海上开槽埋管工程施工技术的探讨

海上开槽埋管工程施工技术的探讨
马爱君
摘　要：城市污水处理的排放，对开槽埋管海上施工技术要求特别高，尤其大口径长管道在海上所涉及的深水基槽开挖、垫层施工、钢管制作、下滩、浮运及沉管、回填等施工技术。本文阐述的开槽埋管施工技术可解决大口径长管道存在的运输困难、水下焊接成本高、施工难度大等问题,可确保工程质量及施工进度,取得了良好的经济和社会效益。
关键词：管道施工；开槽埋管；施工技术
0 前言
我国管道施工工程大多数为陆地开槽埋管工程,水中施工一般采用沉管、顶管或隧道掘进法施工,海上开槽埋管则较少见。由于海上开槽受潮汐及季风的影响较大,管道入槽定位困难,施工技术及质量要求高。笔者以上海某污水处理厂尾水排放管的海上施工为例,介绍该施工技术的要点，以供参考。
1　工程概况
上海市某污水处理厂尾水排放管工程,海上部分为平行敷设2根管径为1000mm的钢管,一根为正常排放管,总长为422.67m，沿长度方向设置3个DN400的柔性鸭嘴止回阀作垂直排放口，埋深最低标高为-9.63m。另一根为紧急排放管,总长为99.66m,沿长度方向设置1个DN400的柔性鸭嘴止回阀作垂直排放口。
2　主要施工技术
2.1 施工原理
开槽埋管的施工原理是利用潮水涨落和管道的自身浮力进行大口径长管道的浮运。由于管道自身重力大,在自然灌水下沉时沉速大而无法控制,所以需配合起重船挂轻质浮子平衡一部分重力,避免对基底产生太大的冲击而引发质量事故。海上开槽埋管工艺新、施工风险低，可节约投资，加快施工进度,且无环境污染。但海上施工受季风及洋流等影响较大，施工时最好错开季风季节；同时，还需与当地气象台保持密切联系,时刻关注台风及潮汐洋流情况。在开槽前测定海底的回淤速率,开槽时严格控制好施工进度,以便在回淤前将基槽开挖完成。管道浮运和下沉时测定海水流速,以调整管道浮运时的状态和下沉时的位置。
2.2 工艺流程
埋管工艺如图1所示。

图1　海上深水开槽埋管施工工艺流程图
2.3 基槽开挖
采用一艘抓斗式挖泥船(4m3)进行管道基槽的开挖，抓斗挖泥船沿沟槽轴线从远岸位置逐步向近岸施工，锚缆布设，艏锚与海床走向一致。通过在堤坝上建立全球定位系统进行平面控制,施工船位则由监控电脑控制,以提高平面控制精度。沉管工程的施工定位至关重要,对此采用激光测距仪、GPS和导标相结合的方法开展施工平面控制，确保施工质量。平面位置控制由挖泥船参照中心导标和岸上架设经纬仪相结合的方式进行导向,以确保管道基槽轴线的准确。在岸上设置水报房随时监测水位变化,当潮位变化约为0.1m时,用高频对讲机告知挖泥船上的操作人员,使其根据水位变化随时调整开挖深度,控制基槽开挖深度及平整度在规定范围内,船艏当班水手用测绳随时复测挖深情况。开挖时船要把稳慢移,根据挖泥导标和水尺记录确保基槽轴线准确、槽底平整。
基槽开挖时,要有专人对已挖基槽进行自检并记录备查,基槽轴线、宽度、深度、平整度、坡比应符合设计要求。基槽开挖完成后,及时通知业主及监理工程师进行验收,提供完整的基槽施工验收资料,验收合格后方可进行下一道工序施工。
基槽要求表面平整,无局部凸起或凹陷,基槽轴线与管道设计轴线一致,纵向坡度符合设计要求。故要求在基槽开挖时,尤其是挖泥班交接班时要将位置、深度等数据交接清楚,防止产生漏挖、偏线等情况。基槽开挖要经过基槽回淤试验,测定回淤速率,根据回淤量调整基槽开挖的原始深度,防止回淤影响基槽的施工质量。
2.4 块石及砂垫层施工
基槽检测合格后进行块石垫层的施工,由施工船舶人工抛填块石。块石抛填工作完成后进行砂垫层施工,根据设计垫层数量计算抛填量,采用船舶的方式进行抛填,在陆上经纬仪指引下沿基槽轴线抛填砂垫层,然后用平整耙配合潜水员找平。
根据基槽底宽,在陆上架设边线标,工作船根据边线标调整船位。陆上设置水尺和红外线测距仪,由专人记录并与工作船联系,工作船根据水尺记录和测距仪数据调整平整耙的吊缆长度,保证平整耙保持在要求的砂垫层标高。平整耙随同工作船缓慢向前移动平整,同时潜水员在水下进行检查找平,并根据水下情况指挥工作船的前进速度。平整后的砂垫层宽度、平整度、垫层顶面高程等均需符合设计要求,以防砂垫层高低不平而影响管道的安装质量。垫层施工完成后通过测量水位、经纬仪、测深仪、声纳等综合测量手段,对基槽进行验收。
2.5　钢管制作及下滩
用吊车把成品管吊放至组装预制场的柔性可调管座上,采用小型龙门架进行成品管的对口焊接。长管道组装完成后,两端封盲板。利用管座的可调作用,使已拼接组装的长管道在高平潮时依靠自身浮力平顺下滩、下水,该方式既可保证管道的质量又可保证施工安全。
2.6 钢管浮运
长管道的水上浮运为海上管道工程的施工难点之一，其难度体现在漂浮于水面上的长管道受波浪、潮流的冲击可能造成损伤。对于组焊完成已下水的管道,根据水文、水深条件及管道质量进行计算确定所需安装的调节浮子,然后选择有利的气象和水流条件,在风浪小时利用拖船将管道运至安装轴线位置就位。拖运中,务必注意缓速逆流拖运,尽可能使管道直线浮运。拖运管道的拖拉点应根据管道受力计算数据而布置,使管道在浮运过程中受力均匀。除了主拖船舶外,中间和末尾的助拖船舶应随时根据水流方向作出调整,以控制管道在水中的浮运状态。管道浮运时易受水流作用而发生弯曲变形,根据施工前计算好的管道允许弯曲半径(控制钢管曲率半径>800m)、极限矢高,在浮运时对其弯曲矢高跟踪观测,并及时通知各拖运船舶做好相应调整。拖运管道控制缆点应合理布置,尤其在管道就位过程中管道轴线会与水流方向垂直,因此必须按照最小应力原理布设控制缆点,保证管道各点应力在最小状态下且在允许范围内,并使管道在浮运过程中受力均匀。
2.7 沉管施工
海上管道工程距离长、口径大,需对水下钢管实行全线质量调节,其方法是利用轻质浮子根据不同的水深调节钢管在水下的质量,使其在相应水深下沉过程中的曲率和应力保持在允许范围内。
在陆上经纬仪与测距仪的控制下,起重船舶在沉放位置抛锚定位后,垂直于管道的安装轴线,抛八字锚固定。在进行管道沉放作业时,应控制好管道的形态及应力(控制管道的应力<120MPa)。经模拟计算,可利用调节浮子配合3艘沉放船舶施工。
在陆上经纬仪和测距仪的控制下,通过定位缆与起重船只调整管道位置,使管道与安装轴线及位置准确配合。管道位置调整正确后打开管道两端的进水阀和排气阀,远岸端进水,近岸端排气。3艘起重船和控制缆协同控制管道的自然进水,此时管道要保持好适当的位置形态,使管道在一端进水时另一端排气顺畅,防止气阻或水锤的产生。在管道下沉过程中,起重船主要控制好管道形态,管道应力控制由质量调节浮子实现。当管道下沉接近起重船时,各起重船即可协同管道下沉,下沉过程中务必控制下沉速度,同时3艘起重船的吊钩应相互协调使管道均匀下沉,使管道受力控制在容许范围内。此时用陆上经纬仪不断复核管道的轴线位置,以确保管道能准确就位。管道下沉完成后,请潜水员进行管道水下检查处理,检查整根管道的贴基情况,对局部架空、翘起处进行铺填和冲吸砂处理,保证管道贴基、受力良好。如发现特殊问题,及时与水面指挥船舶联系,研究处理方法。若水下检查未发现不良现象,则尽快拆除质量调节物,完成管道的沉放工作。管道沉放时,一定要注意该管道的垂直度,以免影响扩散器的正常使用。沉管到位后,应立即进行稳管。根据设计,稳管采用砂子回填至设计标高,然后在其上填埋砌块石,水下回填粗砂、块石埋砌的施工步骤及注意事项与块石、砂垫层的施工相同。
3　实施效果
该污水处理厂尾水排放管工程原设计为顶管施工，需资金约580万元，而且在海底浮泥中顶管施工存在反穿孔等危险,工期约需180d。而采用开槽埋管施工可规避许多风险,实际投入约450万元,工期仅用了100d。开槽埋管施工技术解决了距离长、大口径管道存在的运输困难、水下焊接成本高、施工技术难度高等问题,提高了工作效率,确保了管道的施工质量和工期,规避了施工风险,降低了施工成本,并且不会对环境产生破坏,具有良好的经济和社会效益。工程实践表明,开槽埋管施工技术同样适用于新建或改(扩)建水中管道工程的施工和地下水位较高的陆上开槽埋管施工(不排水)。
参考文献:
[1] 中国非开挖技术协会,《顶管施工技术及验收规》(试行)[M]，北京:人民交通出版社, 2007。
[2] 韩选江，《大型地下顶管施工技术原理及应用》[M]，北京:中国建筑工业出版社， 2008。