内河航道大管径压力钢管水下沉管施工技术研究

内河航道大管径压力钢管水下沉管施工技术研究
董友奇，杨冀亮，李高攀，王振，米法楠
（中国电建市政集团山东工程有限公司，山东济南250000）
作者简介：
董友奇（1990-），男，山东东平人，毕业于山东工术，，，工程师。

专业方向：水利水电工程施工。

基金项目：
市
（ZDXM-2019-02）摘要：文章以引江济淮阜阳城市供水工程为例，以不断流航道（沙颍河）为施工背景,
从水下沟槽土方开挖、钢管沉放等方面介绍了水下沉管施工技术的施工重g,重g阐述
了沉管法施工的主要方法和质量控制要g。

工程实践证明,沉管施工技术解决了大管径
管道穿越河道的难题，在确保不影响通航的前提下，质、高效地完成沉管施工。

关键词：内河航道;水下沉管；施工技术;质量控制
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中图分类号:TU990.3文献标识码:A
文章编号：(007-7359(202()04-0047-03 DOI：10.16330/j.c n ki.1007-7359.2021.04.023
0前言
阜阳城市供水工程是引江济淮工程（江水北送段）重要组成部分,工程施工内容包括新建插花站、加压站及供水管道三部分。

其中供水管道全长4.6km,供水至阜阳第四水厂，设计流量764m3/s,采用双管线，管径1.6m,主要以PCCP 管道（预应力钢筒混凝土管）为主，其中穿沙颍河段采用压力钢管，工作压力062MPa,根据设计要求采用沉管法施工。

沉管工程共布置A、B两根DN1800mm钢管（A管在上游、B管在下游）管道垂直于河道布置，两管中心距离8m,管材为Q235B螺旋焊接钢管，壁厚22mm,沉管轴线距离长217m,单根管道总重量约220（见图1）。

沙颍河是淮河流域北侧的一条重要水系,全长620km,为内河三级航道,连通淮河，常年通航，是淮河最大的支流。

沙颍河沉管段水面标高常年为28.00m,水位常年稳定,河道水流较平缓,水深约10m,进行水下沉管施工水面处宽度为180m。

图1沉管工程纵纵剖面图#工程特点
①本工程需投入较多的水上工程船
舶,且均从外地调配,对大型船舶的进场
路线和时间应充分调研；本工程水下土
方开挖和回填量较大，且水下土方开挖
深度大于15m,需结合工程地质条件及
实际情况，选用适合深水区作业的船舶
设备，提高施工工效。

②砂垫层铺设、沉管、混凝土浇筑等
施工环节均为水下作业，水下工况条件
复杂，可见性差,不可预见因素多，水下
作业施工精度控制难度大。

③沉管施工区域水深达15m,且管
线长,重量大，施工难度大，沉管前要充
分做好稳管、钢管下沉相关船舶设备的
准备工作和钢管吊点的计算，需做好充
足的施工准备和保障应急措施，必须一
次成功完成沉管施工。

④沙颍河连通淮河，为内河三级航
道，常年处于通航状态，外界环境干扰
大，基槽开挖施工采取不断航施工方案
分段实施,呆证航道畅通；为减小对通航
的影响，对施工工期要求较高，确保快
速、安全、可靠完成沉管段施工。

⑤后续维修较为困难，对钢管防腐
以及焊接的工艺要求高，对施工人员技
术性要求非常高，尤其是钢管焊接和防
腐处理相关人员。

2施工方法
根据沉管工程所处水域的水文、地
质、气象、航运交通等条件，并考虑周边
环境、设计要求及施工技能能力等因素，
经济技术比较落后⑹。

钢管沉放拟采用
“焊接平台组对焊接T下水坡道焊接、分
段向水中推送T水上临时停放T水面浮
运T稳管定位T管道注水下沉”的施工
工艺，主要包括以下9道工序，即：钢管
岸边组焊、钢管对接下水、水下沟槽土方
开挖、水下碎石垫层铺设、钢管浮运就
位、钢管注水下沉、水下镇墩混凝土浇
筑、水下素土回填、水下抛石回填。

主要
施工方法如下
为加快钢管焊接施工进度，钢管在
焊接平台位置每两节（共24m）组焊拼成
—段，吊放到下水滑道上继续组焊，确保
两个焊接班组同时施焊。

提前将钢管一端封堵盲板焊接完
成，依次进行焊接，利用下水坡道轨道
车、水上起重船分段将钢管拖拽下水，一
根管道在滑道发送架上全部焊接完成后
封闭另一端盲板。

空心钢管利用自身的浮力平行河道
方向漂浮在岸边，沉管前利用拖船将钢
管一端拖至河对岸,使钢管横跨于河面,
确保其位于预先开挖好的管道沟槽上
方，然后在管端□预留的注水□注水,吏
钢管在自身重力的作用下下沉至河底沟
槽内，然后浇筑水下混凝土镇墩对钢管
进行固定，待两根钢管均沉放就位固定
后,对水下沟槽进行素土、抛石回填，最
后将钢管两端与岸上水平钢管对接。

3施工工艺
3.1
水下沟槽土方开挖
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沉管工程水下沟槽土方开挖深度约
6m,两端岸坡土方开挖采用陆地挖掘机
进行开挖，陆地开挖出的土根据实际情
况存以后用；水下沟槽土方开挖、沟槽边
坡修整采用液压抓斗挖泥船，把沟槽内
的泥土装到开底驳上，一部分泥土运至
指定临时抛泥区待用，多余土方卸至河
边港池，由挖掘机将土从水中捞至岸上，
待晾干后装车，运至弃土场。

液压抓斗挖泥船施工时采取单侧纵
挖式施工，施工中采取先挖岸边,后挖中
间，开挖时注意保证基槽轴线位置准确。

为不影响通航，整体采用按照先挖左边
后挖右边的开挖方式。

因本工程为双管
并排,为减小沟槽开挖后回淤，两管道沟
槽同时开挖，沟槽坡比大于125。

由于
沟槽的开挖是在水下进行，具有很大的
不可见性，要经常对水下开挖情况进行
检查，对开挖情况进行适时调整，以保证
开挖质量⑹。

3.2水下碎石垫层铺设
沟槽碎石垫层抛填采用液压抓斗挖
泥船进行，沟槽内铺设025~02m厚瓜
子片碎石，水下整平采用水上液压抓斗
挖泥船进行粗平,潜水员水下细平,最后
由水面控制测量，用红外线探测仪进行
平整度检测。

垫层施工完成后应及时进
行沉管施工,确保水下基槽的土方开挖、
垫层铺设时间应与钢管注水下沉的时间
相匹配，避免沟槽形成淤积⑹。

3.3钢管水面浮运
焊接好的钢管两端利用封板进行封
堵,并且设置排水管及阀门，钢管利用自
身浮力漂浮在水面，采用水面整体浮运
法进行浮运,利用拖船进行拖航。

当管道
浮运至设计位置附近后，先将管道一端
牵引至中心线，利用水上起重船、钢丝绳
将管道一端固定，再将管道在水面上水
平旋转至管线中心。

钢管水面浮运时，应
减慢拖管的速度，控制管段在水中的浮
运状态,使管段在浮运过程中受力均匀。

3.4钢管稳管定位、确定辅吊点
管道拖运就位后，管道横进管中基
槽内浮于水面时，采用三艘起吊能力
100T起吊船抛锚后牵引固定，确保管道
准确定位于中轴线上，直至钢管完全处
于基槽上方。

管道下沉采用整体吊沉法，计划采
用5个吊点，岸上两端各设置一台100T
履带式起重机（见图2）水上采用三艘
起吊能力为100T的水上起重船控制管
道下沉（位于管道两侧）,总起重能力大
于管重。

根据现场场地和管道长度设置合理
的吊点（见图3）使得在吊钢管的时候
不易发生翻转、摆动、倾斜，保证管道在
下沉过程中的平衡，有效地控制钢管下
沉时的弯曲应力，保证质量。

吊点采用钢
丝绳，钢丝绳外部设一层保护套，避免磨
损钢管表面防腐,增强钢丝绳弯曲弹性。

3.5钢管注水沉放
3.54沉放前准备工作
沉管施工前对水文、气象进行详细
调查分析，施工时间选择流速较小，晴
天、少雨的有利时机进行。

沉放前检查管
道及防腐层无损伤，无变形，检查沟糟断
面及槽底高程是否符合设计要求；在管
道就位前，在两岸管中心线各架设全站
仪一台，测量管中心线位⑶。

322管道注水
计划采用两台潜水泵，在管道两端
同时进行注水，潜水泵参数如下：功率!
=22kW,流量"=50m3/2,扬程#=40m。

当钢管定位完成后，打开两端的排
气阀及进水口，用两台潜水泵分别由管
道两端向管内注水，并各设水表一块,计
量注水量，故好注水量记录。

在管道注水
过程中，同时进行排气工作，直到水平段
的空气全部排出，然后调整平衡,继续注
水。

根据计算，管内注水347m3可使管
道处于悬浮状态，钢管内注水时间
$=347/100=32h,即需注水32h,可使
钢管处于水中悬浮状态；当继续注水时，
钢管开始下沉。

需52h,将整根钢管全部
注满水。

322折线段垂直划弧
折线段的管道浮与水面时处于水平
状态，在管道总体下沉过程中实现管道
的90。

翻转，陆上采用100吨履带式机
吊住折线管道段（见图4）由漂浮在水
面上的状态，通过控制注水量和调节吊
力，使管道折线段围绕直管段在水中垂
管道下沉采用三台水上浮吊船辅助
下沉（见图5）两侧岸上各采用一台履
带式起重机吊住折线段，防止管道倾斜。

管道在进水时，各吊点对管道略有吊力，
当管道浮力小于管道自重时开始缓慢下
沉，随着水不断灌入，分多次指挥所有吊
点同时松钢丝绳，使管道逐渐下沉。

下沉
过程中采用GPS测量系统随时监测管
道的轴线位置,并且校正管道位置，保证
管道的沉放轴线与设计位置完全吻合。

图5水上起重船辅助沉放示意图
3.6水下镇墩混凝土浇筑
钢管下沉就位且经检验合格后,应
及时进行水下镇墩浇筑，以固定钢管水
下两个转角,防止管道偏移轴线、管道起
拱,避免对已入槽管道扰动,镇墩施工完
毕后再对沟槽及时覆土回填⑶。

3.22模板设计
为保证水下混凝土几何形状及浇筑
施工质量并减少潜水员水下工作量，并
确保模板的刚度，镇墩模板考虑采用拼
装式钢模板，采用5mm厚钢板加工焊
接制成，两侧预留①1820mm半圆形孔
洞，确保钢管穿过钢模板,模板按照设计
图纸尺寸现场加工成型。

水下混凝土浇
筑完成后，钢模作为结构件永久留在水下。

3.66模板安装
钢模板材料运至现场后，在岸上加工制作，用螺栓加以固定,模板间内衬加强筋和对拉螺栓，加强模板的整体稳定性，确保钢模不变形。

模板拼装完成后用履带式起重机将组合模板转到船上，并在模板四周设置定位缆绳，水面工作人员及水上起重船同时配合水下潜水员将模板插入指定的位置，利用螺栓加以固定,经测量验收校核,确保模板满足设计要求。

因镇墩模板需要包裹管道，封□模板需要水下拼装，模板外侧周围的间隙由水下潜水员用砂袋进行封堵稳固，安 装模板后，确保模板底部不发生漏浆现象。

3.66水下混凝土浇筑
水下镇墩采用C25素混凝土，采用导管法将拌制合格的混凝土浇筑至水下预定部位就地成型硬化。

混凝土浇筑利用导管，导管内径250mm,壁厚4mm,每节导管之间采用法兰连接，并用橡胶密封圈进行密封，导管顶部盛料漏斗做成锥形，其容量为1m3左右。

混凝土浇筑过程应持续进行，以减少水的不利影响，确保一次浇筑成功。

施 工时，为防止水流、杂物进入导管，下管前将导管底部封堵，借第一斗混凝土的重量把塞子冲开,使混凝土灌注到位。

3.7压力试验
钢管水下临时固定完成后，应对管道进行水压试验，压力钢管试压压力为30MPa。

366试验准备
钢管下水前，提前将钢管两端管口用20mm厚盲板焊接封堵，盲板能有效减少钢管在吊装过程中的管□变形，在盲板上焊接短管并安装阀门，设置进水管、排水管、阀门和压力表，进行打压试验⑹。

366试验过程
充水时，在其最高处应设置排气管阀，加压前必须排气。

加压时应分级加载,加压速度不宜大于0A5MPa/mic,先缓缓升至工作压力保持30mic以上，此时压力表指针应保持稳定，没有颤动现象，对钢管进行检查，情况正常可继续加压，升至最大试验压力保持30mic以上，
此时压力表指示的压力应无变动，然后
下降至工作压力保持30mic以上。

3.8水下沟槽回填
根据设计要求,沟槽分层进行抛填,
具体回填工序为首先进行素土回填，其
次进行抛石回填，最后进行素土抛填⑶。

366管道周围素土回填
水下镇墩混凝土施工完毕后开始进
行沟槽土方回填，进行管侧、管上土方回
填固定管道(见图6),水下部分素土回
填由液压抓斗挖泥船配合开底驳进行,
水下沟槽回填土料根据土质情况采用原
沟槽开挖土。

图6沟槽底部素土回填示意图
366抛石回填
管道周围素土回填后(填至管顶以
上50cm),开始进行抛石回填(见图7),
石块由船舶运至施工现场，由水上液压
抓斗挖泥船进行抛填。

抛填前在河道上
沿管道中心线拉设一根绳索，施工运输
船停置于绳索一侧，但不能碰触绳索。

船
舶抛锚定位,根据现场条件,采用定点定
量抛填的方法进行抛填作业，结合每艘
驳船所运的石料量的大小，进行确定进
行抛填的面积,确保均匀有效。

图7水下抛石回填示意图
366沟槽素土回填
抛石回填至设计高程后，由水上液
压抓斗挖泥船从原堆土区挖泥装驳,根
据管道中心线标志、基槽边线标志进行
抛填,直至达到恢复原状(见图8)还土
完毕再由潜水员进行水下检查，确保顶
面高程符合设计要求。

图8水下沟槽素土回填示意图
4质量控制要点
①
钢管在水面浮运时，应保护外防
腐层不受损坏，当外防腐层局部损坏时
应及时修补。

②确保精准的测量定位，在进行管
道下沉过程中，要进行动态校核。

③控制管道下沉速度,不得过快，要
均匀，沉管过程中应避免在沉放过程中
的不均衡，造成钢管的弯曲应力过大，自
然沉放的管道通过控制进水和排气的速
度，利用各吊点的起吊力来控制管道下
沉的速度，钢管下沉过程中务必控制下
沉速度,不得过快也不得过慢，使管道均
匀下沉，控制5台起重设备每次下沉
062m。

④使用起重设备辅助下沉过程中,
要确保管道水平，各施工人员应相互协
调,统一指挥,缓慢沉放。

应及时做好注水
量、吊力、沉放量、管位测量等沉管记录。

5结论
不断流河道工程中的水下沉管施
工,管道下水、浮运与沉管施工工况条件
复杂，水下作业施工精度控制难度大。

引
江济淮阜阳供水项目工程中，利用下水
滑道、轮拖带管浮运就位、管道灌水下
沉，利用多船舶多吊点控制管道下沉速
度及下沉量。

下水、沉放安全可靠，定位
准确。

在不影响航道正常通航的情况下
安全施工，且施工质量可靠,施工工期相
对较短,适合在类似工程中推广应用。

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