供水泵站水下建筑物施工安装的新方法.doc

供水泵站水下建筑物施工安装的新方法南宁航道管理处 胡日金 冯 毅摘 要：主要介绍在水源供水工程中，通过采用射流泵水下开挖下沉泵井、利用水上施工平台来制作浮运安装取水头部以及应用水下顶管新工艺进行自流管安装施工的成功实践经验。关键词：射流泵 水上预制平台 水下顶管1 工程概述广西北海廉州10万m3/d净化厂供水泵站位于广西合浦县廉州镇南流江段左岸防洪堤内，该供水泵站工程主要包括取水泵房、取水头部、自流管、设备安装等项目。取水泵房结构为一矩形钢筋混凝土沉井形式，其平面尺寸为18.5m14.6m（长宽），设计由原地面标高开挖下沉至13m；取水头部为钢筋混凝土箱体结构，砼体积60.05m3，自重约150t；自流管为两条平行钢质取水管（D102010mm），长度为泵井至取水头部水平距离约60m。施工现场位于密集的居民生活区，地质结构为细砂，地下水丰富、水位较高（与南流江贯通），施工条件相对较差。2 泵房沉井开挖下沉技术措施长18.5m、宽14.6m、高13m的钢筋混凝土结构的重力式沉井，在原地面标高分两次现浇制作好后，经过在井内开挖下沉到设计高程，其施工难度主要是现场地下水位较高（地面以下约2m左右），井内开挖为粉细沙地质，沙质含泥量小而凝聚力低和渗透性强。在初试排干水开挖下沉中，频频出现大量沙质由井外涌入井内的“反砂”现象，导致泵井周边砼路面沉陷开裂，当地居民因担忧泵井开挖下沉危及附近楼房的安全而干扰造成数次停工。为确保泵井开挖下沉的顺利进行，避免泵井开挖下沉施工时发生“反砂”现象而导致沉井周边地基下沉影响当地居民和楼房安全，经过分析和讨论，决定采用射流泵水下吸排开挖下沉的工艺进行施工。施工时，在井内设置一台75千瓦射流泵（口径为254mm），潜水员手持水枪在水下喷射较为固结的砂土层使之松动以配合进行水下吸排开挖，同时在外江用水泵注入与射流泵大概排出等量的河水，并保持井内水位高于地下水位13m以上，排除了在井内水下吸排时因井内负压而出现“反砂”现象，保证了井外周围地基及楼房的安全。射流泵在水下吸排泥砂开挖的高度（扬程）达18m以上，每小时吸排砂砾量平均达20m3，效率较高。在施工中，为使泵井均匀下沉，要注意分层吸排，每层宜5080c，同时要按照先周围后中间的顺序进行作业，从而保证了泵井下沉的垂直度和位移均在设计允许偏差内。使用吸排开挖的射流泵的工作原理如图1。 图13 取水头部的预制安装方法取水头部为设计于泵房侧面与南流江深水处水面以下的钢筋混凝土建筑物，其设计尺寸为15.8m4.5m4.8m（长宽高），壁厚0.3m的矩形箱体结构，与泵房水平距为60m，如图2。 图2由于在泵房侧面的南流江下游，已修筑有一拦河闸坝，大型浮吊船无法从沿海直接进入南流江，因而自重约150t的钢筋混凝土取水头部无法在现场岸边临时预制场进行预制后，用大型浮吊船直接将取水头吊下安装的传统工艺进行施工。根据沿海大型深水码头用沿岸船坞预制大型钢筋混凝沉箱并用浮运注水下沉安装码头泊位的原理，采用4艘疏浚工程补助用的20t小方驳，用槽钢拼装为一整体施工平台。在22m长度内平均每边安放3台同步卷扬机，卷扬机钢丝绳穿过两道滑轮，滑轮一只固定在工作船弦，另一只固定在自制浮箱侧面，自制浮箱用3mm钢板焊接而成，尺寸为17m5m1.25m。施工平台用锚缆与岸上拉紧并泊于水位较深的岸边，然后开始立模预制取水头部主体构件，在浇筑砼过程中，要注意保持构件和平台的平衡。取水头部盖板则在岸上分块预制，待取水头部主体浇筑完定位沉放后再予以吊放。该箱形的钢筋混凝土取水头部在水上施工平台完成制作后，再用3mm厚钢板（钢板内用角钢做成加强骨架），将取水头部的顶面和侧面预留的取水管孔和进水窗临时封闭，该箱形取水头部即为一个浮力大于其自身重力的浮体，在安装时，即将该浮体取水头部浮运至已进行清淤、抛石、夯实和整平的取头部基床的水面上就位，然后采用注水法使取水头部箱体逐步均匀下沉至设计基床上。4 水下预管安装工艺（1）由泵井底部向外江深水处的取水头部安装两条约60m平行的钢质取水管（D102010mm），必须穿越防洪堤和覆盖约11m(水深约9m)的粉细沙不良地质，由于这种沙质凝聚力低，渗漏大，在井内开挖因负压出现严重的“反砂”现象而无法采用一般人工开挖顶管法进到施工安装。如用明槽开挖法安装时，由于开挖边坡塌方严重，除开挖与回填工程量很大外，防洪堤以及附近房屋和道路的安全均受到严重危害，并且难于承担拆迁和补偿建房的高额预算外的开支，此为该项目工程最大的难度与风险。（2）为突破由泵井底部向外江取水头部安装两条钢质自流取水管，根据水力学中的水压差的产生与压力平衡的理论与国内外水下顶管的高新技术，我们自行设计了“沙水进出平衡法”的水下顶管装置（见图3）。其原理图3 “沙水进出平衡法”水下顶管装置示意图为：由泵井往河向顶出的钢质取水管前端，设置一段控制砂土水混合物的进出平衡装置，该装置主要在该管段中设置一抗压强度较高的钢制隔板，将管段分为前仓和后仓两部份。前仓为顶进的挖掘面，后仓为顶管操作人员进入作业的无水区；在前仓与后仓的隔板间，设置一个直径为120mm砂水排出闸阀。当第一个顶程（约0.6m）进行顶进后，前仓即充满砂土水混合物，由于前仓与后仓存在水中压力差的条件，当打开砂水排出闸阀时，前仓挖掘面的沙性土便以砂土水混合物排出后仓直至沉井集水池，使前仓阻力大大减小而为管道顶进一个顶程创造机会与环境，后仓的长度，随着管道不断顶进面而逐步焊接顶进而加长，直到完成全程顶进为止。前仓的长度L，是根据管内挖掘面沙性土的内摩擦角的大小来计算管内挖掘面的稳定条件，即L=D/tga。式中L前仓长度(m)，D顶进管道直径（m），a砂性土的内摩擦角，如无实验参数可查表确定。（3）水下顶管操作先用抽水机充水，令井内水位与外江水位持平后，由潜水员潜入井底水下将两块井壁取水管预留孔临时密封钢板法兰拆卸除，以泵房的隔墙作顶力靠背，将液压顶管机安装于泵房隔墙侧面，启动顶机将上述“砂水进出平衡法”水下顶管装置的前仓顶出井壁外，用抽水机将泵井内的水抽干，然后按如下操作程序进行顶管作业：顶管作业人员进入水下顶管装置的后仓（前仓已顶出井壁外并充满砂土水混合物），打开后仓的排砂闸阀，由于水压差的作用，前仓的砂土水混合物通过排砂管排出至泵井底部的集水坑，集水坑的砂泵即将之排出井外；如遇前仓地质为胶结砂砾或粘土层，可用高压水枪冲射使之松散排出；操作人员通过后仓观察前仓砂土排空情况及时关闭排砂闸阀，防止前仓管端外出现塌方。开动在泵井底部的液压顶机，将管道顶进一个顶程（约0.6m）。在泵井底用仪器测量已顶进管段的偏位情况，如发现偏位时，即在下一顶程采用偏心顶力纠偏法进到纠偏作业。继续焊接加长23m取水钢管，并重复上述顶进操作程序，直至所顶管道完全穿透砂土层。（4）当上述水下顶管顶进约40m时已完全穿透砂土层，此时管端至吸水头部之间20m管道的安装，则由潜水员经过水下切割、水下焊接和钢筋混凝土包箍等作业完成了管端至取水头部之间的连接。至此，整个自流管的水下安装即告完成。经压力检测，达到设计和使用要求。 5 结束语通过采用射流泵进行水下开挖可防止“反砂”确保安全和提高效率；因地制宜地利用水上施工平台来制作、浮运、安装重型建筑物可达