柳西水廠供水管道穿越河底工程設(shè)計(jì)與施工

1、柳西水廠供水管道穿越河底工程設(shè)計(jì)與施工潘明巖?馮毅?施展造?杜敬民？黃京敏摘要：柳西水廠穿越柳江河底的供水管道過河處河床水較深，橫斷面呈“U型，采用整管焊接、防腐、拼裝后，浮運(yùn)至管槽水面，然后充水下沉安裝，施工難度較大。介紹管槽開挖管道防腐、焊接、拼裝、浮運(yùn)就位與注水下沉安裝的方法。關(guān)鍵詞：柳西水廠管道防腐焊接浮運(yùn)安裝分類號(hào)：U173.911工程概況柳州市柳西水廠擴(kuò)建工程是利用英國(guó)政府貸款進(jìn)行供水工程建設(shè)的項(xiàng)目，被列為自治區(qū)重點(diǎn)工程，是目前區(qū)內(nèi)同行中生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備最先進(jìn)的水廠之一。該水廠的建成對(duì)于緩解城區(qū)用水緊張狀況起著舉足輕重的作用。其東線供水工程必須2次穿過柳江河，本工程就是第1次穿過柳江河

2、底的供水管道工程。本工程設(shè)計(jì)管道直徑為DN1024x12000mm,采用螺旋焊縫雙面埋弧焊接鋼管，設(shè)計(jì)管長(zhǎng)391.57m。設(shè)計(jì)要求采用整管充水下沉方法埋設(shè)安裝。1998年元月18日開工，1998年4月16日竣工，實(shí)際施工期為88d。1.1地形、地貌及周圍環(huán)境壺西段河道比較順直，呈“U形河槽，兩岸岸坡穩(wěn)定，沒有明顯沖淤現(xiàn)象，兩岸居民住宅密集，壺西大橋是城市主要交通干線之一，過往人、車流量大，東岸岸直坡徒，表面有出露的石灰?guī)r；西岸邊灘穩(wěn)定，灘地平坦，覆蓋層厚；為多年沉積的密實(shí)砂卵石層。有運(yùn)輸便道直達(dá)灘地，岸上附近有水、電源可接，施工比較方便。1.2水文氣象條件柳江河是典型的山區(qū)河流，上游有支流龍江

3、和干流融江匯入，流域面積大，洪水期水位暴漲暴落，枯水期為每年的10月至次年的4月份，該時(shí)段雨量少、氣候干燥，水位變幅一般為1.02.0m左右，壺西河段水流平穩(wěn)、流速慢，若安排在該時(shí)段進(jìn)行沉管施工，對(duì)水下管槽開挖、管道除銹與防腐、焊接、沉管工藝安裝等作業(yè)十分有利。2穿越河底管道設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)所需要的資料岸上和水下地形圖及表面流速測(cè)量資料，河道演變調(diào)查資料；地質(zhì)鉆探資料；管道有關(guān)技術(shù)參數(shù)資料；管道安裝有關(guān)技術(shù)規(guī)范及預(yù)算定額。2.2設(shè)計(jì)步驟選定管道軸線走向位置，必須考慮如下幾個(gè)問題：選定管道軸線位置標(biāo)高應(yīng)與航道部門規(guī)劃的航道等級(jí)相符合，管頂設(shè)計(jì)標(biāo)高必須低于該位置規(guī)劃航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高以下1.52.0m，

4、同時(shí)管道埋深必須低于河床沖刷線以下1.5m。管道軸線應(yīng)盡量選取在河槽兩側(cè)河床邊坡比較平穩(wěn)，且兩岸邊坡比較穩(wěn)定的斷面，以減少管道轉(zhuǎn)彎節(jié)點(diǎn)數(shù)，而且彎頭水平夾角小于12為宜，這樣可以避免管道充水下沉過程中節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或承受過大扭矩而致使管道產(chǎn)生破壞現(xiàn)象，同時(shí)尚可減少管槽水下開挖量，以達(dá)到施H1.IS411工工藝簡(jiǎn)便、節(jié)約投資的目的。管道軸線與周圍建筑物的最小距離要大于爆破安全技術(shù)規(guī)程規(guī)定的爆破最小安全距離，以防止進(jìn)行水下管槽爆破作業(yè)而造成周圍建筑物因爆破效應(yīng)而產(chǎn)生破壞現(xiàn)象或因此采取其他防護(hù)措施而增加工程成本。4管道軸線位置應(yīng)盡量與岸上已布置的管路相銜接，盡量避免對(duì)周圍建筑物及生產(chǎn)設(shè)施產(chǎn)生影

5、響。經(jīng)過對(duì)上述各種因素進(jìn)行綜合考慮比較，設(shè)計(jì)管道軸線位置選取在壺西大橋下游150m處（與大橋軸線相平行）較為經(jīng)濟(jì)合理。穿越河底管道設(shè)計(jì)根據(jù)已選定管道走向設(shè)計(jì)軸線，按照地形圖繪制軸線水下地形縱剖面圖，然后從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等諸方面因素進(jìn)行綜合考慮，確定管道埋深、轉(zhuǎn)彎節(jié)點(diǎn)角度等有關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)縱斷面圖（見圖1）設(shè)計(jì)有4個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，最小彎頭3。01，最大彎頭為10。48，彎頭角度均小于12。，滿足使用及施工工藝要求，參照有關(guān)施工技術(shù)規(guī)范，確定合理開挖斷面圖（見圖1）tfUdMNWMrIDMU+IIVTBirpEfV二焊1MY和中1I.AC41H0Fau羔!?BBOy51it；心;茁：D杠3Tl鴨M93$?ID

6、it討74H圖1設(shè)計(jì)管道縱斷面圖（橫比1：1500縱比1：600）管壁厚度&的選擇根據(jù)穿越河底管道的工作環(huán)境,鋼管運(yùn)行時(shí)承受的內(nèi)、外壓力情況（管外壓力主要有水壓力和覆蓋層壓力，管內(nèi)壓力為動(dòng)水壓力），同時(shí)還要考慮沉管施工時(shí)施工荷載的大小與分布情況對(duì)管道的影響，避免施工荷載對(duì)管道的破壞，綜合上述各種影響因素，擬選取用6=12mm進(jìn)行應(yīng)力校核，計(jì)算結(jié)果&zs6，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范要求。防腐涂料選擇由于管道埋設(shè)和防腐作業(yè)的一次性，因此防腐效果至關(guān)重要，直接影響到管道的使用壽命年限。經(jīng)比較，本工程選用廣州防腐涂料廠生產(chǎn)的STIC系列防腐涂料，內(nèi)壁選用STIC9081無毒防腐涂料，外壁底層選用強(qiáng)粘附力的ST

7、IC9082；外層選用STIC9086和玻璃布作為加強(qiáng)層進(jìn)行防腐。3主要項(xiàng)目的技術(shù)要求及施工方法3.1施工順序3.2管槽開挖與整平施工放樣、定位方法：管槽開挖前，用全站儀將過河管道穿越河底軸線平面位置標(biāo)出，并在東、西岸軸線上各埋設(shè)3個(gè)固定定位標(biāo)點(diǎn)，并設(shè)置有明顯岸上定位標(biāo)志。水下管槽開挖時(shí)，在水面上還另增加每隔50m左右拋設(shè)一浮標(biāo)顯示中心線，以作為鉆機(jī)船鉆孔和挖泥船清碴或抽砂船抽碴平面位置定位的依據(jù)。并在兩岸各設(shè)置水尺一把（水尺零點(diǎn)標(biāo)高要經(jīng)常檢測(cè)）作為各斷面開挖標(biāo)高的依據(jù)。在施工中，為保證管槽開挖的準(zhǔn)確性，指定專人觀測(cè)，采用經(jīng)緯儀雙交會(huì)法或全站儀進(jìn)行鉆機(jī)船或挖泥船定位準(zhǔn)確測(cè)量。水下管槽按底寬3m

8、、石質(zhì)河床開挖邊坡1：1、砂卵石邊坡按1：2.5進(jìn)行開挖，為了保證管道下沉?xí)r安全翻轉(zhuǎn)，上游開挖邊坡應(yīng)略大于設(shè)計(jì)邊坡，開挖石碴不得在管槽附近堆放。由于工程位于市區(qū)，兩岸建筑物密集，上游150m處有壺西大橋,施工時(shí)水下管槽基巖不能采用大爆破，以免地震波對(duì)周圍建筑物造成破壞。通過計(jì)算，實(shí)行微差控制爆破、分段微差雷管起爆的方法，以增大一次爆破藥量。由于分段微差雷管起爆，減少地震動(dòng)波峰值的疊加，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)，提高爆破效率，有利于清碴作業(yè)。管槽整平：管槽開挖檢測(cè)合格后，即可進(jìn)行管槽整平，超深過大部位，先用漏斗或串筒拋卸砂卵石填平，凸出部分由潛水員水下用高壓槍掃平，也可用拖軌刮平，槽底標(biāo)高高差均控制在土1

9、0cm以內(nèi)。3.3管道除銹、防腐防腐前，需要對(duì)管壁進(jìn)行除銹處理，使用角磨機(jī)配圓盤砂輪將管道表面局部泥土、銹斑、油漬等污垢清除，使管道表面光潔干凈，且需立即涂上一層STIC涂料，防止因除銹致使金屬表面暴露過長(zhǎng)產(chǎn)生新的銹斑而影響防腐質(zhì)量，同時(shí)，注意控制好濕度對(duì)施工的影響。管道內(nèi)壁涂刷STIC9081涂料，設(shè)計(jì)涂層厚度為240pm,要求分3道涂刷，每道用料要求不得低于0.2Kg/m2（單層）。管道外壁防腐，設(shè)計(jì)采用五油兩布加強(qiáng)防腐措施，設(shè)計(jì)總厚度640pm，具體方法是：1底層先涂2層強(qiáng)粘附力的STIC9082涂料。2包第1層玻璃布。3涂第1層STIC9086。4表干后再涂第2層STIC9086。5包

10、第2層玻璃布。6再涂第3層STIC9086，每層STIC9086涂料用量不低于0.2Kg/m2（單層）為確保防腐質(zhì)量必須按規(guī)定做好如下工作：每條管兩端要求預(yù)留200mm范圍內(nèi)暫不進(jìn)行防腐處理，待管道拼裝焊接完畢后，再進(jìn)行接頭防腐處理。施工時(shí)，還要提供完善的施工原始記錄，防腐完畢后按規(guī)定進(jìn)行測(cè)厚及電火花試驗(yàn)。3.4管道焊接拼裝a.管道拼裝時(shí)，必須嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行坡口加工，坡口型式為“V型，接口組對(duì)2條管子接頭的縱向焊縫必須錯(cuò)開。對(duì)接前應(yīng)將焊接的坡面及管壁200mm范圍內(nèi)的鐵銹、泥土、油脂等污垢清除干凈。在焊縫上，填縫金屬組織應(yīng)成顆粒狀，外表呈整齊魚鱗狀，不得有裂紋、氣孔、夾碴等缺陷。管節(jié)

11、端部外壁焊3層，在焊下一層前，必須清除上一層的焊碴和碎屑。管道對(duì)接焊縫處采用鋼制包箍加強(qiáng)焊接，包箍材料用A3鋼板(&=12mm)卷管成型割制而成，包箍所覆蓋的焊縫必須鏟平，焊縫與外壁一樣平整，焊接時(shí)必須錯(cuò)開對(duì)稱焊接，以免管道變形，包箍位置按設(shè)計(jì)規(guī)定設(shè)起吊環(huán)，以備吊管下沉使用。為確保管道焊接質(zhì)量，管道對(duì)接每道焊縫按規(guī)定要求進(jìn)行100%無損探傷檢查，并按要求提供檢查報(bào)告。整條過河管道按設(shè)計(jì)要求焊接、拼裝及全面防腐完畢，即在兩端各設(shè)密封板，封板用&=14mmA3鋼制作。然后進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，合格后,管道可浮運(yùn)就位準(zhǔn)備下一步充水下沉安裝工序。3.5管道浮運(yùn)下沉、就位安裝管道充水下沉就位安裝要求位置準(zhǔn)確，無

12、懸空、扭曲、變形等現(xiàn)象，管道整管充水下沉就位安裝是管道穿越河底的關(guān)鍵施工工序，它是決定過河管道施工項(xiàng)目成敗的最后工序。a.沉管工藝的有關(guān)參數(shù)確定。管道整管充水安裝工藝，分2個(gè)階段進(jìn)行，一是管道充水實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)階段；二是充水下沉階段。這2個(gè)階段管道各吊點(diǎn)受力情況是不同的，必須進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，合理布置吊點(diǎn)，根據(jù)各吊點(diǎn)受力情況布置相應(yīng)的起吊能力的船只，以使管道能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)地翻轉(zhuǎn)和均衡下沉。翻轉(zhuǎn)X0X0與管道最低點(diǎn)垂直距離（翻轉(zhuǎn)半徑R）是受到多種因素的制約，它與管槽開挖的深淺、上游邊坡的大小、管線結(jié)構(gòu)情況、起吊能力有關(guān)，沿軸X0X0不同的位置，R2值是不同的（除與X0X0平行管段外）。經(jīng)計(jì)算，為避免管道觸底

13、影響翻轉(zhuǎn)，在管槽邊坡頂以外，取Rma=11.00mox吊點(diǎn)布置、吊點(diǎn)起吊能力。經(jīng)過對(duì)管道的翻轉(zhuǎn)和下沉過程受力分析，確定設(shè)置吊點(diǎn)11個(gè)、5個(gè)輔助吊點(diǎn)（用浮筒），各吊點(diǎn)的位置、吊點(diǎn)的起吊力，詳見圖2、圖3。圖2起吊船舶布置圖（橫比例1：1500縱比例1：500）圖3管道翻轉(zhuǎn)后起吊分布圖（橫比例1：1500縱比例1：500）當(dāng)管道內(nèi)充水，各節(jié)點(diǎn)均衡松纜下沉，管道能實(shí)現(xiàn)逐步安全翻轉(zhuǎn)。b.沉管施工管道浮運(yùn)就位：管道在岸上經(jīng)過各項(xiàng)指標(biāo)檢驗(yàn)合格后拖溜入水面，將管道浮運(yùn)到管槽軸線水面上，通過定位船把管道置于預(yù)定的位置上，然后按預(yù)先設(shè)計(jì)確定布置吊點(diǎn)位置，把起吊船只準(zhǔn)確定位，船上用卷揚(yáng)機(jī)、滑輪組、鋼絲繩與管道吊環(huán)

14、牢固連接。管道注水翻轉(zhuǎn)下沉。管道浮運(yùn)至預(yù)定水面定位完畢，各項(xiàng)工作準(zhǔn)備就緒，由現(xiàn)場(chǎng)指揮組總指揮長(zhǎng)下達(dá)注水沉管指令，打開管道兩端注水閘閥和排氣閥，用1臺(tái)抽水量為100m3/h的潛水泵從東端注水，在潛水泵出水管安裝有水表，以方便注水計(jì)量。在注水過程中經(jīng)常檢查各吊點(diǎn)有無異常情況，管道應(yīng)由翻轉(zhuǎn)半徑R最大值位置最先下沉，各吊點(diǎn)應(yīng)協(xié)調(diào)作業(yè),其中在翻轉(zhuǎn)過程中，F(xiàn)、F2、F11應(yīng)逐漸起吊，F(xiàn)3、F10基本維持不變（翻軸x0 x0位置上），f4、f5、f6、f7、f8、F9應(yīng)逐步松纜使管道翻轉(zhuǎn)下沉，在注水過程中視具體情況，可以每充1015t水為一個(gè)階段。每完成一個(gè)充水階段，由總指揮長(zhǎng)分別下達(dá)各吊點(diǎn)起吊或松纜具體尺

15、寸指令（技術(shù)參數(shù)見圖4），在此過程中各吊點(diǎn)管頂標(biāo)高應(yīng)根據(jù)不同時(shí)段的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，力求使已下沉的各吊點(diǎn)的重力與設(shè)計(jì)各吊點(diǎn)吊力基本相等，以保證各吊點(diǎn)的吊環(huán)、吊纜不受破壞。接近全部充滿后的管道已繞翻轉(zhuǎn)軸x0 x0翻轉(zhuǎn)完畢，此時(shí)管道軸線相一致，若不一致，要進(jìn)行必要的調(diào)整,然合才能充水繼續(xù)下沉，直到整條管道全部按設(shè)計(jì)管槽軸線下沉就位為止。圖4管道翻轉(zhuǎn)過程線圖(比例1:150)水壓試驗(yàn)與回填。管道下沉入槽就位后，經(jīng)潛水員在水下檢查調(diào)平后，可進(jìn)行管道試壓工作，采用水壓試驗(yàn)，壓力為1.2MPa。試壓合格后,按要求在管頂回填砂卵石，覆蓋層厚度不小于1.5m。4竣工驗(yàn)收為保證工程質(zhì)量，本工程共分5個(gè)階段進(jìn)行驗(yàn)收，內(nèi)容的：管槽驗(yàn)收。管槽底寬度設(shè)計(jì)要求為3m,管槽開挖完畢后，經(jīng)用全站儀定位，超聲波測(cè)探儀檢測(cè)，潛水員水下檢查槽底標(biāo)高(控制在10cm),驗(yàn)收合格后可進(jìn)行管道的浮運(yùn)和就位下沉。焊縫驗(yàn)收。管道所有的連接焊縫全部經(jīng)GTSZZ型超聲波探傷,驗(yàn)收合格后方可防腐。防腐驗(yàn)收。首先進(jìn)行除銹驗(yàn)收，要求除銹后的管道表面光潔干凈。完成防腐層后，由廣州重防腐涂料公司負(fù)責(zé)，用測(cè)厚儀測(cè)量其厚度。鋼管的內(nèi)壁防腐層厚度為24pm以上，外壁為640pm以上。同時(shí)用電火花檢測(cè)儀對(duì)防腐層進(jìn)行靜電針孔檢測(cè)，內(nèi)壁標(biāo)準(zhǔn)為3000V，外壁標(biāo)準(zhǔn)為1oooov。試壓驗(yàn)收。管道的壓力試驗(yàn)分2階段進(jìn)行。管道整體拼裝后，在浮運(yùn)之前進(jìn)行水上