新聞：三明市水面沉管公司全新服務(wù)水下大型取水管道施工技術(shù)

淺析水下大型取水管道施工技術(shù)摘要：結(jié)合太倉(cāng)市應(yīng)急水源地工程取水工程施工,本文著重介紹 了水下大型沉管、取水頭施工方法、施工工藝及分段管道接頭連接 工藝等。 關(guān)鍵詞：大口徑取水管道 水下沉管 取水頭 中圖分類號(hào)：tu753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 為滿足城市中遠(yuǎn)期原水需求，太倉(cāng)市在瀏河口新建應(yīng)急水源地。水源地面積約220 萬(wàn)m2，總?cè)莘e為1742 萬(wàn)m3。水源地主要 建構(gòu)筑物包含新建圍堤、取輸水泵站和進(jìn)出水管線及取水頭。本文 著重以水源地取水管施工工藝進(jìn)行闡述。 

水中鋪設(shè)通常采用的 HDPE 實(shí)壁管就依靠壓重塊穩(wěn)定在水底。壓重塊通常是預(yù)制的鋼筋***塊，由上下兩件組成，以一定的間隔用螺拴夾緊固定在管道上。在壓重塊和管道之間要加既有彈性又有摩擦力的保護(hù)墊層防止壓重塊損傷管道。安裝壓重塊的工作有的在岸上進(jìn)行，也有的是在水面上進(jìn)行。

水源地取水管***設(shè)計(jì)流量為40m3/s，采用2根大口徑鋼管 （內(nèi)徑3600mm,壁厚18mm，外壁設(shè)加強(qiáng)環(huán)）從長(zhǎng)江中取水,均采取 水下沉管施工方法，自水源地新建圍堤至長(zhǎng)江中取水頭部之間的管 道分別長(zhǎng)達(dá)1700.698m(1#管線)和1675.698m(2#管線)。兩根管道 軸線間距6.0m,管道中心高程-5.0m~-12.0m，采用φ 609mm 的鋼管 樁基礎(chǔ)，鋼管樁單根長(zhǎng)30m，樁頂架設(shè)樁帽、橫梁和管座，管道通 過管箍安裝固定于管座上。樁帽和橫梁焊接連接，樁帽和樁、橫梁 和管座、管箍和橫梁之間均采取水下螺栓連接固定。管道分段長(zhǎng)度 最長(zhǎng)40m/段，分段管道之間采取水下哈夫連接方式。水源地長(zhǎng)江取 水管道詳見圖1、圖2。

新聞：三明市水面沉管公司全新服務(wù)本工程管道敷設(shè)于長(zhǎng)江河床下，因此必須先水下開挖管道溝槽，才能進(jìn)行樁基及管道安裝施工，根據(jù)原河床現(xiàn)狀高程及管道敷設(shè)深 度，其開挖深度約6m 左右。管溝開挖采用2 艘4m3 鏈條式式抓斗 挖泥船，采用4 艘150m3 開底泥駁運(yùn)輸、拋卸土方。 根據(jù)兩管中心間距，兩根管道溝槽一起開挖，開挖底寬為12m，邊坡1:4。分兩次進(jìn)行開挖，首次次先將兩根管道溝槽開挖至管底設(shè) 計(jì)高程，第二次再精確定位每組鋼管排架樁位置，將6 根鋼管樁范 圍約10m14m 再挖深1.5m 左右，以便于鋼管樁施打及樁帽、橫梁 安裝（因樁帽、橫梁和管座比管底低1.0m 左右，且尚需潛水員水 下安裝所需的工作面）。 

除了焊接之外，在準(zhǔn)備沉管前，施工方在十幾米深水下已經(jīng)預(yù)先安裝了二十余個(gè)鋼管、樁管、橋管等支撐結(jié)構(gòu)。“管道需在水面上整體對(duì)接拼裝至需要的長(zhǎng)度后，準(zhǔn)確地下放至水下已安裝好的管橋橫梁上，并與事先安裝在管道上的管箍、管座結(jié)構(gòu)與水下管橋橫梁連接固定。”于孝民說，因此該段沉管在水上整體對(duì)接拼裝、整體沉放、下沉?xí)r的定位、吊點(diǎn)受力均衡控制等方面，均存在較大的難度和較高的風(fēng)險(xiǎn)。鋼管重量1500噸左右，沉管難度大，工藝國(guó)內(nèi)首創(chuàng)

開挖前，在管道沿線設(shè)置水位觀測(cè)尺，便于挖泥船結(jié)合水位復(fù)核開挖深度。 挖泥船水下開挖測(cè)量定位采用gps定位系統(tǒng)，因此船機(jī)設(shè)備上需 配備相應(yīng)測(cè)量設(shè)備和計(jì)算機(jī)軟件，由技術(shù)人員將本工程平面圖輸入 計(jì)算機(jī)，并根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)輸入管道起始位置坐標(biāo)等相關(guān)參數(shù)。這樣 船機(jī)設(shè)備上的gps 定位系統(tǒng)和軟件就可以很直觀的將船舶位置和溝 槽位置顯示在電腦屏幕上，施工精度大大提高。 挖泥時(shí)，要勤測(cè)軸線、要勤測(cè)水深，防止偏位和超挖或欠挖。以水***和測(cè)深儀控制開挖底標(biāo)高，對(duì)偏位的要及時(shí)糾正，對(duì)欠挖的地 方要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)挖。 樁基采用水上打樁船進(jìn)行施打，樁架高度根據(jù)樁長(zhǎng)和施工工藝等進(jìn)行選擇。

新聞：三明市水面沉管公司全新服務(wù)本工程管道下支撐樁樁長(zhǎng)30m，為精確控制樁頂標(biāo)高，采用將工程樁接長(zhǎng)至施工水位以上然后再水下割樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高的工藝。因此根 據(jù)樁長(zhǎng)、樁頂高程、施工期水位，本工程打樁的樁長(zhǎng)在40m~42m 右，因此選擇樁架高度為46m的打樁船。鋼管樁向有資質(zhì)的生產(chǎn)廠 家***，選用螺旋埋弧焊鋼管，加工長(zhǎng)度40~42m，由船運(yùn)輸至施工 現(xiàn)場(chǎng)。 定位）穩(wěn)樁、下樁錘擊沉樁到位停錘測(cè)量樁頂標(biāo)高（做好記錄）移船吊樁打下一根樁。 

在沼澤地里鋪設(shè)管道—— 在沼澤地、濕地、灘涂鋪設(shè)管道是很困難的。因?yàn)椴荒芴峁├喂毯头€(wěn)定的地基，不宜應(yīng)用對(duì)應(yīng)變敏感的傳統(tǒng)管道。利用塑料管道的特性可以在在這種高度不穩(wěn)定的環(huán)境下建成低成本和穩(wěn)定的管道系統(tǒng)。因?yàn)橥寥乐械母咚豢赡墚a(chǎn)生很大的浮力，這種管道的設(shè)計(jì)施工與水中鋪設(shè)管道類似.水中通氣系統(tǒng)—— 頂端帶有小鉆孔的較小直徑水下 HDPE 管道已被用于碼頭防凍。壓縮空氣從這些管中冒出，所產(chǎn)生的氣泡帶動(dòng)溫度較高的水往上走融化水面的冰。當(dāng)這系統(tǒng)工作時(shí)，水下管道中充滿空氣，應(yīng)有足夠的配重塊來防止管道浮起來。

一組排架鋼管樁施打完成后，根據(jù)測(cè)量記錄的樁頂標(biāo)高和設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高計(jì)算每根出水的鋼管樁的割樁長(zhǎng)度，然后再用特制的鋼套環(huán) 從樁頂套入樁外壁，鋼套環(huán)底部與樁頂之間的距離應(yīng)與割樁長(zhǎng)度一 致，然后再由潛水員水下沿鋼套環(huán)底部將鋼樁割除，這樣留置于水 下的鋼管樁樁頂標(biāo)高即為設(shè)計(jì)標(biāo)高。采用此種方法控制樁頂標(biāo)高精 度較高，施工偏差減小。 

新聞：三明市水面沉管公司全新服務(wù)水下管道溝槽開挖及樁基施工完成后，在管道安裝之前須先水下安裝好樁頂?shù)匿撝Ъ軜?gòu)件，主要包括樁帽、鋼橫梁；管座和管箍構(gòu) 件須安裝在待沉放安裝的管道上，然后再沉放安裝管道。 樁帽和橫梁鋼結(jié)構(gòu)件采取在工廠內(nèi)加工制作及防腐，然后船運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，由潛水員和安裝船配合水下安裝的方法。 

本工程一個(gè)排架由3根樁組成，鋼支架由3 個(gè)樁帽和一根橫梁組 成，橫梁和樁帽采取焊接成整體后再水下安裝的方法，因水上打樁 施工不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的偏位，故三個(gè)樁帽和橫梁不能一次焊接 成整體，需分兩次焊接。樁帽、橫梁安裝步驟如下： 首先由潛水員利用特制的工具水下精確測(cè)量排架樁的兩根邊樁的間距，然后根據(jù)測(cè)量記錄將兩側(cè)的樁帽先焊接在橫梁的底部?jī)啥耍?/SPAN> 焊接時(shí)應(yīng)考慮樁帽和樁套接時(shí)的間隙。 將兩端焊好樁帽的橫梁吊放至水中，把樁帽套入排架樁的兩根邊樁內(nèi)，由潛水員水下根據(jù)中間樁的位置在橫梁底部做好標(biāo)記。然后 再將橫梁吊出水面后，按標(biāo)記位置將中間樁帽準(zhǔn)確焊接在橫梁底 部，這樣就可保證3 個(gè)橫梁底部的樁帽均是按水下實(shí)際樁間距燒焊 在橫梁上的，可精確套入樁頂。 個(gè)樁帽都焊接好的橫梁吊放至水中，由潛水員水下定位樁帽套入樁頂。然后再根據(jù)樁帽上預(yù)留的螺栓孔在鋼管樁的相應(yīng)位置水 下切割穿孔，并將螺栓穿入后緊固螺帽將樁帽和樁固定在一起。 

通過多年的研究和實(shí)踐，已經(jīng)證明了所謂柔韌性水中管道原理。即在水中鋪設(shè)管道工程中采用在非常外力出現(xiàn)（包括海底地形變動(dòng)）時(shí)有可能適度活動(dòng)和變形的管道（ possible movability of the pipeline ），就可以不必用高安全系數(shù)；有可能直接鋪在海底上（常常無需挖溝填埋，隨著水底地形變動(dòng)），還可以只用較輕的壓載。

管座、管箍鋼結(jié)構(gòu)件同橫梁、樁帽一樣也采取在工廠內(nèi)加工制作及防腐，船運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。 管座和管箍先固定于待沉放安裝的管道上，根據(jù)水下已安裝好的橫梁，由潛水員水下測(cè)量?jī)筛鶛M梁間的實(shí)際間距，然后再根據(jù)橫梁 間距將管座和管箍安裝固定于待沉放安裝的管道上。 本工程取水管道為內(nèi)徑3600，壁厚18mm的鋼管，外壁設(shè)槽鋼加強(qiáng) 環(huán)，分段長(zhǎng)度最長(zhǎng)為40m/段，均采取在鋼管廠家加工制作及防腐后， 由船運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，單根管道（40m 長(zhǎng)）重約60 采用1艘150 噸水上起重船進(jìn)行分段管道的沉放安裝。管道沉放 安裝前，除按水下實(shí)際橫梁間距在管道上預(yù)裝好管座和管箍外，還 需在管道端部事先安裝好哈夫接頭的橡膠圈，橡膠圈套入管端并固 定好。管道安裝斷面圖見圖4，沉放安裝示意圖見圖5。 

新聞：三明市水面沉管公司全新服務(wù)本工程取水管道分段管道之間連接采用鋼制哈夫接頭形式。哈夫?yàn)榘牒蠈?duì)抱結(jié)構(gòu)，分為上下兩片，上下兩片哈夫采用螺栓水下緊固 安裝方法。哈夫與管道之間通過橡膠圈壓緊來保證緊密性，上下兩 片哈夫?qū)勇菟ňo固處也設(shè)有橡膠墊板。 哈夫接頭安裝在兩根管道沉放安裝完成，并完成管座和橫梁的水下螺栓固定后才能進(jìn)行施工。其安裝步驟如下： 在一根管道安裝完成，第二根管道下水安裝前，須先將該兩根管道接頭哈夫的下半片放至已安裝管道一端的下方，避免兩根管道均 安裝完成后再在管道下部塞入下半片哈夫。 待兩根管道均安裝到位，再將上半片哈夫安裝在管道接頭上部，下半片哈夫則通過鋼絲繩提升至管底，然后再進(jìn)行上、下兩片哈夫 的對(duì)接緊固。 上、下兩半片哈夫?qū)酉仍阡摻z繩收緊的狀態(tài)下，由潛水員水下將兩側(cè)螺栓連接處的兩端各安裝兩個(gè)長(zhǎng)螺栓，以先將哈夫初步固 定，然后再逐步收緊鋼絲繩和四個(gè)長(zhǎng)螺栓，然后再分別對(duì)稱安裝中 間的螺栓，直至中間螺栓均安裝緊固完成后，再將兩側(cè)四個(gè)長(zhǎng)螺栓 替換成設(shè)計(jì)規(guī)定長(zhǎng)度的螺栓。 本工程長(zhǎng)江取水頭共2個(gè)，為鋼制蘑菇型取水頭，單個(gè)重約120 噸。取水頭安裝后其頂面標(biāo)高為-2.0m，兩個(gè)取水頭中心間距為 42.8m，取水頭與取水管道之間同樣采用哈夫接頭連接方式。每個(gè) 取水頭下部設(shè)9 60916鋼管樁基礎(chǔ)支撐，鋼管樁長(zhǎng)50m。 取水頭制作選擇在加工廠內(nèi)完成半成品構(gòu)件的制作和防腐，由船運(yùn)輸至施工水域附近岸邊的制作場(chǎng)地上進(jìn)行整體拼裝、焊接和防腐 修補(bǔ)，然后再采用水上起重船將取水頭吊駁至駁船上拖運(yùn)至施工現(xiàn) 場(chǎng)水域進(jìn)行沉放安裝。

國(guó)際上已經(jīng)有很多成功利用塑料管道做排海工程的實(shí)例。最近一個(gè)著名的實(shí)例是前文提到的 法國(guó)蒙彼利埃市 Montpellier 排海工程：蒙彼利埃市是法國(guó)南部地中海邊的文化和旅游名城， 2000 年起擴(kuò)建其污水處理廠，其中排海工程是建設(shè)一條直徑 1600 毫米， 陸上 9 公里海中 11 公里的 排放管道。參加競(jìng)爭(zhēng)的有鋼管，***管，玻璃鋼管和 PE 管。最后是 Pipelife 公司的 PE 管在 2002 年 9 月中標(biāo)。采用的管材是直徑 1600 毫米， SDR26 （ PN6.3 ）的 PE100 管。管材在由 Pipelife 公司在挪威的工廠生產(chǎn)，材料用的北歐化工的 Borstar? HE3490-LS 。 每根擠出管材 550 米長(zhǎng)，總共 20 根，在海面上分 4 批經(jīng)過北海，大西洋，拖運(yùn)到地中海邊的工地。 PE 管采用管端對(duì)接焊，然后用專門設(shè)計(jì)的玻璃鋼連接件把管道連接起來。在 PE 管外套上既起壓重作用又起保護(hù)作用的***管段以后，逐步鋪入在海底開挖的 2 米深管溝。管道最末端的排放擴(kuò)散口在水深 30 米處。管道上再鋪上***保護(hù)板。全部工程在 2004 年 1 月完成。

取水頭的過駁、吊裝采用1艘150 噸的起重船進(jìn)行水下沉放安裝， 取水頭最終沉放至下部樁基礎(chǔ)頂部的樁帽平臺(tái)支架上，由潛水員水 下探摸配合定位情況。然后由潛水員水下安裝樁帽頂板和取水頭底 座間的連接螺栓。 水下管道鋪設(shè)安裝一般在沿江、沿河、沿海地區(qū)的自來水廠取水工程、發(fā)電廠和污水處理廠的取、排水工程中較為常見，且取水工 程在管道端部均設(shè)有取水頭。其大部分管線安裝均位于水下，因此 均為水上、水下施工作業(yè)，需依靠大型船舶設(shè)備、潛水員和專業(yè)施 工人員精心組織施工，才能保證工程質(zhì)量和施工作業(yè)安全。 施工過程中，應(yīng)選擇合理的施工方案和工藝，取水管道、取水頭和水下鋼結(jié)構(gòu)件受現(xiàn)場(chǎng)條件制約宜在工廠內(nèi)、施工現(xiàn)場(chǎng)水域附近岸 邊空地、碼頭上加工制作和防腐，尤其是高、大、重的大型管道和 構(gòu)件，以方便制作完成后過駁至駁船或吊入水中拖運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn) 行沉放安裝。

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在水中鋪設(shè)的管道承受的自然力負(fù)載主要來自波浪和水流運(yùn)動(dòng)，也常來自于不穩(wěn)定的海底變動(dòng)。由于這些外力的大小無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，若管道采用傳統(tǒng)的剛性管道（如***、鑄鐵或鋼），由于剛性管道在爆裂或泄漏前只能承受很小的變形或應(yīng)變，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須保證管道十分穩(wěn)定，這就要求用很大的安全系數(shù)，在鋪設(shè)時(shí)要求加重壓載或者要求深埋在海底沉積物中。其結(jié)果必然是工程費(fèi)用很高，常常造成不可能或者不值得在水中鋪設(shè)。