1． 前言
在城市供水、供气、污水收集、排水等市政工程建设中，在工矿企业取水管道建设、输油管道工程建设中，管线常常要穿越河流、湖泊及海底。过江管道的安装，要求钢管从水下穿越，对于深水域，大跨度，地形复杂，压力要求高的过江管道安装常常遇到管道的联接方式，管道的挠度，弯曲度及抗弯、抗扭、抗折、抗剪应力及精确定位等技术难题。
我公司在项目实施过程中，针对过江管道的施工进行技术攻关，形成了过江管道整体沉放施工工法，该工法在质量、安全及进度控制方面效果显著，具有明显的经济效益和社会效益，为此，我司组织人员编制了此工法，以利推广应用。
2． 工法特点
2.1应用此工法能实现长距离、大跨度管道安装总体一次沉放，从而实现水域封航时间短，影响小。
2.2过江管道总体沉放施工技术能实现钢管全部采用焊接联接，可确保管道安装质量。
2.3能实现管道精确定位入槽，确保管道的挠度、弯曲半径、抗扭、抗剪、抗折应力在安全值内。
3． 适用范围
3.1适用城市供水、供气、污水收集、排放管道的穿越江河湖海工程。
3.2适用于工矿企业取水工程。
3.3适用于输油及其他介质管道穿越江河湖海工程。
3.4适用于钢管、PE 管、玻璃钢管等多材质的管道安装工程。
水深要求、流速、江面宽度
4． 工艺原理
4.1管道两端封闭管道可浮于水面。通过船舶拖航就位管道。
浮于水面的管道一端进水，一端排气，通过精确计算，控制进水的速度和均匀度，使管道自重加进水的重量加管内空气的重量与管道所受浮力相等或接近，即管道与管中的水和空气形成的混合体的密度等于或接近水的密度。混合体等于水的密度，则混合体悬浮于水中。增加进水量，混合体的密度大于水的密度，则管道会自然下沉。控制混合体与水的密度比即控制混合体在水中的加速度可控制管道自然下沉的速度。这就解决了管道的自然下沉的问题，同时解决了管道在水中下沉的速度问题。
4.2管道弯曲段的翻身控制。水域地形断面的复杂，则使开挖的管槽断面复杂，存在管道有弯曲段。弯曲段的管道浮于水面时处于水平状态，管道要精确安装定位入槽，在管道总体下沉过程中必须实现管道的90度翻转。控制进水的速度，增加弯曲管段的水量，则弯曲管段在重力作用下会先行下沉。此时在弯管段的两端增加一个控制力，则弯管在下沉过程中自然实现90度翻转。
4.3利用管道自然下沉的原理，管道在不承受任何外力的作用下，管道进水速度控制的情况下，管道不会产生过大的弯、剪、扭曲的应力。
5． 施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程（见图5.1-1）
图5.1-1沉管施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1基槽开挖
基槽开挖根据水域地形断面、地质条件、采用的设备等因素确定。其工艺流程参图5.2.1-1。施工中的具体要求有如下几点：
1、为提高工效，挖泥时采取扇形挖泥方式，可保证槽内不留死角。
2、当覆盖层较薄即不超过2.0米时，一次性开挖到位，可满足设计要求。当覆盖层厚度超过2.0米时，开挖应分层进行。具体分多少层，以开挖总厚度来确定，凡每层均按2.0米左右进行即可。
3、为了减少返工，必须在每个扇形挖泥回合中，用测深杆或测深绳测
责与河道部门联系后，运卸至河道部门指定地点。
5.2.2管段制作
根据已形成的管槽轴线情况，确定管段的制作。管段制作在河滩上进行，其制作工艺与陆上常规管道安装基本一致。但沉管的管段制作需要确保管道的挠度、抗扭能力，需要对管道安装进行加强。其主要要点为：
1、管道必须内外双面焊接。
2、管道焊接部位加横向角铁加强。
3、管道吊环布臵必须按中轴线校准。
4、吊环位臵采用环形抱箍加强。
5、管道两端用封板封闭。
6、管道在陆上分段进行水压试验。
5.2.3管段下河
已制好的管段利用吊车起吊下河。
5.2.4管段拖航
两端封闭的管段浮在水面上，利用船舶进行拖航。拖航时注意以下几点：
1、计算水流速度、风浪对管段航行时的影响。
2、控制浮运管道允许的曲率半径、矢高在控制之中。
3、缓速逆流拖运，尽可能使管段直线浮运。
5.2.5水面管段对接
管段在水面进行对接。制作水上对接平台，对分段管道进行水上焊接对接。
5.2.6总管拖航就位
全部联接好的管段总管航运就位。管段漂浮于水面，受风向、水流因素影响大，管道弯曲变形情况复杂，可能出现～型变形等，考虑上述因素，对极限矢高、控制矢高相应加以调整。通过拖运阻力等力学分析计算，首尾中合量选择拖轮，控制浮运速度，根据实际情况掌握浮运状态，管道拖运就位后，尽快把管段与定位桩锁牢，以清除钢客的横向挠度，同时消除水流对管道的漂移作用。其主要工艺如下：
1、横管时大部份吊船应已布锚并在各自的位臵就位。用吊船将北边管端固定，使管端与堤岸保持一定的距离，避免管端的管件在横管时碰坏。
2、横管时使用一艘300HP 拖轮和2艘45HP 锚艇，将钢管北端从北岸向南岸拖出。当钢管拖至河面2/3时，应减慢拖管的速度，利用尚有的水流慢慢将管流至南岸，此时的拖轮应控制钢管横管的速度。
3、当全部吊船完成执络可在统一指挥下预受力。总指挥根据各吊船所处的位臵，指挥各吊船的起吊高度，此时中间直管段的吊船要保持预受力。当两管端管底吊起至两岸高度时，可继续横管，直至钢管两端处于管中基槽内。
5.2.7管道自然沉放
1、定位：当管道横进管中基槽内浮于水面时，利用岸边设立的三个手拉葫芦，分上下及轴线调整，确保管道准确定位于中轴线上。水面用船舶利用吊环对管道中间定位。全站仪两台立于两岸配合精确定位。弯管段定位于河流上游。
2、进水：当横管完成后，打开两管端的排气阀，打开进水口。在统一指挥下将钢管成形水平浮于河面，确保钢管两端处于管中基槽上，直至钢管完全处于基槽上方，将管道呈半成型就位基槽的姿态。向管道进水管用水泵强制灌水，
3、下沉
总指挥根据管道两端的排气情况分多次指挥各吊船放松钢丝绳，使钢管逐渐下沉，每次下沉0.2m 。随着水不断灌入，管道逐渐下沉，各吊点同时不断进行调整，以保证各吊点的合理分布。在管道有序地沉放过程中，进行管中线与基槽轴线校正的测量监控工作。指挥各吊船移动以达到逐步对准基槽轴线及两岸起止点位臵，直至基本符合设计要求。
河道两岸设臵管道中线控制桩及临时水准点，每侧不应少于2个，应设在稳固地段和便于观测的位臵，并采取保护措施。过河管下沉时测量定位准确，并在下沉中经常校测。两端起重设备在吊装时应保持受力均匀，同步沉放管道于槽底就位。
1、管道翻转
管道在进水时，各吊点对管道略有吊力。管自吊点与水面形成45度角。进水后管道下沉，其重力向下，各吊点力向上，管道在自重的作用下自然翻转45度。实现管道翻转90度。实现弯管向下。
2、落槽
自然沉放的管道通过控制进水和排气的速度，利用各吊点的起吊力来控制管道下沉的速度。管道中弯管部分必先行进满水，重心向下沉，弯管部分由南往北推进沉管。自然沉管入槽。
5.2.8监测技术与分析
确保工程安全建设的关键是全过程的管道应力监测。及时测量各点的沉放速度，绘制管道下沉的曲线变化图，监测管道的挠度及应力并计算分析，及时反馈指导进水速度他沉放速度。并通过监测分析以指导后续项目的设计他施工。监测分析要点如下：
1、各监测点分布为30米点，在弯管部位可适当加点数。测点布臵如图5.2.8-1
图5.2.8-1临测点布臵图
2、开发监测软件
采用管道应力跟踪监测专用软件，实现自动循环采样，自动传输，自
动计算应变、应力、合成应力及合成应力增量，能画出合成应力随时间的变化曲线。合成应力达到一定数值时，分三级填入预警、报警结果表中(i ＞180MPa 为预警，i ＞210 MPa为报警，i ＝235MPa 为极限应力) 。为了确保现场实际监测时能准确及时有效地提供有关数据与曲线，对应变计量程，应变计线性度及范围，应变计稳定性及耐水压和水流的影响，硬件和软件结合后数据的采集、传输、计算等过程的检验、调试等进行试验。取得一手资料。
3、应力应变监测及分析
钢管充水后开始按预先设计的程序弯曲下沉，整个沉放过程中对测点
的应力应变情况作自动跟踪监测，电脑随时显示监测结果，并将测得的数据自动存入电脑硬盘中。
4、绘制管道沉放路径曲线
5、控制系统水下混凝土
6． 材料与设备
本工法无需特别说明的材料。采用的机具设备表见表6-1土建机具设备表；表6-2安装机具设备表
表6-1土建机具设备表
表6-2安装机具设备表
7． 质量控制
7.1工程质量控制标准
7.1.1开槽施工质量执行《航道疏浚施工及验收规范》。见表7.1.1 7.1.2管道沉放安装执行本企业标准见表7.1.2
表7.1.2管道安装验收标准
7.2质量保证措施
7.2.3测量保证, 管槽轴线及沉管过程轴线必须精确控制。
7.2.4管线制作保证，各弯管必须确保角度及轴线。
7.2.5轴线保证，各翻转吊点必须保证在同一轴线上。
7.2.6沉放速度保证，沉放速度必须控制在计划轴线曲线上。
7.2.7水下回填保证，水下回填不得有大石块，不得有架空部分。
7.2.8水下砼质量保证，必须采用钢模进行水下砼浇筑。
8． 安全措施
8.2施工现场按符合防火、防风、防雷、防洪、防触电等安全规定及安全施工要求进行布臵，并完善布臵各种安全标识。
8.6现场电力线路其悬挂高度和线间距除按安全规定要求进行外，将其布臵在专用电杆上。
8.7施工现场使用的手持照明灯使用36V 及以下的安全电压。
8.10制订水上水下作业安全专项保证措施。
8.10.1凡水上作业人员各主要工种操作工（如船长、大副、轮机、水手等）必须持证上岗，严禁无证人员驾驶船舶。
8.10.2各船舶必须配备完整的水上安全救援设备，所有水上施工人员在船仓面操作时必须穿戴救生衣。船上应做好清洁防滑工作，及时清除仓面台面油污，并设臵防滑条等防滑设施，以防止操作人员不慎滑倒跌入河中。
8.10.3所有船舶灯光、声响系统及信号旗齐全，特别是夜间施工时，所有船舶打开信号灯以防止过往船舶驶入施工区域。
8.10.4施工水域必须设臵水上施工标志水上浮标，以防止过往船舶误入施工水域。
8.10.5在施工船舶靠近航道一侧，船舶定位不准采用钢丝绳，而应采用锚链沉入河底，以防锚缆挂坏过往船舶。
8.10.6密切注意天气变化和水位变化，当水位上涨迅猛流速加快时，所有施工船舶应暂停作业驶向岸边，并加固锚缆，防止走锚；当江水位下落时，应防止船舶因退水而搁浅。
8.10.7开工前在河道以及港监等有关部门办理水上作业施工许可证，并发布航行公告。
8.10.9 潜水员进行水下作业时，潜水工作船上悬挂潜水员水下施工标志，严禁其他船舶驶入潜水作业区。
8.10.10 禁止无关人员滞留在潜水作业船上，严禁潜水作业时进行水下爆破。
8.10.11 潜水员执行下潜任务前禁止饮酒。下潜前应避免进食不易消化和产气的食物，如豆类、葱蒜等，以免潜水员上升时减压引起胀气、腹痛。
8.10.12 禁止潜水员带病下潜，禁止潜水员下潜时间超过规定作业时间和疲劳作业。
8.10.13潜水员下潜前，必须认真检查所有潜水机具、供气设备是否完好。
8.10.14 当水流速度超过1.5m/s时，禁止潜水员下水作业，确需进行水下作业的，首先必须经上级主管领导批准，必须派经验丰富身体强壮的潜水员下潜，且下水前必须系牢信号绳，船上待命潜水员和其他辅助人员做好应急措施，随时准备施救。
9． 环保措施
9.1定期清运沉淀泥砂，做好运输过程中的防散落与沿途污染措施。
9.2注意油液的保护不得注入水面。
9.3开槽时根据水深控制开槽速度，不造成水浑浊污染。
10． 效益分析
10.1经济效益分析
过江管道采用整体沉放施工工法与围堰施工、吊装法沉管、水下焊接联接、水下法兰（或哈夫）联接、配重法沉管、拖管过河等技术措施相比，或可减少对管道的起吊作业，或可减少船只的使用数量，或可减少水下作业时间，具有工期明显加快，工效提高，工程造价降低的优点。以沅陵县城南过江管道穿越沅江水下管道安装工程为例，工期可加快5-7天，工程造价降低10%。
10.2社会效益分析
应用整体自然沉入技术，不需要大型施工设备，不受场地影响，且沉管准备工作为5天时间，沉管为1天时时，节约施工工期。以沅陵自来水项目为例，619米钢管1天沉放到位。封航时间3天。
与其他施工方法相比，过江管道整体沉放施工施工工法具有施工质量好，速度快；可改善作业环境，降低劳动强度；减少不安全因素的优点。
11． 应用实例
11.1 沅陵县城南过江供水管穿越沅江水下管道安装工程
工程位于湖南省沅陵县，供水管采用整体沉放施工工法，过江管道为15 529*12钢管，619.3米大跨度过沅江，工作压力1.2Mpa ，输送介质为自来水。河床地形条件复杂，弯管多。施工水深18-21米。河床断面及管道布臵图见图11.1-1，工程于2009年7月开工，2009年10月竣工，施工中未发生质量安全事故，经验收各项指标符合设计及规范要求，现已投入使用，受业主好评。
图11.1-1河床断面及管道平面布臵图
11.2 泰格林纸业集团永州湘江纸业有限公司一级泵房取水管工程 该工程位于湖南永州，取水管线为1000*10钢管，两根230米长过湘江，输送介质为自来水。施工时处在丰水期，水深15米，于2007年7月开工，2007年10月竣工，业主反映良好。
11.3 湖南湘丰特种纸业有限公司年产8000吨特种纸工程取水管工程工程位于湖南省隆回县，取水管为273*12钢管，两根220米长过资江，输送介质为自来水。河床地形条件复杂，弯管多，施工水深5米。于2007年12月开工，2008年3月竣工。
水下敷设过江管道钢管整体自然沉放施工工法：
该工法的工艺技术具有以下特点：
1、适用于钢管、PE 管、玻璃钢管等多材质的管道用于城市 供水、供气、污水收集、排放管道穿越江河湖海。
2、只需常规的施工机械设备，就可解决常规沉管难以解决19的大跨度穿越、深水穿越，起吊过程中易断裂等缺点，其操作技 术容易掌握。
3、经济性好、可靠性高、施工便捷等显著优点，是一种既 经济又简便有效的工程措施。
三、综上所述，该工法的工艺合理，技术成熟，适用性和可 操作性强，经工程应用表明具有明显的经济效益和社会效益。