河床式取水口沉管施工技术研究

李桂英，余龙

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概况

营山县城饮用水源工程取水头部工程位于嘉陵江(蓬安段)左岸，场地西南侧为嘉陵江，东北侧为S204省道。水源自流管采用两根并排的D1030×14钢管，上游侧管道长34.11m，下游侧管道长26.5m，取水头部为两套(Q=3750m3/h)，尺寸为14.60m×3.10m×2.30m，由取水室、除砂器、防草器等7种部件组成，最大部件重4.488t，最小部件重1.735t，单套取水头设备总重为22.039t。接口采用焊接方式，与阀门连接处用法兰连接，中间间距5.4m～15.2m，设计使用年限为50a。

取水头部工程分为水上、水下施工，主要施工部位为水上施工钢平台搭设、水下混凝土灌注桩施工、水下钢管安装、水下取水头部安装。该段河床较宽浅，河流比较平缓。取水头部及自流管施工范围内的河床底部高程为288.3m～289.1m，水下地形较为平坦，水深3m～8m。取水头部上游为金溪航电枢纽、下游为马回电站，枯水期施工区域水流流速较小。

2 水文地质条件

本工程位于嘉陵江蓬安段，距上游金溪电航枢纽约12km，该段河床较宽浅，河流比较平缓。取水头部及自流管施工范围内的河床水下地形较为平坦，地层主要由松散卵石、泥岩等组成。取水头部及自流管基础为桩基础，持力层为中风化泥岩层，中风化泥岩层层位稳定、岩体较完整，在中风化局部可能有破碎岩体分布。

3 方案选择

本取水口工程现场水下地形钢护筒混凝土灌注桩部位水位较深，最大水深接近8m，利用船舶作业施工难度大；距离下游的居民临时取水点将近200m距离，水体环保要求严。采用传统的河床式取水口沉管施工工艺利用填筑土石围堰的形式进行干地施工，这样施工成本高、进度慢，同时对水体环境也有一定的影响。针对上述水下地形情况及特点等，研究采用循环式水上钢栈桥[1]施工技术，保证了取水头部及自流管水下施工安全，降低了对周边环境的污染，实现了钢栈桥的循环利用，实现成本和进度的双赢目标。

4 取水口沉管施工技术

4.1 钢栈桥、钢管桩设计

钢栈桥及钢管桩必须具有足够的强度、刚度及稳定性，施工时必须严格遵循安全技术规范和专项方案规定，严密组织、责任落实，确保施工过程的安全。根据荷载计算规范及安全技术规范计算结果：

(1)根据水文条件、地质情况，以及承载力等因素分析，钢栈桥钢管桩均按摩擦桩考虑，同时根据地质柱状图，松散砂卵石层，平均厚度为2.5m～3.8m，考虑到钢管桩最小入土深度，因此，钢管桩应以强风化泥岩作为持力层，桩长暂定12m，钢管桩排距按6m计算。

(2)钢栈桥结构型式：钢管桩+I56下横梁+321贝雷梁+I56横向分配梁+I12.6纵向分配梁+钢板。钢管桩采用直径φ600mm、壁厚10mm钢管，纵向设置3排，两排钢管桩之间设置辅助桩，用φ600mm(δ=10mm)钢管连接固定。钢管桩纵向间距6m、横向间距4.4m，I56横梁与钢管桩焊接，贝雷梁与I56之间采用“U”型卡固定。贝雷梁上搁置I25a横向分配梁，间距1.5m。其上搁置I12.6纵向分配梁，间距0.4m，桥面板采用10mm厚螺纹钢板铺设，平台空隙处采用木板或钢板满铺，具体结构详见图1。

图1 钢栈桥结构型式

(3)钻孔平台

结构型式：钢管桩基础+I56型钢+I12.6横向分配梁+钢板。钢管桩采用直径φ600mm、壁厚10mm钢管，7纵4横布置，并用φ600mm(δ=10mm)钢管横向、纵向连接固定。钢管桩上纵向采用I56焊接连接，其上放置横向I12.6分配梁，并铺钢板作为桩基钻孔平台。平台空隙处采用木板或钢板满铺。以6根灌注桩施工平台为例，钻孔平台详见图2和图3。

图2 钻孔平台平面布置

4.2 取水沉管施工方法

4.2.1 水上钢平台搭设

本工程采用搭设水上施工平台的形式进行取水头部及自流管道施工，在自流管下游侧搭设钢栈桥入口，并以桩位及自流管为中心搭设环形钢栈桥通道。环形栈桥通道内搭设五座钻孔钢平台，同时以五座钻孔钢平台为核心，满铺搭设操作钢平台，形成满铺平台，钢平台的结构型式为钢管桩+Ⅰ56下横梁+321贝雷梁+Ⅰ25横向分配梁+Ⅰ12.6纵向分配梁+钢板。

钢管桩施工采用60kW振动锤沉桩，采用50t履带吊架设水上施工平台，从岸边依次向取水头部进行。沉桩时，测量组人员用两台全站仪同时对桩的平面位置和横纵桥向垂直度进行测量控制，确定桩位与桩的垂直度满足要求后，开动振桩锤振动，每排钢管桩下沉到位后，进行桩之间的纵向连接，增加桩的稳定性，连接材料采用φ600mm钢管纵向平联，钢管桩上为Ⅰ56下横梁，Ⅰ56下横梁直接嵌入钢管桩内40cm，露出桩顶16cm。贝雷梁先在陆上按每组尺寸拼装好，然后使用履带吊进行吊装，安装在Ⅰ56横梁上，贝雷梁与Ⅰ56横梁采用“U”型卡固定。

贝雷梁拼装完毕，其上铺设Ⅰ25a横向分配梁，间距150cm，并用“U”型卡固定。然后，在Ⅰ25a上铺设Ⅰ12.6纵向分配梁，纵向分配梁间距40cm，并用“U”型卡固定。最后，用δ=10mm桥梁花纹钢板满铺，并与I12.6纵向分配梁焊接牢固。

4.2.2 钢护筒灌注桩施工

钢护筒灌注桩桩径1m、18根，平均桩长11m，单桩承载力特征值≥1200kN。

(1)钢护筒埋设

钢护筒下放过程中为保证其垂直度，在平台支架上设置导向架。导向架采用3根Ⅰ25a工字钢呈“井”字型将钢护筒固定，只留一个方向。当钢护筒进入导向架后，固定另一方工字钢，并开动振动锤向下埋设。根据钻孔进度护筒埋设，采用钻机冲击锤对护筒进行跟进直至设计桩底。

(2)成孔

钻机就位时用方木垫平，将钻头中心线对准已标识好的钢护筒中心，误差控制在2cm以内，钻机支立应牢固，不得在钻孔过中发生偏斜或位移、倾覆。成孔中心必须对准桩位中心，钻机必须保持平稳，不能发生位移，倾斜和沉陷。开始时用小冲程密击，锤高0.4m～0.6m，并及时加粘土泥浆护壁，孔深不足3m～4m时，不宜捞渣，应尽量使钻渣挤入孔壁。捞渣筒的直径宜选择桩孔直径50%～70%。

孔深达护筒下3m～4m后，加快速度，加大冲程，将锤提高至1.5m～2.0m以上，每钻进0.5m～1.0m应捞渣一次，每次捞渣4～5筒为宜。在卵石、漂石层进尺小于5cm/h，在松散地层进尺小于15cm/h时，应及时捞渣，减少钻头的重复破碎现象。每次捞渣后，应及时向孔内补充泥浆或粘土，保持孔内水位高于地下水位1.5m～2.0m。

孔底进入持力层深度应符合设计要求，实际钻孔深度应与设计深度基本相符，若相差太大应征得设计部门认可方可终孔。所确定的持力层最终进尺速度应符合要求，且进尺速度应对应于一定的锤重和标高。孔底岩样应鉴别其岩性和风化程度，粗岩颗粒含量应大于70%，岩性应与地质资料相符。

钻孔达到设计高程后，对孔深、孔径、孔壁、垂直度、沉淀厚度等进行检查，不合格则采取措施处理。用测绳测量孔深并做记录，钻孔完成后应采用探孔器检测孔径，合格后方可清孔。

(3)下放钢筋笼

钻孔清洗后，进行钢筋笼下放。钢筋笼采用加强箍筋成型法在钢筋加工场制作，钢筋笼长度应比设计桩长高50cm为宜，待桩头处理时进行水下割除。

整节钢筋笼吊装采用履带吊吊装，吊放就位时采用两吊点法，保证吊装时钢筋笼不变形，丝头不损坏。

(4)浇筑混凝土

水下混凝土灌注前，先确定首批灌注混凝土数量，混凝土封底灌注采用隔水栓(15cm厚泡沫板制作)、拔塞法施工，即在漏斗的底部、导管的顶口安装泡沫隔水栓，再用盖板封住导管口。

(5)水下高程控制

由于该桩基混凝土标高低于水面约3m，无法在陆地上确定混凝土是否已达到设计标高，因此，桩头的混凝土标高应由潜水员水下控制。控制方法为：陆上控制桩头标高，潜水员在水下根据指示的标高在护筒上等距离水下切割3条50cm(长)×20cm(高)的孔，用于桩基中的沉渣溢流，直至新鲜混凝土，确保桩基桩头质量[2]。溢流孔设置见图4。

图4 钢护筒溢流孔设置

(6)水下安装定位板

混凝土预埋件主要为定位板及地脚螺栓。定位板及地脚螺栓在岸上制作完成后连接成一个整体进行预埋。为保证预埋件的平面位置，采用在定位板四周焊接4根直径16mm的钢筋头，在下放过程中沿护筒内壁下放。结构详见图5。

为保证定位板粗制螺栓孔的方向与钢架一致，采用在定位板垂直方向等距焊接4根直径20mm的钢筋，顶端焊接同一大小的定位板，在预埋件沿护筒内壁下放过程中，用人工在钻孔平台上控制粗制螺栓孔方向。

定位板的预埋标高，根据桩顶标高和护筒顶标高，通过定位杆确定。预埋件的安装在混凝土浇筑完成后初凝前进行，在预埋过程中陆上和水下通过对讲机进行沟通配合，确保预埋件平面位置、水平高程以及螺栓孔的偏差不超过规范要求。

图5 预埋螺栓定位装置简示

(7)成桩

灌注完成后，潜水员在水下采用自制工具将混凝土表面整平并剔除疏松混凝土；将钢护筒或钢筋笼高于桩顶高程的，由潜水员按照设计标高水下切割钢护筒或多余钢筋。

4.2.3 迎水面防撞栏杆安装

管道迎水面设有栏杆保护设施，且位于常水位以下，该防撞栏杆采用水下施工工艺。利用现有的钢平台，60kW振动捶打桩，φ600钢管桩打入河床约2m(以钢管桩下沉量最小时停止)，钢管内灌注C30混凝土，高度为1m，潜水员水下切割钢管及水下砌筑麻袋混凝土，混凝土钢管桩顶面尺寸为2m×2m，待混凝土凝固之前，潜水员水下定位将立柱插入混凝土钢管桩内，并由潜水员水下定位安装。

4.2.4 支梁水下安装

支梁采用δ=20mm厚钢板现场加工而成。制作前应先在平台上按设计长度下料后并焊接成整体，运至桩位处后用全站仪进行控制，潜水人员通过对讲机通知陆上人员进行上下、左右位置的调整，安装就位后采用螺栓将钢梁与预埋地脚螺栓连接成整体。

4.2.5 输水管道安装

(1)管道预制与焊接

管道预制前，将平面布置图与现场实际情况进行核对，确定无误后再下料。

钢管组对缝采用焊接连接，在环缝调整并定位焊接后及时焊接，采用多层多道对称焊接。焊接方法采用手工电弧焊，管道全部焊接完成后，所有焊缝都应进行射线检测，合格率要求为100%。

所有焊缝均检测合格后，将安装时焊接的临时加固和支撑件用气焊割除，并用角向磨光机打磨光滑。对焊缝和打磨部位进行防腐处理，先清除焊渣，再用角磨机将焊缝周围的污物清除，最后按要求做防腐处理。

(2)水下管道安装与复测

管道在水上钢平台制作完成后，通过对吊装构件的受力计算，用履带吊整体吊装至水下，水下由两组潜水员同时操作。安装完成后，委托专业的水下测量机构对管道进行复测[3]。

管道水下操作过程中，陆上和水下通过对讲机进行沟通配合，安装前应先由潜水员在水下对各构件距离进行精确复核，同时可在岸上将部分螺栓孔加工成可调节螺栓孔，吊装过程中潜水员通过对讲机通知陆上人员进行上下、左右位置的调整，安装就位后利用格栅顶板上设置的卡环与已安装在管道上的法兰片初步连接后，再穿止水垫并采用螺栓固定。安装完成后，由另一组潜水员对所有螺栓、构件进行仔细复核，确保所有螺栓均连接牢固。

4.2.6 取水头部安装

经除锈、防腐处理后，运至取水头部用履带吊进行吊装，潜水员通过对讲机通知陆上人员对取水头部位置进行调整，安装就位后利用格栅顶板上设置的卡环与已安装在管道上的法兰片初步连接后，再穿止水垫并采用螺栓固定。为保证水下安装顺利进行，安装前应先由潜水员在水下对各构件距离进行精确复核，在岸上将部分螺栓孔加工成可调节螺栓孔，确保水下安装一次性成型。安装完成后，由另一组潜水员对所有螺栓、构件进行仔细复核，确保所有螺栓均连接牢固。

4.2.7 拆除钢栈桥

所有水下工程施工完成后，拆除钢栈桥施工平台，拆除钢栈桥采用履带吊配合人工进行，拆除顺序由远及近，自上而下进行。

5 结语

本论文取水头部及自流管采取沉管法施工主体结构，通过采用搭设水上钢施工平台的方式在陆上分段组对拼装焊接、整体吊装沉放入水，并利用螺栓将自流管与取水头部处的法兰及自流管与支座等进行水下连接。通过采用搭设钢栈桥平台的方式进行取水口沉管水下施工，其与传统的围堰导流旱地施工相比能够节省劳动力和设备的多次投入，同时减少了对水体的污染，以及水土流失，也避免了因围堰拆除不彻底对取水头部正常运行的影响。采用这些措施大大提高了施工效率，对加快工程进度及节约施工成本都有积极的影响。