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沉管施工技术与质量控制张徐龙（南京工业大学 环境学院 给排水工程0703）摘要：沉管施工作为管段过河的一种方法被广泛使用。本文整理了沉管施工方面的资料，包括沉管技术的发展历史、施工程序、技术要点、常见问题、施工实例等。为沉管施工提供参考。关键词：沉管技术 沉管灌注桩 质量控制 安全控制1沉管技术简介沉管技术是一种有关水下施工的工程技术。这种工程技术主要是应用于水底施工项目：它是把预制的工程部件通过水面运输到达预定施工地点的上方水面，然后将这个工程部件沉放进水底预定位置从而完成水下建造项目的技术。目前沉管施工主要是应用于越江隧道的建设上。沉管隧道最大优点是现场施工工期短：即两岸工程，基槽开挖，管节预制可同时施工；管节的浮运，沉放，水下对接和基础处理等工序相对总工期来讲比较短。沉管技术的出现早在工业革命后期，西方国家城市建设进入了一个快速发展的时期。城市道路及轨道运输系统、城间公路及铁路随之兴起，由此带来了跨越江河及海湾(峡)的问题。受制于施工工业基础和建设理念，当时对此的解决方法是制造大量的桥梁。因此，19世纪也被后人称为桥梁时代。进入20世纪后，由于轮船运输业的需要，轮船的吨位越来越大，随之而来的是对大桥净空和跨度要求的提高，这就使得建造桥梁的造价和难度随之增加。于是，隧道这种原本用于在山脉中穿行的方式开始走入跨江工程的行列中，随着隧道施工技术的不断发展，出现了各种各样的施工方法，其中主要有以下几种：矿山法一般适用于基岩中的地下工程，并采用传统钻爆法和臂式掘进机开挖。直到现在这种方法还在继续使用，比较典型的实例就是1964年动工，1985年建成的日本青函海底隧道。围堰明挖法这是一种较为简易的工法，主要用于水深不大或有枯水期出现的江河。我国山西省太原市在20世纪70年代建成的汾河水下公路隧道就是采用此工法。盾构法它是在盾构保护下建造隧道的一种施工方法，由英国人布鲁内于西元1810年发明的一种施工方法。其特点是掘进地层、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等主要作业都在盾构保护下进行，同时需要随时排除地下水和控制地面沉降，因而盾构法施工是一项施工工艺技术要求高、综合性强的施工方法。此种工法在我国上海用来修建了多座穿越黄埔江的水下隧道。世界著名的英吉利海峡隧道也是用此种工法修建的。沉埋管段法(沉管法)这是20世纪初发展起来的一种修建水下隧道的新工法。从1910年在美国底特律河用此工法修建第一座用于交通运输的水下隧道算起，己有整整92年的历史。根据国际隧协(ITA)在20世纪90年代中的统计，目前全世界已建成沉管隧道有107座。沉管隧道的技术发展自1910年在美国首次用沉管法建成了穿越底特律河的铁路隧道，到1908年为止，在北美共修建了23座沉管隧道。另外，在20世纪初，水下管节的连接技术及混凝土结构防水技术未取得重大突破，而钢壳隧道无论在接头或防水方面都易于解决且较为可靠，因此可以说沉管隧道最早起源于钢壳管节的结构形式。20世纪30年代初在美国修建底特律至加拿大windsor市隧道时就确定了钢壳隧道结构的一般形式，直至现在其结构形式并无多大变化。日本于1935年开始修建沉管隧道。据不完全统计，就沉管的结构形式来说，约60%是矩形钢筋混凝土结构，40%是圆形钢壳混凝土结构。日本沉管隧道的修建技术，也是从钢壳结构形式开始，后逐步被矩形钢筋混凝土的结构形式所代替。荷兰于1924年修建位于鹿特丹的Mass河隧道，这是荷兰的第一座沉管隧道,也是世界上首次采用矩形钢筋混凝土管节的沉管隧道。它代表了西欧在这一技术领域的技术特点，与美国形成了鲜明的对比。管节之间水压接头的发明(这种水压接头普遍采用GINA橡胶止水带作为初试密封，橡胶止水带作为永久性密封)，大体积钢筋混凝土浇注裂缝的控制，混凝土抗渗能力的提高等都促进了沉管隧道修建技术的高速发展，荷兰的这些技术在世界上处于领先地位。从美、日、荷的沉管隧道工程发展历史中，大致可以看出世界沉管隧道的技术发展趋势：1.每节管节的长度和横断面面积的增加:最初的沉管隧道总长度728米，单节长78.2米，而后来荷兰京斯麦尔隧道仅有4节管节，每节长度268m，重达50000吨。最初的沉管隧道也只有2车道或4车道，而现在的沉管隧道能够达到8车道，例如荷兰的Drecht隧道，1977年建成，其单节管节横断面8.08(高)*48.80(宽)，共计8车道，单节管节重达47000吨。2.隧道用途和功能的增加：最初的沉管隧道主要受制于管段横断面积及建造材料的限制，只能满足于相对功能单一的用途，而现在的沉管隧道由于横断面积的显著增加，可以将不同种类的道路集成在一个管线内。3.沉管隧道管段的建造工艺不断提高：过去早期的管段采用的是圆形钢壳混凝土结构，这种结构形式的优点在于圆形横断面的受力较好，因而在水深大时比较经济。然而其缺点也很明显，圆形横断面的空间常不能充分利用，在浇注内衬混凝土时，应力状态复杂，必须加强结构，故用钢量大，管节造价高；同时其防水性能也相对较差，工程安全隐患较高。而现在采用的管段建造多半采用的是矩行钢筋混凝土结构，其优点是横断面空间利用率高，建造多车道隧道时尤为突出；工程量及造价较低，可节省大量钢材，从经济角度上和施工工期上来说都有着很好的优势。4.沉管隧道地基适应性的增加：随着清淤技术和基础处理工艺的不断改进，沉管技术能够在许多原先无法进行建设的基床上进行应用，例如荷兰Drecht隧道就是建造在以亚粘土质砂土为沉积物的水底基床上的。世界上己建成的107座沉管隧道中，不少是修建在软弱地基上。2沉管施工程序沉管施工工艺如下：施工准备水下开挖基槽抛填角石制作碎石垫层管道下水、浮运、定位、注水下沉水压试验抛筑块覆石接通完工（管道拼装、闭水试压在岸边完成）。详见图图1水下管道分段沉管铺设施工工艺流程3沉管施工技术要点分析3.1 管段平移当近岸边的管段被吊放下水后, 远岸边的管段将通过气囊拉移至岸边。平移气囊采用4组,约50m设置一组。气囊所经过的场地,在下面铺设钢板,气囊上设置托架,托架两侧用垫块将钢管固定,托架前进方向的牵引钢丝绳由起重船提供,横移时,要注意对管段的防腐层进行保护,见图2。图2 管段平移示意图3.2 压力试验管段需进行三次压力试验,第一次是管段在预制场拼装焊接完成后, 在下水前进行的水压试验,试验压力为0.9MPa；第二次是在管段吊至水面后进行的气压试验,压力为0.1MPa；第三次是在管段沉放后回填前进行水压试验,压力为0.9MPa。由于管段分段预制,所以第一次压力试验必须在预制场分别对每条管段进行水压试验。3.3 水面对接受预制场地的限制,管道计划分两段成型,在水面对接成设计的管段,水面对接须有起重船配合。管段的水面对接是非常关键的工序,也是施工难点,直接影响管道成型质量和施工安全。水面对接时,若管段扰动过大,会影响定位,焊接困难,最终影响管道成型质量；焊接施工时,若不注意施工工序,有可能造成重大的质量和安全事故。因此,对接水域必须选择在水流缓、风浪小的地方,并选择合适的时机施工。施工过程中,必须注意外来船舶的干扰和影响,密切注意天气的变化情况。管段在预制焊接完成后,用起重船吊至水面。水面对接选择在预制场对开的水面进行。水面对接见图3 图3 管段水面对接示意图水面对接工序：(1)对接工作舱设计与制作：水面工作舱的尺寸设计为4m7m2. 4m。对接工舱和管外壁之间必须有良好的水密性,因此,制作时必须达到设计要求的精度。(2)对接工作舱试验：为确保密封可靠,工作舱制作好后,必须进行与管段之间的吻合试验。(3)管段定位：用7艘起重船定位。(4)水面对接工作舱的安装：利用起重船在管段对接口处安装水面对接工作舱。安装后,用4个10kN手拉葫芦将工作舱和管段收紧。(5)用2台20mm潜水泵抽干工作舱内的积水。(6)管口铆接：用板条将两管焊接拉合在一起。(7)焊工进入工作舱进行接口焊接,接口焊接达到设计和规范的要求,焊口打磨清理,焊口超声波检验,焊口清洁烘烤,焊口防腐处理。(8)拆除水面对接工作舱,水面对接工作结束。3. 4 管道整体沉放管道基槽验收合格,管道驳接达到设计要求后,即可进行管道整体沉放安装。管道的沉放安装拟由12艘起重船来完成,管道沉放吊装详见图4。施工程序如下：(1)起重船在管段进场前到达施工现场,并布前的缓流时抵达安装现场。(2)管道进场：由400hp“艇六”、400hp“穗救拖21”和45条200hp锚艇拖带整条管道,在高平潮前的缓流时抵达安装现场。 (3)横管就位：管道两端由小船拖带慢慢接近登陆点。(4)起重船就位：起重船抛前后锚,并穿挂吊络。(5)起重船吊着管段,使吊络保持受力,将整个管段按“着床位置”吊起,在测量员控制指挥下,管段慢慢移向基槽上方,进入粗就位状态。(6)潜水员下水,打开过河管段的两个进水阀门,同时打开管段两端的排气阀,管段进水。(7)此时管段开始下沉,控制好各起重船的受力,在测量监控下,缓慢沉放。在沉放的过程中,慢慢后移扳正管体,将管体平缓地放在基槽的枕梁上。为了保证管道受力均衡,确保工程质量,每次动作的沉放深度不能超过0.20.3m.管道下沉至一定深度(3m)后,进行一次吊力的管位调整,调整完成后在统一指挥下,再将管道缓缓下沉,当管道下沉至距离基槽底50cm时,再最后进行一次吊力和管位调整。在整个下沉过程中,要使管道受力平衡并且均匀,下沉要缓慢,不能过快。(8)复测管体里程、高程和方位,若有偏差由起重船配合移动管体纠正。(9)由有关部门按测量数据验收。(10)潜水员下水,放好楔块,封好进水口法兰板。(11)水压试验。合格后,固定好两端端头,稳定管体。(12)解除吊络。图4 管道沉放吊装图3. 5 基槽回填试压验收合格后，两岸测量人员先行利用红外线测距仪定位， 然后进行抛石回填（石料先行装船准备好，采用机械抛填）。 抛填时， 船上安排一名测量人员，岸上两边各一名测量人员，船上测量人员根据岸上测量人员的提供的数据，进行指挥抛石船抛填方位，保证将石料准确抛填到基槽、管顶及管道周围，达到设计的要求。.常见问题处理方法4.1基槽开挖.1.1基槽边坡及回淤本沉管隧道的前期研究中巳进行了沉管基槽施工、基础处理技术研究、沉管隧道基槽水下边坡稳定性离心模型试验研究,并采用二维泥沙模型及物理模型进行了基槽回淤研究。综合上述研究成果,并参考国内工程实例,边坡设计采用13 (粉细砂地层)和15(淤泥质土)。在基槽回淤研究中,得出了如下结论：(1)断面30天平均回淤率为3.3cm/d ,以悬沙淤积为主。(2)基槽回淤5天,断面平均淤厚0.010.14 m；基槽回淤10天,断面平均淤厚0.22m;基槽回淤20天,断面平均淤厚0.68 m；基槽回淤30天,断面平均淤厚0.91 m。(3) 基槽断面5天、10天、20天、30天的平均回淤率分别为：1.2 cm/ d、2.2cm/d、3.4cm/d、3.3cm/d。(4)以槽底淤积厚1m为限,基槽开挖好后至沉管沉没,可允许空置的时间平均为33天。根据本沉管隧道的施组安排,基槽开挖完成至管节沉放就位的时间一般不超过10天,可采用吸泥船或专用清淤设备快速清淤,不会影响工期。4.1.2基槽施工应注意的问题(1)配备大挖深(40m)铰吸式开挖疏浚船舶。德国易北河沉管隧道曾采用seeland铰吸挖泥船,其装机功率为4500马力,每小时最大输送能力为5000m3,开挖深度可达40m以上。(2)基槽施工应坚持挖一节、沉一节的原则,先粗挖,后细挖或精挖。(3)沉管段的基槽纵断面是有纵坡坡度要求的,本隧道的纵坡坡度采用12,应按此要求提出基槽开挖的精度,加强开挖的控制。一般采用声纳测距仪进行监控,但声纳不能进行开挖过程的动态测量,为此,在吸泥船底部需设水下地形扫描仪。4.2沉管灌柱施工常见问题的处理方法振动沉管施工法，是在振动锤竖直方向往复振动作用下，桩管也以一定的频率和振幅产生竖向往复振动，减少桩管与周围土体间的摩阻力，当强迫振动频率与土体的自振频率相同时，土体结构因共振而破坏。与此同时，桩管受到加压作用而深入土中，在达到设计要求后，边拔管、边振动、边灌注、边成桩。振动沉管灌注桩的适用范围与锤击沉管灌注桩基本相同,但其贯穿砂土层的能力较强,还适用于稍密碎石土层。沉管灌注桩桩径一般为400毫米,桩长20米以内较为合适。沉管灌注桩施工中的常见问题的处理办法浅叙如下。1 处理方法1.1 桩身夹泥在饱和淤泥质土中施工时，砼应搅拌均匀，和易性要好，坍落度应符合规范要求；采用复打法时，复打前应把桩管上的泥清理干净；采用反插法时，反插深度不易超过活瓣长度的2/3；1.2 缩径采用“慢拔密击”或“慢拨密振”法；在淤泥质土中采用复打法，在缩径部位采用反插法。1.3 钢筋笼下沉或上浮钢筋笼放入混凝土后，用32螺纹钢筋将钢筋笼固定；当邻桩强度达到70%时，再进行沉桩施工。1.4 混凝土用量过大预先开挖清理，然后用素土填好再沉桩；对在淤泥软土中采用沉管灌注桩施工时，宜先打试桩，若发现砼用量过大，可改用其他桩型。1.5 管内进水及泥浆选择合理的沉管工艺，缩短沉管时间；当桩管沉至地下水位以上0.5米时，先灌注0.050.1立方米的封底砼，把桩管底部的缝隙用砼堵住，使水及泥浆不能进入管内；对缝隙较大的活瓣桩尖及时修理或更换；根据工程地质条件，选择合适的振动参数，沉桩对如正压力不够而沉不下去，可采取加配重或加压的方法来增加正压力。锤击沉管时，如锤重不够，可更换大一级的桩锤。1.6 灌注桩达不到设计要求根据工程地质条件，桩断面及自重，合理选择施工机械；施工前详细探明工程地质情况，正确选择持力层或桩尖标高；根据地质条件，对地下障碍必须预先清理。.3桩基事故的常用处理方法常用方法有接桩,补桩,补强,扩大承台(梁),改变施工方法,修改设计方案等。下面结合事故发生的原因分别介绍几种方法的应用情况。.3.接桩法当成桩后桩顶标高不足,常采用接桩法处理, 方法有以下二种。开挖接桩。挖出桩头,凿去混凝土浮浆及松散层, 并凿出钢筋, 整理与冲洗干净后接长钢筋,并绑扎钢箍等构造钢筋后,再浇筑混凝土至设计高。接长桩管。桩管长度不够造成入土深度不足时,采用接长桩管的方法使其达到设计要求入土深度。.3.补桩法桩基承台(梁)施工前补桩,如钻孔桩距过大,超过设计桩距, 不能承受上部荷载时,可在桩与桩之间补桩。.3. 扩大承台(梁)及增设承台梁法桩位偏差过大,但桩仍在承台(梁)内,原设计的承台(梁)断面宽满足不了规范要求,此时采用扩大承台(梁)来处理。桩在原设计承台梁外,此时采用加宽承台梁方法, 使该桩起到作用, 此法适用于砌体墙下条形承台梁。需注意的是在扩大承台的同时, 应适当增加承台内的配筋量。桩基质量不均匀,防止独立承台出现不均匀沉降,或为了提高抗震能力,可采用把独立承台连成整块,提高基础整体性,或设抗震地梁。4.3.改变施工方法桩基事故有些是因为施工顺序错误或施工工艺不当所造成,处理时一方面对事故桩采取适当的补救措施；另一方面要改变错误的施工方法,以防止事故的发生。常用的方法有以下二种。改变成桩施工顺序。如桩布置太密不便施工时,可采用间隔成桩法。改用施工机械设备。如桩机激震力不足,桩管沉入深度达不到设计要求, 可采用加大振动设备。.3.修改设计改变桩型。当地质资料与实际情况不符时,造成桩基事故,可采用改变桩型的方法处理,如灌注桩成桩困难时,可采用打预制桩。改变桩位。灌注桩出现废桩或遇到地下管线障碍,可改变桩位方法处理。上部结构卸荷。有些重大桩基事故处理困难,耗资巨大,只有采取削减建筑层数或用轻质材料代替原设计材料,以减轻上部结构荷载的方法。修改承台。常见的有承台加长,加宽,加厚和加大配筋。4.4沉管灌注桩常见缺陷的识别与预防措施沉管灌注桩的施工工艺常见缺陷的成因分析沉管灌注桩是采用振动沉管打桩机或锤击沉管打桩机，将带有活瓣式桩尖或钢筋混凝土预制桩尖的无缝钢管沉入土中然后放入钢筋笼，边灌注混凝土边振动或边锤击出钢管而形成的灌注桩。它的主要特点是不需要排泥浆且在其适应的地层中成桩速度较快，适用于不同土层，施工噪声低。沉管灌注桩常见缺陷的成因分析：(1)断桩。1.1 桩间距太小。锤击或振动学沉管过程中的冲击波或振动波以弹性波传播方式在周围的土体中衰减消散的靠近沉管周围土体以垂直振动为主，远离钢管的土体以水平振动为主。振动力和侧向挤土作用易把初凝的邻桩振断或拉裂，在软硬交界的土层最易发生。1.2活瓣张开不灵活。使管内混凝土下落不畅，形成断桩。1.3地下存在承压水的砂层。1.4提管过快。管端提过砼面，使周围液化土进入桩身形成断桩。1.5浇注混凝土离析，其相应部位形成断桩。(2)缩径。2.1拔管速度太快（1.2m/min）管内混凝土高度过低（ Z2 时，桩身出现缩径、离析、夹泥等缺陷。反射波与入射波相位相反。3.2.3 当Z1 Z2 时，出现断桩现象，此时出现幅度很大的同相反射。3.2.4 当Z1 Z2 时，则出现扩径现象，反射波与入射波相位相反。(4)沉管灌注桩常见缺陷的预防措施4.1按照少桩疏排原则布桩，桩间距不小于3.5d（d为桩径）为宜。4.2综合考虑场地的地质条件和桩基特征，采用适宜的原材料和配合比。4.3施工前认真检查设备的完好情况，活瓣的张开，桩尖的强度。4.4采用跳打法或大循环路线施工，减轻对邻桩的影响。4.5施工中，将拔管速度控制在0.81.0m/min 范围内应慢抽密振。4.6在拔管过程中设专人用测锤检查管内混凝土面的下降。保持管内混凝土高度大于2m。(5)综上所述，虽然沉管灌注桩的桩身缺陷成因复杂，但是利用反射波法很容易将其识别只要采用科学的预防措施，沉管灌注桩的施工质量还是有保证的。5沉管施工质量控制重点分析沉管施工相比顶管等其他工艺施工难度小，且节省费用是南方水道密集区域过河管道工程中较优的工艺选择。但由于完工后管道隐蔽水下造成维修困难，因此对工程质量控制要求更高；通过对以上质量控制要点的严格把控。5.1沉管灌注桩施工过程质量控制施工前要认真熟悉设计图纸及施工、验收规范。核查地质、施工工艺方面资料，保证桩施工质量任意环境不出现差错，力争将隐患消除在成桩之前。施工过程中主要进行如下控制：（1）机械设备调试完，施工前必须试打两孔，以校对勘察报告所提供的地质资料。控制桩是达到设计文件要的桩深。同时，检验打桩设备性能，确定各项工艺参数及保证工程质量的技术措施。（2）桩尖固定桩位中心，然后由两个方向对桩管垂直度进行调验，其垂直度允许偏差不超过1%，控制桩位不偏移后沉管。（3）依据地勘资料，桩管进入土层中首先是杂填土，杂填土较厚，此段易断桩身出现不良缺陷；混凝土易出现早期失水、混凝土离析，造成桩身表面出现蜂窝麻面，各种碎块由垂直振动引起下沉，易挤入未初凝混凝土内，造成桩身夹泥或混进入碎块，导致桩身局部变形。另外受旧基础和杂填土及其它地下障碍物影响，易造成桩位偏移，控制时发现及时拔起管，消除影响，重新落点定位。若不能消除影响，经建设单位、监理单位、设计单位共同研究指定方案，重新确定桩位，方可施工。（4）沉管初期，受场地内各种地质条件及土质结构松散、密实不均的影响，发生桩位偏移超差（垂直轴线不大于70 mm，平行轴线不大于150mm）时，必须进行修正或拔起处理重打。（5）本场地地下水较浅，沉管进入地下34m，即有地下水，很容易在沉管尖进水，形成水浆外喷，造成桩断条、夹泥土现象。为此，桩管达到地下水位之前，灌入1m3左右混凝土封压管内水压，使沉管正常工作。（6）桩长必须达到设计要求，用施工质量控制点进行复核。控制桩长很关键，达不到设计要求桩长，应立即会同有关各方解决。拔管速度一般控制在0.51m/min，易缩径的部位拔管速度为0.30.5 m/min，边拔边振。每次拔管高度0.5m，停拔510s，具体情况必须采取短停拔、长留振的措施。（7）控制操作人员必须密切的注意每段混凝土的下落情况，如发现拒落、速落等异常情况及时采取措施，施工过程发现混凝土表面明显下沉、上浮、桩顶冒水都应采取补救措施。（8）混凝土制作要严格按照配合比准确投料，偏差控制在允许范围内，原材料应依次辊入碎石、砂子、水泥，控制好水灰比和坍落度，搅拌时间不少于90s。（9）施工过程中认真填写施工记录，作到资料齐全、真实。5.2测量定位的质量控制（1）工程采用GPS全球定位仪进行测量定位，首先确定管道基槽中线和边线；挖掘船作业过程中位置会随水流移动，因此要在两岸管道轨道轴线处设置水尺标记供操作员目测定位，岸上指挥员也要注意轴线不能偏移。在航道中部水位较深得的地方采用浮标作标志，在两岸水位较浅的地方采用插金属管做标志。（2）在河涌的两岸设置水尺进行深度控制，方便施工时船舶观看，及时控制开挖深度。测量人员开挖过程中随时用探杆测量，做好记录，指挥操作员调整开挖位置。如有需要，由潜水员下水检查详细开挖情况。（3）吊管、沉管过程中，在管道上每30m安装一条观测标尺，在两端弯头的弯起段每间隔300mm标注高程点，在岸上架设测量仪器（经纬仪），控制沉降位置。5.3基槽开挖的质量控制（1）施工前对图纸及甲方提供的施工控制点、水准点进行交接复核。（2）水下开挖沟槽容易塌方及回淤，考虑到施工时减少回淤量，采用分层开挖，减小淤泥的回淤，每层开挖深度在0.51m。即两岸边淤层分三层开挖，河中间分两层开挖，边坡按1:2计算开挖面宽度。（3）抛石及沉管前，必须对基槽进行全面复测。（4）基础用串筒进行抛填角石，角石基础高为1000mm，抛填平整后标准抗压强度按照要求达到fk150MPa。在角石基础上制作厚300mm的碎石垫层，由潜水员下水进行平整、检查，以保证管道安装标高符合设计要求。最后再由潜水员在水下用高压水枪进行全面的基槽整平，以使基槽底面高程能完全符合要求，确保管道顺利下沉。（5）在管道基槽的施挖过程中，会对河堤产生一定的影响。为确保堤岸安全，在过河管道的起点，终点分别施打拉森型长6m的钢板桩，宽为7m以维护堤岸横向不坍塌；以上钢板桩相接成八字型（向河中）打拉森型钢板桩到距离堤岸脚约12m处，以维护堤岸纵向不坍塌。在过河管道基槽施挖过程中，加支撑对钢板桩作加强处理。（6）由于管道轴线距高速公路桥墩仅有7m，在桥墩旁打钢板桩进行保护。5.4管道焊接及防腐的质量控制（1）由于沉管施工完毕后，管道埋设在河床下，维修极其不便；因此对管道的焊接质量、防腐质量等要求较高，需严格控制。由于管道较长，本工程将6m长钢管运输至岸边进行拼装，拼装前明确设计及施工交底，每个接口都需打磨除锈后才能焊接。使用符合设计要求的焊接材料进行焊接，各工序要进行严格的质量控制，水下焊缝质量保证等级和防腐等级均提高一级，焊接完成后按要求进行严格的外观及内部探伤检查。（2）因为管道还要进行吊装、拖移等操作，焊缝的延展性要好，为此最好选用碱性焊条进行现场焊缝的焊接；沉管过程中，如沟槽有塌方，弯头处将会承受较大弯矩，因此弯头处要进行加固处理。（3）管道按图纸尺寸焊接成型后先在岸上进行水压试验，试验压力为0.9MPq，检查管道的强度及严密性；然后在1.2倍工作压力下稳压24h以消除焊缝应力，最后对焊缝进行内外防腐处理。5.5吊管、沉管的质量控制（1）按照施工计划安排，提前向部门申请并办理相关手续；做好管道拖吊下水的准备工作，检查管内积水是否排洁，管口是否密封，吊船舶位水深等。（2）吊管、沉管采用船吊和岸上吊机配合施工。吊管下水时，管道底安放滑掌，在统一指挥下，各吊点吊起管道并摆渡，让管道在滑掌上滑行向涌内，由涌内的吊船接应。随着管道的移动吊船慢慢的向对岸移动。在对岸的吊机接应吊船，吊住管道，使在此岸上的管道全部移到水面。将管道移到基槽上方，打开管道二端的排气阀，进水阀，即可灌水沉放。（3）吊管下水时，各吊络与管道接触部分均用胶管套好，使钢丝绳与管道隔开，避免破坏管道外防腐。各吊船应掌握本船的吃水深度，避免受力不均匀而使管道出现过大的变形。（4）控制各吊点的起吊或下降速度，将升或降每一动作控制在0.20.3m，避免管道变形。密切注意水流情况，调整吊船前后锚缆的松紧度，使管道不至于因水流的变化而发生位移。（5）沉管完成后，拍潜水员下水检查管底与沟底的接触均匀程度和紧密性，并由航道局验收管顶高程和位置。（6）管道铺设完毕后，解开吊环钢索，用串筒导向抛石，抛筑厚1500mm的碎石层，紧跟抛筑厚1200mm的块石层。碎石层、块石层增加管道的上覆重量，起到保护管道和稳定管道位置的作用。部分回填点回填后，解除吊船的吊络，拆除测量标杆，将尾端的排气口封堵。5.6管道试压的质量控制（1）管道制作过程中，必须进行闭水试验，按不超过1000m的设计要求，管道拼装完整体进行试压；管道沉放安装完毕后进行水压试验，按照设计和规范要求，用0.9Mpa压力进行试压，稳定10min后，压力下降小于0.02Mpa即为水压试验合格。（2）水压试验前应对压力表进行检验，应在有效检定期内。（3）管道入水时，要认真进行排气，排气点应尽量选择在管道的高位11。6沉管施工安全控制 .、控制沉管隧道稳定措施根据不同的地层、河床断面、隧道埋深等条件,控制稳定措施可从隧道的基础处理、回填、覆盖、管段接头等设计方面和基槽挖掘、清泥等施工方面及其它有关方面采取措施。. 设计方面(1)基础处理在地基基础方面影响沉管隧道稳定的主要因素是地震、软弱土层等, 基础处理主要是对隧道基础下卧层土层的处理和基础处理材料的选择。地震期间由松散的砂质土构成的地层可能发生液化, 完全液化的砂质土如同单位重量约20kN/m3的液体,沉管隧道的视密度一般在10kN/m3 左右,因此在液化的砂质土中,沉管隧道就会收到上浮力,地震时隧道还会产生震陷；在软弱土层中会产生不均匀沉降等,这些问题都会严重影响隧道的稳定。一般适用的处理措施有土层置换、桩基、砂土夯实等方法。土层置换主要是采用粗砂置换软弱土层, 如丹麦的Limfjord 沉管隧道基础处理即采用粗砂置换；对于液化土层的处理方法可在基础灌注材料方面考虑,如台湾高雄过港沉管隧道,在其下部有一薄而软的冲积砂质淤泥层(厚约0.61.2m),其采取的措施为灌注材料用次棱角形岩类河砂,比重2.7g/cm3,添加少量的水泥熟料的比重为3.12g/cm3,形成混合物,使砂颗粒间具有一定的化学结合力,以防止液化和变形。采用桩基进行地基处理有三种处理方式,之一称之为水下混凝土传力法,桩基打好后,先浇筑水下混凝土将桩顶裹住,而后在其上铺一层碎石垫层,使沉管经砂石垫层和水下混凝土均匀传到桩基上,美国亚拉巴马州的班克赫德隧道(Bank Head Tunnel,Mobile,1940)曾采用此法。之二称之为灌囊传力法,在管段底部与桩顶之间,用化学纤维囊袋注水泥砂浆加以垫实,使所有桩基能同时受力, 瑞典延斯泰德隧道( Tingstand Tunnel,1968年)曾采用此法。之三称之为活动桩顶法,在所有的桩上设一小段预制混凝土活动桩顶。活动桩顶与预制混凝土桩之间,留有一空腔,周围用尼龙布裹住, 形成一个囊袋。管节沉放后,向囊袋里灌注水泥砂浆,将活动桩顶升起, 使之与管段底面密贴接触。待砂浆强度达到要求后,卸除支承千斤顶, 管段荷载便能均匀地传到桩群上。荷兰鹿特丹地铁隧道( Rotterdam MetroTunnel,1986)、库赫文隧道(Coolhaven Tunnel,1989)、泽比格隧道(Zeeburger Tunnel,1989)均采用此法。(2)回填、覆盖沉管隧道的回填、覆盖指的是隧道两侧的回填与隧道顶部的覆盖。在管段沉放到位、水力压接等工序完成后,尽可能及时进行回填、覆盖。回填可分为锁定回填和一般回填,锁定回填部位一般是紧邻沉管隧道下部两侧, 高度一般为隧道高度的1/41/3,也有更高的或者隧道的全高范围。它一方面锁定管段的位置,另一方面在基础注浆时起到两侧封堵和防堵管侧淤泥进入基槽的作用,同时也为防止隧道基础边缘外侧可能存在的抗地震液化薄弱区,也可采用桩基型式保护管段免受水力冲刷。为防地震液化,锁定回填材料的要求有所选择,隧道两侧回填层应具有良好的排水性能。如台湾高雄过港沉管隧道采用的是密实粗砂和砾石,其配比要求在地震时成为自由排水材料：广州珠江沉管隧管隧道回填材料为透水性良好的砾砂。覆盖作用首先是利于保持隧道稳定；其次,由于覆盖材料的重量比较大, 因此可以保护覆盖层及其下的回填材料不受水力冲刷；最后,在(设置防锚带)拖锚等情况下,它能为管段结构提供足够的保护。保持隧道稳定的覆盖措施有混凝土沉排防护、抛石防护等,混凝土沉排由混凝土排单元块通过彼此链接而成一个单元排体,该单元排体以长度覆盖在隧道的横向,并向沉管隧道横向两侧延伸埋入河床土层下。(3)管段接头管段热头有刚性、柔性、半刚半柔和半刚接头等种类,各有特点,但在地震区采用柔性接头较多,也可考虑采用半刚半柔接头,尤其是岸边接头优先考虑采用柔性接头,该接头配置的连接钢索,可将变形控制在一定的范围内,它是柔性接头的重要组成部分,在地震发生时允许适当的变形,还能吸收因温度变化(+/-10C)引起管段的位移, 同时具有一定的强度避免接头产生纵向分离,其耐震性能优于刚性接头。管段的水平和垂直剪切键主要承受地震和地基不均匀沉降所产生的断面剪力,以及由此产生的变形( 如管段绕道轴线的转动等)。波形钢板连接件作为两管段的连接纽带,由高强钢材制作,对沉管接头纵向拉、压变形起到控制作用。(4)管段预留注浆孔根据地基基础处理要求, 可考虑在管段的某些部位预留注浆孔, 重点可考虑隧道与岸边连接井(设备井)接头处的管段部位。在施工期间及运营后一定时间内, 根据隧道的沉降情况进行补充注浆；也应注意观测临近连接井的管段与基础是否产生脱空现象, 以及时补充压浆。.2施工方面在此主要讨论与基槽挖掘、清淤和基础处理相关的问题, 如隧址位于软弱土层、水体泥沙含量和水的流速大、江河弯道等环境条件下, 基槽淤积量就会相对较大,而回淤量和清淤效果直接关系到隧道的稳定, 对此可从以下方面考虑。(1)基槽挖掘对于软弱土层基槽挖掘分两阶段进行,即先行粗挖、而后精挖。主要是挖泥船选择。粗挖阶段可采用效率高的抓斗式、铰吸式、链斗式挖泥船。而精挖阶段应考虑基槽挖掘的精度和减少回淤等要求,主要是控制超挖以减少回淤,目的是减少管段的最终沉降量,由此可考虑采用自航耙吸式、容量小的抓斗式或铰吸式挖泥船, 此类挖泥船挖掘精度较高。(2)清淤、阻淤对于清淤可采用气升式吸泥器抽吸淤泥,并结合利用锁定回填方法阻淤,上海外环线沉管隧道进行基础处理时采用该方法；或者结合挡泥板(将清淤区和非清淤区隔开),宁波甬江沉管隧道基槽清淤采用该方法。将精挖阶段安排在临近管节沉放时进行,管段沉放到位、水力压接等工序完成后可尽快进行锁定回填,由此减少淤积时间,同时减少清淤工作量。(3)管段抛高管段抛高主要是考虑以下两个原因：一是由于基槽开挖地基有卸载、回弹和管段沉放回填覆盖后的再压缩过程；二是由于某些基础处理方法其回填材料初期难以达到密实和清淤难以彻底等情况。上述原因均可造成隧道沉降, 据此可考虑以下措施：事先预留一定抛高量采用注浆、压砂等方法作基础处理时, 结合实际情况可适当将管段顶高；管段底部预留注浆孔等,以使地基、基础稳定后,使隧道高程满足或留有余地作调整以符合设计要求。(4)回填、覆盖回填和覆盖抛石等施工必须考虑管段受力均匀,抛石应位于管段同一断面两侧同时均匀对称抛放；覆盖也应分段均匀进行覆盖材料的抛放。以避免管段单侧或一端(某段)集中受力引起管段平移或竖向不均匀变位。(5)其它措施管段沉放后而又对管段末进行回填覆盖前,应控制船舶位于出露在水中的管段上方航行,因船舶的航行对管段产生吸力,使管段受到上浮力,或者在管段内采取压重措施,以保证管段在施工期间的稳定；还有如垂直剪切键间设置橡胶支座(允许管段发生轻微转动)在管段沉降趋于稳定后安装,以使剪切键的初始锁定荷载最小； 压载混凝土与压载水的置换工序控制等2。实例一工程概况某供水管工程施工范围包括道路长约3.3km的DN2500原水主干管，铺设于沙湾水道东堤防洪堤边内，包括管沟、管坑开挖（含支护）、基础处理、管道管件安装、地基处理及回填、砌筑阀门井、防腐、接驳、管道水压试验、消毒、清洗等。原水输水管线铺设位置与河涌交接地区，为珠江三角洲冲积平原地貌，地面河涌、水塘发育。道路所经区域为水网和湿地，地势较为平坦。道路所经区域为市良公路南侧、紫坭防洪堤内、沙湾等。本工程过河段为紫坭河段，宽约200m，使用DN2500钢管，长214m，整体吊装重量达到734t。3 施工工艺原理利用钢管在陆地烧焊成形接口质量高、对位精度好及施工速度快的特点，将各管段在陆地上驳接成形；然后用多台吊船、吊车将管段整体放至水面，利用空心钢管自身的浮力顺着水流方向浮于江面，再用拖船将钢管一端拖至江对岸，使钢管横于江面，位于预先施工好的管槽之上，然后在管段中预留的注水口中注水，使钢管在自身重力的作用下下沉至江底管槽内，对下沉的钢管进行水压试验后，清除钢管内注入的水，对钢槽进行抛石回填以固定钢管，最后将钢管两端与岸上管段驳接。4 主要施工流程及要点4.1 施工工艺主要包括钢管制作、钢管岸上焊接、水下成槽、管段岸上试压、钢管吊装下水、钢管拖运横管、吊装沉管定位、水下试压、抛石回填等步骤。4.2 施工要点（1）管段成形钢管制作完毕运送至现场前，必需对现场场地进行平整，因钢管焊接后整体长度较大，吊装距离不宜过大，因此必须就近选择河岸较开阔的地方作为钢管焊场。在焊接过程中严格控制钢管放置标高及水平位置，以保证各段钢管焊接对位的精度，同时对焊接头应作相应的防腐处理，以延长钢管在水下的使用寿命。管段焊接完毕后应在岸上对管段进行压力试验，按相关给排水管道安装规范要求进行。（2）水下成槽在进行管段焊接的同时，水下管槽开挖应同步进行。水下成槽是本工法的一道关键工序，必须对成槽的精度进行严格控制，管槽形状及槽底平整度保证能与钢管形状相吻合。水下管槽开挖前应对管槽位置进行精确放线定位，通过放置在两岸的标杆及测量仪器在开挖过程中对管槽的位置进行监控。开挖过程应分为4个步骤，先对管槽进行初步成形开挖，然后开挖至设计位置，再对管槽开挖点进行清淤及开挖垫点，如发现回淤量较大，则应扩大边坡或在回淤量大的一侧边坡处挖出回淤带。最后是管道基槽回填碎石基础，如果垫点坑标高低于管底标高0.9m，则先抛块石，后抛碎石；不足0.9m则抛碎石，并找平至垫梁底部标高，石面标高应掌握宁低勿高。（3）管段下水试压合格后，开始管段下水部分施工。沉管日期应根据广州港潮汐表选定一个潮差较小，平流时间在早上911时的日期为佳。管道整体沉放由吊船为主，以岸上吊机为辅进行吊装，吊装过程中必须由总指挥统一指挥，控制起吊动作的一致性，以免起吊不均匀造成管段变形；起吊高度不宜过大，控制在钢管离开地面约20cm即可，起吊下水过程中一次性移动的距离也不宜过大，最好控制在2030cm，以此保证钢管在吊装过程中的稳定性。管段起吊施工如图5所示。图5 岸上起吊施工现场（4）横管及沉管管段下水后利用拖船将管段横于管槽上的水面，然后用吊机吊住管段两端，利用水管中部预留的注水口注水，使水管在自重作用下沉入水底，沉管过程中适时对沉管位置进行监测以保证其准确就位，在管段即将沉入管槽底时停止下沉，由潜水员潜入水底对沉管位置进行检查，确认无误后在管底安放楔子楔住水管。横管及沉管施工现场如图6所示。图6 横管及沉管施工现场（5）对管段进行水下试压， 压力1.2MPa，10min压降不得大于0.02MPa， 试压后安排潜水员沉入水底，利用水下焊接技术将管段中间预留的注水口封闭，然后抽空管内注水，并与岸上的管段进行驳接。同时对管槽位置进行抛石回填，将水管固定，抛石时应根据管线水位、流速、水深、石块大小等参数确定落点，以保证准确到位到位，再全线回填复土，达到护管要求。采用开底泥驳或人工方式进行施填，抛填时边移船边抛填，由潜水员在水下进行检查。若遇高点则由潜水员用高压水冲平，抛砂不足部位由潜水员指挥补抛3。实例二1.工程概述姚江西岸截污工程主要是将解放桥至姚江大闸区域的排江、排河管道进行截污处理（见图1），并对泵站进行改造，将该区域的晴天排放的污水及部分初期雨水经管道截流后进入污水厂处理达标后排放。该工程管线全长约3200m，施工工艺多为非开挖，其中非开挖水平定向敷设DN400DN700管道1520m，顶管施工8001100管道970m，沉管施工2根DN600过江管220m，其余为开挖施工。对于管道过余姚江段，设计方考虑到此处河面较宽，河床较深，不利于管道发生事故时的维修，并结合各相关部门的意见，本着过江倒虹管宜设置两条以上，以便一条发生故障时，另一条可继续使用的设计思路，将规划的过江管由1 根DN800调整为2根DN600（管距为5 m，见图2）。宁波地区现今采用顶管法施工的管道最小管径为DN800，顶距一般控制在120m内，而该工程过江管的长度较长（220m），管径较小（DN600），采用顶管施工工艺存在极大的难度。若采用DN1200以上钢筋混凝土管，则影响工艺流速，不满足排水工艺要求，需要在其中加内衬管，工程费用很大；而采用沉管法施工，可解决长距离小管径顶管难以实施的问题，工程费用也可大大降低，且宁波地区沉管技术已有很多成功的工程实例，施工技术较为成熟，所以，该段管道最终确定采用沉管法施工。2 施工工艺2. 1 现场钢管焊接焊接作业前，应将根据现场环境及施工条件制定焊接工艺评定和指导书，并经认可后用于指导现场作业。全部焊接过程均应严格按认可的工艺进行。当任何焊接参数变化超过原认可允许范围时，则须重新制定和认可基本参数及允许变动范围的要求。钢管拼接前应将焊口内外表面附近10cm范围内的泥土、铁锈、油污等清理干净并保持干燥。拼焊质量应符合规范规定的要求。2. 2 现场钢管接口防腐该工程过江管道现场接口外防腐为“三布五漆”特强级防腐，涂层总厚度大于800 um；内防腐为“环氧铁红防锈底漆+环氧耐腐蚀漆”（二底三面），涂层干膜厚度大于200um。并承受5000V电火花测试。管道接口防腐在管段拼接后经检验合格即可进行。防腐前首先清除接口处所有污物，去除焊接熔渣，打磨焊缝的尖突物，使焊缝平整。可用手提打磨机除锈，达到St3级，然后进行防腐层施工。接口处外防腐层宽度应达到覆盖原有防腐层每端1520cm。防腐完成后按相关规范要求进行电火花检测。2. 3水下基槽施工2.3.1施工准备1）水下土石方开挖前，收集必要的水位、地形资料及地方管理资料，了解回淤情况以及有无地下构筑物，确定采用的开挖方式。2）水下基槽开挖前用GPS配备声纳测深仪对所开挖范围的水下地形进行测量。3）施工前应对拟开挖沟槽进行放样，包括沟槽底边线、中线、起止断面浮标等，同时在江两岸设置管道中线、边线导标和控制桩。在江两岸设置水准点，并设水位尺，用以观测施工过程中水位变化情况。为防止控制桩和水准点丢失或位移，应设置护桩；控制桩和水准点设置位置要考虑尽量少受外界影响并满足通视要求。4）施工前必须报海事、水利、航管等有关部门，办理相关手续并经有关部门批准。2.3.2基槽开挖水下基槽开挖采用挖泥船，土方由拖轮拖带至国家海洋局指定的抛泥区抛泥。如此重复作业，完成沟槽开挖工作。水下开挖基槽允许偏差见表1。表1 水下开挖基槽允许偏差如果基槽开挖后出现大面积的超深现象，建议采用回填碎石的方法进行回填，并由潜水员加以整平。2. 4 过江管道安装该工程过江管道的敷设采用沉管法。运用水面浮运法安装（整体组对拼装、整体浮运、整体沉放）。施工船舶的停靠、锚泊、作业应符合航政、航道等部门的有关规定。过江管道施工流程如下：2. 4. 1 管道浮运就位管道的浮运应符合航政、航