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1、H O P E 管长距离越江施工技术报告上海自来水给水设备工程有限公司一、课题背景我公司通过招投标于2 0 0 4 年2 月承接了一项工程：福州市城门青口过江工程。这是福州市救灾应急工程。是为了能有效解脱闽候地区尚干、祥谦、青日等乡镇数万人口长期缺水的困境和充分满足青口汽车城的生产用水。由福州城门水厂引管穿越乌龙江抵达青口。乌龙江过江管道总长度为4 6 0 0 米，其中4 0 0 0 米从江底穿过。其采用管道为D N 6 3 0H O P E 管，以这种管材，如此距离的过江供水管道工程，在福建省是首例，全国也罕见。工程地处入海口，受潮流影响严重，江面风大浪急，河床地质情况复杂，江中水深流急，如
2、此的环境对施工的影响之大是可想而知的。再有施工期限仅3 5 天，要在这样短的时间里完成排管任务，其难度也是可以想象的。工期紧、任务重、施工条件差、施工难度大是此工程的四大特点，同时，所采用的管材为给水用聚乙烯管( H O P E 管) 乃新型的给水管道材质，用在穿越如此长距离的江河中更是首次，因此无经验可以借鉴。一切都是新的尝试。= 、课曩特色施工技术的研究是工程实施的关键。而施工技术要充分考虑到水文气象、地理环境、地质条件，管道材质等各方面的因素。1 、水文气象福州地处亚热带季风气候区，雨水充沛，四季常青，夏日炎热多雨，冬季温热少雨。全年平均降水量为1 3 4 3 m r n ，降水主要集中
3、于4 1 0 月，约占全年的8 0 ，恰好是本工程的施工期。本工程的施工水域属于感潮河段，潮型为正规半日潮，天两个周期，平均涨潮历时8 小时，平均退潮历时4 小时。4 7 2 、地理环境本工程的施工位置在距离乌龙江大桥2 7 5 公里处，河段总宽度为4 0 0 0 m ，中间的绿家洲和塔礁洲将乌龙江分隔成南、中、北三个汊河道，北侧河道为主航道，宽1 2 0 0 米，河床最低标高一9 1l m ，平均高潮位标高4 8 1 m ，平均低潮位标高1 O l m ，平均潮差3 8 m ，最大水深1 4 m 。南侧河道为次航道，宽2 8 0 0 米，主要是漫滩，退潮时8 0 河床露出水面，最大水深2 m
4、 ，受涨落潮和地形的影响而造成江水的流速高达2 1 米秒。3 、地质条件本工程管位线定于乌龙江( 闽江下游) ，属冲击地貌段，两岸地表高程在5 米以上，河段多为漫滩，沿线有多处江心岛、滩分布。管线的地基地质可分为：闽候县南屿岸侧：表层为3 “ - - - 6 m 厚的填土( 粘性) ，中部为2 5 m 的粉质粘土，下部为2 0 “ - - 3 0 m 的淤泥质粘土；福州湾边排涝站附近：表层1 2 m 为灰色粘土，密度呈软塑状，中部8 l O m 为中细砂，下部为淤泥夹薄层细沙；绿家洲：表层为2 5 m 淤泥，以下为粘土；绿家洲和江心岛之间：部分地段为沼泽地带，表层为l m 厚淤泥，以下为流砂。
5、其余河道部分为0 5 m 厚淤泥，以下为中砂；江心岛：表面土层为1 m 厚淤泥，以下为粘土；主航道段：表层为淤泥，以下为中砂。4 、管道材质管道采用给水用聚乙烯管( H D P E 管) 。其基本参数为：管径D = 6 3 0 m m ，壁厚6 =3 7 4 m m ，管长L = 1 2 m ，比重d - - O 9 4 。它具有糙率低、使用寿命长、抗震性强、环保无污染、综合造价低等优点。但属塑料管系，其强度对埋在江底是否能承受，我们心中没有底。为此，于2 0 0 4 年3 月请上海交通大学工程力学系作有限元计算。根据管道在江面与江底两种工况；正常供水水压0 4 M p a与水压试验水压0 8
6、 M p a 两种水压；涨潮与落潮两种情况予以计算，其计算结果为：1 、管道在江面，涨潮时：安全系数K - 2 3 3 6 ；2 、管道在江面，落潮时：安全系数K = 2 7 1 0 ；一4 8 3 、管道在江底，水压0 4 M p a 时：安全系数K = 4 6 44 、管道在江底，水压0 8 M p a 时：安全系数K = 2 9 4由此说明，聚乙烯管强度是足够的，管道选择是合理的。三、技术难点：由于主航道与次航道的水深条件不同，故需研究不同的施工技术。主航道采用发送沉管法；次航道采用浮运沉管法。1 发送沉管法其中以“测量放样”、“船只定位”、“沟槽开挖”“发送沉管”为主要攻关难点。测量放
7、样测量放样的控制是贯穿施工全过程的一项十分关键的工作，测量放样的正确与否将直接影响工程的进展和工程的质量，所以必须全面准确地对整个工程分部、分项进行全方位的跟踪控制。由于管道是逐段沉入江底，而管道的材质是聚乙烯管，其刚性远远低于钢管，所以在未回填之前，会产生一定程度的挠曲，加之涨落潮的影响，难以保证管道的位置。为此，必须采用先进的测量设备：G P S 系统R T K ( 高精度卫星实时差分定位系统) 、N T S - 3 2 0 全站仪和测量仪，先对陆上和水下管道经过处的原始地形进行复核测量，又在施工期间于岸边架设全站仪和R T K 进行跟踪测量。使控制精度达到l 2 c m ，比传统技术，其
8、精度提高了几十倍。船只定位由于本工程是在江面施工，因此必须广泛使用船只，有5 艘吸泥船，管道拼装浮舟平台，管道运输驳船等。受乌龙江水深流急、一天两次涨落潮的影响，故船只的定位是最大的难点。我们根据不同的工作性质采用不同定位方法：绞吸式吸泥船采用定位桩；管道拼装浮舟平台采用锚固定。浮舟平台是一艘钢结构平板船，是完成管道拼接和安装焊接的施工场所，沉管作业也是依赖于浮舟平台，因此浮舟平台的定位是整个工程施工中关键之关键。其采用锚固定：浮舟的两侧各2 只，前面1 只，共用5 只锚。两侧锚作固定用；船头锚作前进用。通过这5 只锚的主体动作，来保证管道拼装、加载、安装、发送和沉管等各个环节安全稳定地运作。
9、4 9 。我们设计了单爪平衡锚，是由钢管与钢板焊接而成。沟槽开挖报据工程地质图，得知主航道段部分地段表层有少许淤泥，其余多为中砂。经开挖试验，其沟槽开挖成形困难，泥砂回落速度较快，这对管沟和管道轴线的控制带来了不小的难度。报据设计要求，沟槽断面尺寸为：沟槽底宽B - - 5 6 3 m ，平均开挖深度H = 3 8 m ，坡比R = I ：5 。通过计算，每小时开挖强度为：V 3 5 1 8 m 3 h ，若效率6 0 ，故需配备5 艘生产能力为2 0 0 m a h 的绞吸式吸泥船。为解决河道中石块等特殊土质，再要现备一艘经过改装的冲吸式挖泥船和一艘液压抓斗船相互配合作战，以确保沟槽开挖顺利
10、进行。发送沉管由于H D P E 管的比重小于水，因此在浮舟平台上拼装焊接后的管道还得安装配重和浮球。这是为了造成管道在水中有一段较长的圆弧曲线，以避免管道在槽沟底部与浮舟平台发送点这两处产生折弯。当逐个拆除浮球后，管道就缓慢地倾斜着沉入槽底。在回填土之前使管道稳定在规定的管道轴线上，仍用钢丝绳连接单爪平衡锚向两侧抛锚固定。2 浮运沉管法其中“开沟挖槽”、“浮运管道”为攻关难点。开沟挖槽次航道段的地质情况异常复杂：河道部分为淤泥和黄砂相混杂，塔礁洲为淤泥，绿家洲为沼泽，江中岛则为杂填土，而且还受潮汐的影响。必须根据不同的地段采用相适应的沟槽开挖方法：通航河道：采用“起潮作业法”。在涨潮时以绞吸
11、式吸砂船开挖。塔礁洲：采用“浮箱作业法”。因其土质为淤泥，故特制浮箱，将挖掘机置于浮箱内，要前进则让挖掘机的抓斗深插淤泥中，通过拉力使浮箱带挖掘机一起向前滑行。也解决了挖掘机陷入淤泥的难点。绿家洲：采用“机船联合作业法”。先用浮箱挖掘机清除表面淤泥和水草，开出一条吸砂船的航道，再用吸砂船吸砂开槽。可以避免吸砂船受潮汐影响而搁浅。一一5 0 江中岛：采用“挖掘机作业法”。次航道沟槽断面尺寸为：沟槽底宽B = 2 6 3 m ；平均开挖深度H = 2 2 m ；坡比R = I ：3 5 。由计算可得：每小时开挖强度为：V 3 _ - - 4 2 9 m 3 h 。故需配备2 0 0 m 3 h 的
12、绞吸式吸砂船2 艘，由于赶进度，在沼泽和漫滩地段开辟3 个工作断面，则需配备3 台挖掘机。浮运管道次航道的管道拼焊就在江边分段拼装成2 0 0 米左右的长段，两端焊以不锈钢法兰片，封堵闷板o 吊至江上加载部分配重块后，涨潮时由拖船拖至已开挖好的沟槽上方，抛锚固定。落潮时沉入槽底，加足配重块，拆除闷板连接法兰。四、效益与维护1 、经济效益这项工程提出过两套方案：一是传统施工法：即沿着3 1 6 国道至乌龙江大桥，以桥管型式跨越乌龙江，返回到达青口。这方案优点是陆地敷设管道，施工方便，工艺成熟。缺点是：1 管道线路长。要从城门至乌龙江大桥后又从乌龙江大桥至青口，增加两个2 7 5 公里，线路总长要
13、1 0 0 0 0米；2 施工周期长。至少要3 个月；3 施工成本高。需在乌龙江大桥一侧搭建管线桥，投资至少2 5 0 0 万元。二是穿越江底法：由城门水厂直接引管穿越乌龙江江底到达青口。这套方案的优点是：1 管道线路短。仅4 6 0 0 米，其中4 0 0 0 米穿越乌龙江底；2 工期短。只需3 5 天；3 资金少。可节省1 2 0 0 万元。缺点是：1 地形复杂、施工难度大；2 缺乏经验、没有先例可以借鉴。两者相比，为了救灾应急，我们毅然决定采用第二套方案。其经济效益除了直接节省1 2 0 0 万元的施工成本外，同时对青口汽车城可以充分供水，终止了以往因断水停产而造成每天高达4 0 0 多
14、万元产值的损失。这也是间接地创造了经济效益。2 、社会效益本工程取得圆满成功之后，既解决了闽候地区数万居民长期缺水的困难，又结束了尚干、青口、祥谦三镇居民隔日供水、轮流供水的无奈措施，也打开了制约闽候地区经济5 1 发展的瓶颈，为今后闽候地区的发展奠定了基础。同时还避免因施工而造成对交通与居民的阻碍。因此受到了福州市委、市政府领导的热烈赞扬，以及当地媒体的高度评价，称之为：福建首例、全国罕见。3 、推广本工程是一项大口径H D P E 管长距离穿越乌龙江的深水过江管道工程，攻克了在复杂地质和水文条件下施工的难点，具有很高的技术含量，是给水管道施工技术的一种创新和突破，为过江管道工程积累了经验，因此具有极为深远的意义。既可以在类似的工程中给予推广，也可为其他管道工程的施工提供借鉴，还可以在水务工程的其它项目中推广应用。为保护知识产权，我们以“聚乙烯塑料管道长距离深水越江施工方法”、“聚乙烯管道穿越滩涂与浅水河道的施工方法”和“单爪平衡锚”申请专利。我们将继续总结与探索，为给水管道的施工技术做出新的成绩、作出新的贡献。一5 2
