道與水面有轉(zhuǎn)折點，鋼管易因撓度問題產(chǎn)生變形，導(dǎo)致鋼管產(chǎn)生不可逆的變形或管體拉裂等現(xiàn)象，故利用滑道進(jìn)行鋼管下水的鋼管長度需進(jìn)行應(yīng)力分析。一般而言，為避免鋼管因撓度產(chǎn)生變形、拉裂等現(xiàn)象，通過滑道下水的鋼管越長，滑道的坡度應(yīng)越小，但滑道的坡度越小，鋼管下水時所需的牽引力越大；若滑道的坡度選取過大，則鋼管下滑速度難以控制，下水過程中容易發(fā)生事故。此外，滑道坡度的確定還需綜合考慮原始場地的地形、地貌對施工條件、施工成本的影響，以及地質(zhì)、水文、氣象條件等諸多因素的影響[5]。根據(jù)我公司長期的研究與分析成果，建議大口徑長距離鋼管下水所需的滑道坡度宜在1.5%～5.0%之間，結(jié)合金鼓江沉管工程現(xiàn)場環(huán)境，選用的鋼管長度、直徑、重量等參數(shù)，金鼓江沉管工程的滑道坡度按1.5%考慮。

2.2 鋼管下滑長度分析

控制鋼管在施工過程中的撓度及彎曲變形是施工控制的要點之一[6]，需多因素綜合考慮，常規(guī)的應(yīng)力分析難以實現(xiàn)，故在金鼓江沉管工程中采用有限元軟件ABAQUS 對鋼管拖運下水的過程進(jìn)行模擬分析，以確定鋼管的下滑長度。在ABAQUS軟件中，將實際的輸水管道和約束進(jìn)行幾何簡化[7]，通過掃掠產(chǎn)生管道形狀，管道長691.65 m，將管道模擬成空心梁，全梁布置重力，管道采用彈性的實體單元進(jìn)行模擬，管道材料為Q355C 鋼，在滑道段及水面浮起段加上與重力相等的線荷載，在懸空與岸或者水交接處采用三個方向固定的約束，模擬簡支梁及懸臂梁[8]。

根據(jù)施工現(xiàn)場的情況，滑道坡度為1.5%，江岸與平均高潮位的高程相差約2.6 m，考慮到金鼓江的潮汐漲落情況，江岸與水面的高程差按照3 m考慮，因此鋼管下滑過程中處于水面懸空狀態(tài)的鋼管長度最長為200 m。鋼管下水示意圖見圖1。

圖1 鋼管下水示意圖

為驗算設(shè)計的滑道能滿足鋼管下滑的最大長度，按單段下滑鋼管長度377～270 m 擬定5 個工況進(jìn)行相關(guān)分析計算，詳見表1。

表1 工況分析表m

利用ABAQUS 分別對各工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可知鋼管的坡頂懸空段有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，各點的應(yīng)力最大值點均出現(xiàn)在坡頂懸空段與滑道段交接處，其中工況1至工況5的最大Mises應(yīng)力分別為2904 MPa、1667 MPa、836.7 MPa、594.1 MPa、353 MPa。擬定的5 個工況中僅工況5 的應(yīng)力未超過鋼管屈服強度355 MPa，因此鋼管單段下滑長度為270 m 時滿足應(yīng)力分析要求。工況4 和工況5 的管道整體應(yīng)力狀況如圖2～3所示。

圖2 工況4分析結(jié)果

圖3 工況5分析結(jié)果

2.3 方案確定

由于金鼓江沉管工程鋼管單管長691.65 m，在鋼管單段下滑長度不超270 m 的情況下，結(jié)合彎頭布置情況，擬將鋼管分成229.25 m、231.10 m、231.30 m三段分別通過滑道下水。故按最長鋼管下滑段231.30 m進(jìn)行模擬計算，分析成果見圖4，鋼管段受到的最大應(yīng)力為300.9 MPa，未超過鋼管屈服強度355 MPa，鋼管分段長度滿足相關(guān)計算要求。

圖4 231.30 m鋼管段下水過程中鋼管應(yīng)力分布情況

3 鋼管氣囊滑道法下水實例運用

3.1 修建滑道

根據(jù)有限元軟件ABAQUS 模擬分析成果，金鼓江沉管工程中將691.65 m 鋼管分成229.25 m、231.10 m、231.30 m三段分別進(jìn)行滑道下水施工，滑道底寬15 m，坡度1.5%，坡底高程3.0 m、坡頂高程5.6 m，滑道總長度為235 m，其中需開挖區(qū)域長度173 m?；榔矫媸疽鈭D見圖5，滑道橫斷面示意圖見圖6。

圖5 滑道平面示意圖

圖6 滑道橫斷面示意圖

為保證滑道有足夠的承載力，又不損傷氣囊，按原狀土基—20 cm 級配碎石—10 cm 中粗砂設(shè)置滑道結(jié)構(gòu)層，級配碎石和中粗砂的壓實度均按95%進(jìn)行控制?；澜Y(jié)構(gòu)層示意圖見圖7。

圖7 滑道結(jié)構(gòu)層示意圖

圖8 枕木布置示意圖

圖9 枕木支撐鋼管示意圖

圖10 鋼管開V型坡口示意圖

圖11 鋼管點焊示意圖

圖12 封板布置示意圖

圖13 氣囊布置示意圖

由于鋼管通過滑道下水過程中坡度要求高，需盡量避免局部起伏，故完成滑道結(jié)構(gòu)層施工后需對滑道標(biāo)高進(jìn)行檢驗。將滑道按5 m寬劃分為一個檢驗段，每個檢驗段按每間隔10 m 測一個點的高程，每個測量點的高程偏差按±30 mm 進(jìn)行考慮，不合格部分需補充中粗砂，用小型夯機進(jìn)行夯實。

3.2 鋼管焊接

完成滑道施工后需進(jìn)行鋼管焊接施工。鋼管應(yīng)分節(jié)制作，分節(jié)長度由現(xiàn)場施工條件及機械設(shè)備情況確定[9]，本工程采用的鋼管單節(jié)長12 m，鋼管進(jìn)場后采用75 t 履帶吊吊入滑道進(jìn)行對口焊接，鋼管下支撐枕木墊高度為40 cm，每間隔4 m設(shè)置一處枕木。單塊枕木尺寸為1 m（長）×0.3 m（寬）×0.2 m（高），每個支撐處疊放兩塊枕木，鋼管兩側(cè)用楔子固定管道。

鋼管焊縫按一級焊縫考慮，焊接工藝按照《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》（GB 50236-2011）進(jìn)行。鋼管接頭采用對接手工電弧焊（開V型坡口），氬弧焊打底，電焊蓋面，焊機采用400GT型直流焊機、焊條采用J507型焊條。坡口為V型，坡口角度為60°±5°，對口間隙2～4 mm，鈍邊1～2 mm。

鋼管完成對口后，點焊前需在坡口內(nèi)外表面及附近20 mm范圍內(nèi)除銹、除污、清理雜物，并保持干燥，點焊長度為80～100 mm，點焊間距不大于400 mm，點焊厚度為30%～40%壁厚，施焊點數(shù)不少于6處，點焊應(yīng)沿著管四周對稱進(jìn)行，其焊接厚度應(yīng)與鋼管首層的焊接厚度保持一致。點焊焊縫所用電焊條材質(zhì)、規(guī)格及型號應(yīng)與鋼管對接時接口使用的焊縫保持一致[10]。

滿焊縫焊接應(yīng)于兩側(cè)對稱相向同時施焊，施焊需分層進(jìn)行，施焊時應(yīng)均勻連續(xù)，盡量減少起弧次數(shù)。每層焊縫需整個管口圓周焊完一層再焊第二層。下一層焊縫施焊前要對上一層焊縫焊渣清理干凈，檢查焊縫氣孔及裂紋并做好整改后方可施焊下一層[11]。焊縫完成后應(yīng)清除焊縫的渣皮、飛濺物，且在超聲波檢查前應(yīng)進(jìn)行外觀檢查[12]。

3.3 鋼管探傷及氣壓試驗

完成鋼管焊接后需進(jìn)行焊縫外觀檢查，合格后對縱、環(huán)縫進(jìn)行100%超聲波無損探傷，并按《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果的分級》（GB11 345-2013）標(biāo)準(zhǔn)評定。

鋼管在滑道焊接完成后下水前，兩端需用鋼板封閉，為保證試壓時封板有足夠的剛度，需用工字鋼設(shè)置十字型加強肋，加強肋需符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）的要求，且在管道端口一側(cè)封板處設(shè)置進(jìn)水口與排氣口，另一側(cè)的封板處設(shè)置排氣口。完成所有焊接工作后進(jìn)行氣密性試驗，氣密性試驗過程為：利用空壓機向鋼管內(nèi)打氣，氣壓緩慢升至0.4 MPa 后，用目視鋼管水下部分有無氣泡和管道水面以上部分涂肥皂水的方法進(jìn)行排查，若無泄露及異常情況，氣壓穩(wěn)壓10 min 不變，指針無顫抖現(xiàn)象，則氣壓試驗合格[13]。

3.4 氣囊安裝

船用氣囊是典型的重載搬運工具，最初用作修船輔助設(shè)備，目前氣囊下水技術(shù)已成為主流船只下水技術(shù)之一[14]，為避免氣囊滾動時發(fā)生破損，確保施工安全可靠，本工程的氣囊選用船用高壓氣囊。金鼓江沉管工程采用1626 mm×20 mm 低合金高強度Q355C鋼管，單位長度重量0.792 t/m，下滑最長鋼管段長231.30 m，總重量為183.19 t，按12 m 間隔布置一個氣囊考慮，需布置19 個氣囊，單個氣囊的承重為9.64 t，考慮1.5 的安全系數(shù)后，單個氣囊的承重不應(yīng)低于14.46 t。根據(jù)氣囊承重要求、鋼管直徑等參數(shù)，擬采用的氣囊參數(shù)為：直徑1.5 m，長12 m，厚8 mm，耐壓0.15 MPa，有效頂升高度0.5 m，單個氣囊有效承載重量為15 t。

滑道內(nèi)的鋼管完成焊接、檢驗、防腐等工作后，在管底按每12 m布設(shè)一個高壓氣囊，氣囊需與鋼管垂直，且氣囊中部需位于鋼管下方。氣囊布置完成后，利用空壓機對氣囊進(jìn)行充氣，充氣過程中應(yīng)適時調(diào)整氣囊位置，使得氣囊中部貼合鋼管，且氣囊與鋼管保持垂直狀態(tài)。當(dāng)所有氣囊的氣壓達(dá)到0.15 MPa、鋼管的重量全部承壓于氣囊后，移除鋼管下方的楔子與枕木。

3.5 鋼管下水

（1）檢查并清理滑道內(nèi)留存的枕木、螺絲刀、線纜等尖銳硬物或帶狀物，避免阻礙氣囊的滾動或破壞氣囊。

（2）檢查滑道內(nèi)的地面凹穴是否已填平，保證地面的承載能力相對均勻。

（3）利用鋼絲繩將拖船與鋼管進(jìn)行綁扎連接，鋼絲繩應(yīng)滿足牽引力的要求，鋼絲繩綁扎示意圖見圖14。

圖14 鋼絲繩綁扎示意圖

圖15 鋼管下水示意圖

圖16 鋼管水上移動示意圖

（4）重新核查鋼絲繩的連接、氣囊的氣壓和位置、滑道內(nèi)的障礙物等情況，無異常后，移去拖船的引橋。

（5）啟動船上的絞車，船只通過收錨移動船位配合船上的絞車拖拉鋼管下水。

（6）鋼管完全入水后，首先在鋼管的一端（上游端）帶上牽引纜（15～20 m），牽引纜的另一端固定在拖船尾部，將管道拖至基槽上方，吊拖船靠上管道的另一端（下游端），其中吊拖船主要作用為控制漂管時的方向，拖船控制漂管的速度，管段中間由1艘吊拖船輔助控制鋼管位移，緩慢浮運并適時調(diào)整船位以控制鋼管變形程度。3艘船共同解決了鋼管撓度不足和漂管時因水流影響導(dǎo)致鋼管出現(xiàn)橫移、不平穩(wěn)等問題，防止鋼管變形過大造成損傷，使鋼管能順利漂移至管道水下基槽中心線上方。當(dāng)完成鋼管固定工作后，回收所有氣囊，則完成鋼管的下水施工。

4 經(jīng)濟效益情況

在大口徑長距離鋼管下水施工過程中采用氣囊滑道法下水，可大大減少水上鋼管焊接的工程量及作業(yè)時間，在保證鋼管焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，既提高了施工效率，又降低了鋼管施工成本，為沉管項目中的鋼管下水方式提供了一種全新的思路。為此，本文針對金鼓江沉管工程鋼管氣囊滑道法下水和傳統(tǒng)的分多段下水再在水上拼接的方式進(jìn)行了施工費用對比分析，具體見表2。

表2 施工費用對比表

由表2 可知，沉管施工中采用氣囊滑道法下水與分多段下水后再拼接成整段方式相比，縮短工期7 d，縮短約23.3%的工期，減少施工成本6.44萬元，減少約7.5%的施工成本。通過以上對比，在大口徑長距離鋼管沉管施工中，采用氣囊滑道法下水的方式具有顯著的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

為解決沉管工程中大口徑長距離鋼管采用傳統(tǒng)分多段下水方式面臨的水上焊縫數(shù)量多、焊口質(zhì)量可靠性低、水上作業(yè)時間長等難題，本文參考船舶氣囊下水的方式，提出利用滑道、船用高壓氣囊等進(jìn)行鋼管下水施工的氣囊滑道法，并在金鼓江沉管工程付諸實踐，于2023年2月圓滿完成金鼓江沉管工程中兩根長691.65 m、外徑1.626 m的鋼管下水施工，鋼管下滑過程中速度平緩，姿態(tài)安全可控，鋼管未出現(xiàn)變形、拉裂等現(xiàn)象，且后續(xù)的鋼管水上對接、鋼管下沉、水壓試驗等均順利完成，進(jìn)一步驗證了鋼管無變形、拉裂等異常情況，有效檢驗了大口徑長距離鋼管氣囊滑道法下水的可行性。

本文從氣囊滑道法的提出到數(shù)值理論分析再到方案實施，探索出一條確實可行、全新的鋼管下水方式，有效解決了大口徑長距離鋼管沉管施工中鋼管需分多段下水、長時間占用水域等難題，顯著降低水上施工作業(yè)難度和風(fēng)險，且又能降低施工成本和減少對航道的影響，可為類似大型沉管工程的管道下水施工提供技術(shù)指導(dǎo)和參考。