海上開槽埋管工程施工技術(shù)的探討
馬愛君
摘　要：城市污水處理的排放，對開槽埋管海上施工技術(shù)要求特別高，尤其大口徑長管道在海上所涉及的深水基槽開挖、墊層施工、鋼管制作、下灘、浮運及沉管、回填等施工技術(shù)。本文闡述的開槽埋管施工技術(shù)可解決大口徑長管道存在的運輸困難、水下焊接成本高、施工難度大等問題,可確保工程質(zhì)量及施工進(jìn)度,取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。
關(guān)鍵詞：管道施工；開槽埋管；施工技術(shù)
0 前言
我國管道施工工程大多數(shù)為陸地開槽埋管工程,水中施工一般采用沉管、頂管或隧道掘進(jìn)法施工,海上開槽埋管則較少見。由于海上開槽受潮汐及季風(fēng)的影響較大,管道入槽定位困難,施工技術(shù)及質(zhì)量要求高。筆者以上海某污水處理廠尾水排放管的海上施工為例,介紹該施工技術(shù)的要點，以供參考。
1　工程概況
上海市某污水處理廠尾水排放管工程,海上部分為平行敷設(shè)2根管徑為1000mm的鋼管,一根為正常排放管,總長為422.67m，沿長度方向設(shè)置3個DN400的柔性鴨嘴止回閥作垂直排放口，埋深最低標(biāo)高為-9.63m。另一根為緊急排放管,總長為99.66m,沿長度方向設(shè)置1個DN400的柔性鴨嘴止回閥作垂直排放口。
2　主要施工技術(shù)
2.1 施工原理
開槽埋管的施工原理是利用潮水漲落和管道的自身浮力進(jìn)行大口徑長管道的浮運。由于管道自身重力大,在自然灌水下沉?xí)r沉速大而無法控制,所以需配合起重船掛輕質(zhì)浮子平衡一部分重力,避免對基底產(chǎn)生太大的沖擊而引發(fā)質(zhì)量事故。海上開槽埋管工藝新、施工風(fēng)險低，可節(jié)約投資，加快施工進(jìn)度,且無環(huán)境污染。但海上施工受季風(fēng)及洋流等影響較大，施工時最好錯開季風(fēng)季節(jié)；同時，還需與當(dāng)?shù)?a href='http://www.jinnzone.com/qxxx/' target='_blank'>氣象臺保持密切聯(lián)系,時刻關(guān)注臺風(fēng)及潮汐洋流情況。在開槽前測定海底的回淤速率,開槽時嚴(yán)格控制好施工進(jìn)度,以便在回淤前將基槽開挖完成。管道浮運和下沉?xí)r測定海水流速,以調(diào)整管道浮運時的狀態(tài)和下沉?xí)r的位置。
2.2 工藝流程
埋管工藝如圖1所示。

圖1　海上深水開槽埋管施工工藝流程圖
2.3 基槽開挖
采用一艘抓斗式挖泥船(4m3)進(jìn)行管道基槽的開挖，抓斗挖泥船沿溝槽軸線從遠(yuǎn)岸位置逐步向近岸施工，錨纜布設(shè)，艏錨與海床走向一致。通過在堤壩上建立全球定位系統(tǒng)進(jìn)行平面控制,施工船位則由監(jiān)控電腦控制,以提高平面控制精度。沉管工程的施工定位至關(guān)重要,對此采用激光測距儀、GPS和導(dǎo)標(biāo)相結(jié)合的方法開展施工平面控制，確保施工質(zhì)量。平面位置控制由挖泥船參照中心導(dǎo)標(biāo)和岸上架設(shè)經(jīng)緯儀相結(jié)合的方式進(jìn)行導(dǎo)向,以確保管道基槽軸線的準(zhǔn)確。在岸上設(shè)置水報房隨時監(jiān)測水位變化,當(dāng)潮位變化約為0.1m時,用高頻對講機告知挖泥船上的操作人員,使其根據(jù)水位變化隨時調(diào)整開挖深度,控制基槽開挖深度及平整度在規(guī)定范圍內(nèi),船艏當(dāng)班水手用測繩隨時復(fù)測挖深情況。開挖時船要把穩(wěn)慢移,根據(jù)挖泥導(dǎo)標(biāo)和水尺記錄確�；�槽軸線準(zhǔn)確、槽底平整。
基槽開挖時,要有專人對已挖基槽進(jìn)行自檢并記錄備查,基槽軸線、寬度、深度、平整度、坡比應(yīng)符合設(shè)計要求。基槽開挖完成后,及時通知業(yè)主及監(jiān)理工程師進(jìn)行驗收,提供完整的基槽施工驗收資料,驗收合格后方可進(jìn)行下一道工序施工。
基槽要求表面平整,無局部凸起或凹陷,基槽軸線與管道設(shè)計軸線一致,縱向坡度符合設(shè)計要求。故要求在基槽開挖時,尤其是挖泥班交接班時要將位置、深度等數(shù)據(jù)交接清楚,防止產(chǎn)生漏挖、偏線等情況�；�槽開挖要經(jīng)過基槽回淤試驗,測定回淤速率,根據(jù)回淤量調(diào)整基槽開挖的原始深度,防止回淤影響基槽的施工質(zhì)量。
2.4 塊石及砂墊層施工
基槽檢測合格后進(jìn)行塊石墊層的施工,由施工船舶人工拋填塊石。塊石拋填工作完成后進(jìn)行砂墊層施工,根據(jù)設(shè)計墊層數(shù)量計算拋填量,采用船舶的方式進(jìn)行拋填,在陸上經(jīng)緯儀指引下沿基槽軸線拋填砂墊層,然后用平整耙配合潛水員找平。
根據(jù)基槽底寬,在陸上架設(shè)邊線標(biāo),工作船根據(jù)邊線標(biāo)調(diào)整船位。陸上設(shè)置水尺和紅外線測距儀,由專人記錄并與工作船聯(lián)系,工作船根據(jù)水尺記錄和測距儀數(shù)據(jù)調(diào)整平整耙的吊纜長度,保證平整耙保持在要求的砂墊層標(biāo)高。平整耙隨同工作船緩慢向前移動平整,同時潛水員在水下進(jìn)行檢查找平,并根據(jù)水下情況指揮工作船的前進(jìn)速度。平整后的砂墊層寬度、平整度、墊層頂面高程等均需符合設(shè)計要求,以防砂墊層高低不平而影響管道的安裝質(zhì)量。墊層施工完成后通過測量水位、經(jīng)緯儀、測深儀、聲納等綜合測量手段,對基槽進(jìn)行驗收。
2.5　鋼管制作及下灘
用吊車把成品管吊放至組裝預(yù)制場的柔性可調(diào)管座上,采用小型龍門架進(jìn)行成品管的對口焊接。長管道組裝完成后,兩端封盲板。利用管座的可調(diào)作用,使已拼接組裝的長管道在高平潮時依靠自身浮力平順下灘、下水,該方式既可保證管道的質(zhì)量又可保證施工安全。
2.6 鋼管浮運
長管道的水上浮運為海上管道工程的施工難點之一，其難度體現(xiàn)在漂浮于水面上的長管道受波浪、潮流的沖擊可能造成損傷。對于組焊完成已下水的管道,根據(jù)水文、水深條件及管道質(zhì)量進(jìn)行計算確定所需安裝的調(diào)節(jié)浮子,然后選擇有利的氣象和水流條件,在風(fēng)浪小時利用拖船將管道運至安裝軸線位置就位。拖運中,務(wù)必注意緩速逆流拖運,盡可能使管道直線浮運。拖運管道的拖拉點應(yīng)根據(jù)管道受力計算數(shù)據(jù)而布置,使管道在浮運過程中受力均勻。除了主拖船舶外,中間和末尾的助拖船舶應(yīng)隨時根據(jù)水流方向作出調(diào)整,以控制管道在水中的浮運狀態(tài)。管道浮運時易受水流作用而發(fā)生彎曲變形,根據(jù)施工前計算好的管道允許彎曲半徑(控制鋼管曲率半徑>800m)、極限矢高,在浮運時對其彎曲矢高跟蹤觀測,并及時通知各拖運船舶做好相應(yīng)調(diào)整。拖運管道控制纜點應(yīng)合理布置,尤其在管道就位過程中管道軸線會與水流方向垂直,因此必須按照最小應(yīng)力原理布設(shè)控制纜點,保證管道各點應(yīng)力在最小狀態(tài)下且在允許范圍內(nèi),并使管道在浮運過程中受力均勻。
2.7 沉管施工
海上管道工程距離長、口徑大,需對水下鋼管實行全線質(zhì)量調(diào)節(jié),其方法是利用輕質(zhì)浮子根據(jù)不同的水深調(diào)節(jié)鋼管在水下的質(zhì)量,使其在相應(yīng)水深下沉過程中的曲率和應(yīng)力保持在允許范圍內(nèi)。
在陸上經(jīng)緯儀與測距儀的控制下,起重船舶在沉放位置拋錨定位后,垂直于管道的安裝軸線,拋八字錨固定。在進(jìn)行管道沉放作業(yè)時,應(yīng)控制好管道的形態(tài)及應(yīng)力(控制管道的應(yīng)力<120MPa)。經(jīng)模擬計算,可利用調(diào)節(jié)浮子配合3艘沉放船舶施工。
在陸上經(jīng)緯儀和測距儀的控制下,通過定位纜與起重船只調(diào)整管道位置,使管道與安裝軸線及位置準(zhǔn)確配合。管道位置調(diào)整正確后打開管道兩端的進(jìn)水閥和排氣閥,遠(yuǎn)岸端進(jìn)水,近岸端排氣。3艘起重船和控制纜協(xié)同控制管道的自然進(jìn)水,此時管道要保持好適當(dāng)?shù)奈恢眯螒B(tài),使管道在一端進(jìn)水時另一端排氣順暢,防止氣阻或水錘的產(chǎn)生。在管道下沉過程中,起重船主要控制好管道形態(tài),管道應(yīng)力控制由質(zhì)量調(diào)節(jié)浮子實現(xiàn)。當(dāng)管道下沉接近起重船時,各起重船即可協(xié)同管道下沉,下沉過程中務(wù)必控制下沉速度,同時3艘起重船的吊鉤應(yīng)相互協(xié)調(diào)使管道均勻下沉,使管道受力控制在容許范圍內(nèi)。此時用陸上經(jīng)緯儀不斷復(fù)核管道的軸線位置,以確保管道能準(zhǔn)確就位。管道下沉完成后,請潛水員進(jìn)行管道水下檢查處理,檢查整根管道的貼基情況,對局部架空、翹起處進(jìn)行鋪填和沖吸砂處理,保證管道貼基、受力良好。如發(fā)現(xiàn)特殊問題,及時與水面指揮船舶聯(lián)系,研究處理方法。若水下檢查未發(fā)現(xiàn)不良現(xiàn)象,則盡快拆除質(zhì)量調(diào)節(jié)物,完成管道的沉放工作。管道沉放時,一定要注意該管道的垂直度,以免影響擴散器的正常使用。沉管到位后,應(yīng)立即進(jìn)行穩(wěn)管。根據(jù)設(shè)計,穩(wěn)管采用砂子回填至設(shè)計標(biāo)高,然后在其上填埋砌塊石,水下回填粗砂、塊石埋砌的施工步驟及注意事項與塊石、砂墊層的施工相同。
3　實施效果
該污水處理廠尾水排放管工程原設(shè)計為頂管施工，需資金約580萬元，而且在海底浮泥中頂管施工存在反穿孔等危險,工期約需180d。而采用開槽埋管施工可規(guī)避許多風(fēng)險,實際投入約450萬元,工期僅用了100d。開槽埋管施工技術(shù)解決了距離長、大口徑管道存在的運輸困難、水下焊接成本高、施工技術(shù)難度高等問題,提高了工作效率,確保了管道的施工質(zhì)量和工期,規(guī)避了施工風(fēng)險,降低了施工成本,并且不會對環(huán)境產(chǎn)生破壞,具有良好的經(jīng)濟和社會效益。工程實踐表明,開槽埋管施工技術(shù)同樣適用于新建或改(擴)建水中管道工程的施工和地下水位較高的陸上開槽埋管施工(不排水)。
參考文獻(xiàn):
[1] 中國非開挖技術(shù)協(xié)會,《頂管施工技術(shù)及驗收規(guī)》(試行)[M]，北京:人民交通出版社, 2007。
[2] 韓選江，《大型地下頂管施工技術(shù)原理及應(yīng)用》[M]，北京:中國建筑工業(yè)出版社， 2008。

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