红水河漂管沉降施工技术

许 航 吴晓丽

广西天然气管道有限责任公司,广西 北海 536000

0 前言

随着中国长输管道工程建设的不断发展,油气管道的数量不断增加,大型管道不可避免地要通过各种类型的河流,而广西地区独特的自然环境给相关河流的穿跨越技术提出了新的要求[1-2]。广西天然气管道工程是中国石化北海LNG项目配套的天然气外输工程,辐射两广地区十六个市,是中国西南重要的能源保障。广西天然气管道管径为Φ 813 mm×17.5 mm,防腐结构为常温加强型3层PE,工作压力10 MPa,需要在来宾市桥巩乡境内由南向北穿越红水河峡谷段。红水河是喀斯特地貌明显的一条河流,具有岸坡陡、岩层厚、水流急、河道曲等特点,对于此种地貌条件下河流的沉管穿越没有任何施工和管理经验可以借鉴。对红水河穿越轴线进行详勘,河谷两岸为天然陡坎,岸边坡度约55°,临近水面处的坡度超过88°,穿越断面形状为开阔“U”形,岸边布满大小不一的溶洞,并向水下延伸。红水河穿越处河水较为湍急,洪水季节的流速超过2 m/s,这些极端的自然条件给沉管施工带来了巨大的施工难度。该工程针对喀斯特地区特有的实际情况,采取了一系列的施工措施,利用旋转漂管沉降的施工方法,成功进行了漂管沉降穿越,以下着重介绍管段漂管沉降过程中的施工原理及关键施工技术。

1 漂管沉降施工原理及可行性分析

红水河水下溶洞裂隙较多,定向钻钻头在前进过程中容易出现卡死的现象,造成重复性施工,并且定向钻施工费用较高,为了减少施工难度,降低成本,经过多方讨论决定选择在枯水季节进行沉管施工[3]。具体施工工艺流程见图1[4-6]。

图1 红水河漂管沉降施工工艺流程

根据管段漂浮牵引就位的方式不同,漂管沉降可以分为直线漂管沉降、旋转漂管沉降和起重漂管沉降三类[7-8]。垂直于红水河流动方向的施工场地小于河流宽度,且地形狭窄,无法在穿越轴线上进行管段预制,所以选择旋转漂管沉降进行沉管施工。首先选择位于穿越处上游约800 m的一处浅滩作为管段预制场地,沿着河流方向预制管段,待无损检测、管段试压、防腐补口合格、管沟平整及检验合格之后再将管段移入水中,利用管子自身的浮力使其漂浮于水面之上,加上水上船舶的牵引,在水力的作用下使预制管段漂浮到位,然后在牵引船和起吊船的配合下旋管横江,安装铸铁配重块使其缓慢下沉,进入管沟中心位置,最后完成管段穿越。

每米管段的自重计算[9]:

G=[(D/2)2π-(d/2)2π]×1m×ρ1×9.8N/kg

(1)

每米管段橡胶保护垫层(10 mm厚)的重量:

(2)

每米配重铸铁块的重量：

(3)

每米管段完全沉入水中的的浮力计算:

F=(D/2)2π×1m×ρ2×9.8N/kg

(4)

由式(1)～(2)和式(4)可得:

(5)

故对预制管段两段封堵后，即可进行管段的拖浮就位作业。

由式(1)～(4)可得:

(6)

故就位后对预制管段上添加铸铁配重块后,管段会缓慢下沉。

2 漂管沉降关键施工技术

2.1 水下爆破管沟成型技术

图2 水下爆破管沟爆破流程

爆破碎片通过清礁船清理完成后,采用测深仪及GPS对管沟中心线、管沟边线及沟底标高进行检测,对于管沟底部标高低于设计管底标高的部分认为合格,对于没有达到设计标高的部分采用补爆进行处理,对于沟底起伏不平则交由管沟平整设备处理[9]。管沟平整设备由方驳船、平台及水下平整设备构成，见图3。

图3 管沟平整设备

回填的沙砾通过管沟平整设备的导管进入管沟会稍高于设计管底标高,然后再由潜水员下水,推动刮尺沿着基槽中心线前进,这样高出部分的沙砾就会刮平。对管沟底部砂砾较少的部分,潜水员会做好标记,再通过抓斗将砂砾石送到指定位置,直至管沟底部标高及平整度达到设计及规范的要求,同时解决了沟槽开挖不平出现的管道底部悬空产生局部应力的问题[14-15]。

管沟开挖成型后,为了保证水下管沟的开挖深度和平整度达到设计要求,第三方机构将用测深仪和水下摄像的方法进行管沟复测,对存在问题的个别点位进行处理,直到管沟总体达到设计要求。经检测:开挖前穿越轴线河底最深处高程为45.4 ～53.1 m,开挖后直管段管沟高程为41.5 m,冷弯段管沟高程为41.5 ～47.2 m,管沟宽度约5 m,沟底填砂平均厚度为0.5 m,管沟中心轴线与设计轴线偏差 <300 mm,沟底设计标高偏差 <150 mm。

2.2 3 PE防腐层及热煨弯头的保护

预制管段以整管的形式从预制场顺流漂至沉管穿越的位置,为了避免在漂管过程中浅滩礁石和水流冲击对3 PE防腐层及热煨弯头的影响,需要采取一些保护措施[16-17]:预制管段漂管前,在3 PE防腐层外面固定厚 10 mm 橡胶皮保护层,每块橡胶皮宽1 m、长度略长于管线的周长，用钢带固定在防腐层外侧;为了防止热煨弯头在漂管及翻转下沉过程中在水流冲击下产生变形,在距离弯头3 m处,直管上绑扎一直径159 mm×4.5 mm的钢管,加强热煨弯头处的强度。热煨弯头钢管绑扎见图4。

图4 热煨弯头钢管绑扎

2.3 减小预制管段的旋转半径

预制管段在南岸就位后横江需要一定的旋转半径,红水河穿越处两岸高程较大,水面到岸边的距离常年保持在30 m以上,岸坡极为陡峭,导致岸边的开挖量大。为了减少施工开挖量,需要对原先管段进行角度和长度的改变:将弯头由30°改为60°,将南岸出水直管段截短10 m,将北岸出水直管段截短7 m,改变后管段的旋转半径缩短近25 m,大大减小了开挖量和施工难度。同时,管段翻转就位后直管段依然可以露出水面,采用立管焊接的方法进行后续施工。

2.4 漂管沉降过程中船舶对管段的控制

在漂管沉降的过程中,考虑到水流的冲击,所以必须在管段横江过程中保持预制管段的稳定[18]。待预制管段从上游漂浮至南岸预定位置,固定一端,通过船舶的牵引使其产生旋转,旋转过程中让背弓面迎着水流,以减小其在漂管过程中的变形量。管段前后的船只分别起到拖管和顶管的作用,让管段逆流而上,最终使管段的中心位于水下管沟的正上方。在牵引机和施工人员的配合下,均匀安装铸铁配重块,使其缓慢下沉。预制管段的旋转过程见图5。

图5 预制管段的旋转过程

2.5 管段下沉过程的控制

红水河河水较为湍急,在预制管段下沉过程中,预制管段受到浮力、管段及铸铁配重块的重力和水流的冲击力等多种外力的影响,需要采取一些控制措施来防止预制管段因外力而产生过大的变形:

1)控制铸铁配重块的数量。由式(6)得知铸铁配重块的添加使得每米管段产生-922.87 N的合力以便管段顺利下沉。为了加快施工的进度,一部分铸铁配重块的安装在岸上进行,一部分安装在水面上进行。在水面上安装铸铁配重块时由起吊船和牵引船共同牵引预制管段,待各船的牵引绳均受向下的力时,停止安装铸铁配重块,在保证管段顺利下沉的同时避免管段受到过大的向下外力。在安装配重块时也应注意间隔均匀地安装,使得管段均匀受力。

2)合理布船,协调施力。在管段下沉过程中起吊船和牵引船分别沿着预制管段方向均匀排布,通过牵引绳拉住管段,抵消水平方向的水流冲击力,减小因水流冲击力而产生过大的变形。牵引船为主要施力船,逆流而上,通过前后进退来摆正下沉过程中的管段。起吊船在牵引船的另一侧均匀分布,在竖直方向上吊住预制管段,辅助牵引船施力,协同前退。预制管段下沉过程中船只分布见图6。

图6 预制管段下沉过程中船只分布

预制管段采取逐次逐段的方式下沉,由牵引船和起吊船共同进行控制[19]。预制管段旋转就位后,两端热煨弯头各由1艘起吊船控制其前后摆动,在沉管过程中使用牵引绳调整位置,使得弯头始终处于变坡点正上方。两岸各布置2台卷扬机分别位于管段两侧,通过松紧牵引绳来摆正弯管角度,保证热煨弯头下潜到位,预制管段进入中心轴线。预制管段在下沉的过程中,根据管段两端的情况松放牵引船和起吊船的钢丝绳,管段每下沉0.5 m暂停一次,通过仪器检测管段是否偏离设计的下沉路线,并适当调整牵引缆,使得管段中线与管沟轴线的相对位置在可控范围之内[20]。待管段下沉至距管沟沟底约0.5 m时,用全站仪及水下定位系统对管段中线进行监测控制,直至与管沟中心轴线相一致,再将管段沉至管沟之上。管段下沉完成后,通过岸上卷扬机和船只微调扶正管道到设计角度。待调整完毕,管段两端分别在岸上进行固定和支撑,同时水下进行马鞍块安装,稳定管段,防止发生位移和扭转。管段逐次逐段下沉控制见图7。

图7 管段逐次逐段下沉控制

3 结论

综上所述,广西天然气管道工程红水河沉管穿越结合广西喀斯特地区河流的自然环境特点,对沉管施工中的水下爆破管沟成型技术、3 PE防腐层及热煨弯头的保护技术、预制管段的旋转控制、漂管及沉管过程控制等主要的关键工序控制点进行了相应的改进和探索,较好地保护了管道,减小了施工难度和工程量,成功进行了沉管穿越,证明了喀斯特地区河流沉管穿越切实可行,为在类似地质条件的沉管穿越施工提供了借鉴。