大型不规则管道穿越水下钢筋混凝土墙体的设计与施工

GXF360 2017-05-28

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大型不规则管道穿越水下钢筋混凝土墙体的设计与施工

向云红

(铁道战备舟桥处潜水段，浙江金华321000)

摘　要：主要介绍了在吊装受限情况下，为增大水厂取水源取水能力，需把新建取水源泵房与老取水源泵房在深水下相连，在连接施工中，利用浮吊作为起重设备，设计了半圆形钢围堰安装在钢筋混凝土墙体上进行止水，在围堰内干作业进行钢筋混凝土墙体开孔预埋管道，并设计哈弗管及浮运下沉大型不规则管道与预埋管连接。该技术可供同类工程借鉴与应用。

关键词：不规则管道；水下墙体；钢围堰

收稿日期：2015-03-02

作者简介：向云红(1977—)，男，工程师，主要从事桥梁工程施工技术管理工作　zjjhxyh@126.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.03.018

中图分类号：U445.543

　文献标识码：B

　文章编号：1672-3953(2015)03-0060-04

Abstract: To increase the water-in-taking capacity of a water plant,the new water pump house has to be connected with the old one under deep water,in which case a floating crane is used as the lifting equipment,and a semi-circular steel cofferdam is designed and fixed on the reinforced concrete wall to stop water. Inside the cofferdam,all construction operations are conducted drily,such as boring holes and pre-burying pipelines in the reinforced concrete wall,with the Haversian pipe designed and large-type irregular pipes floating-transported and sunk to be connected with the pre-buried ones.These techniques may serve as a useful reference for other similar projects.

1　工程概况

内蒙古包头市九原区水厂取水源泵房已修建多年，随着城市的快速发展，取水源供水告急，需扩大取水源，保障城市用水。扩建后的新泵房与老泵房相互平行，两泵房净间距相距28.54 m。老泵房墙体为4 m厚楔形钢筋混凝土墙体，新泵房墙体为2 m厚钢筋混凝土直行地下连续墙，为使两泵房取水发挥最大功效，急需在水深6 m的黄河河道中埋设直径为2.4 m的大型不规则管道，把两泵房连接成一个整体，形成统一的取水系统，以满足城市供水需求。

新老取水口地质表层为泥沙，下层为人工抛填片石和铅丝护岸石笼，经过多年的冲刷，铅丝石笼已深埋河床，需要进行清理。

黄河常年施工水位为1 003.6 m,流速约1.5 m/s左右，河床底标高999.2 m，水深约4.4 m,不规则管道底部标高为996.4 m。

2　总体施工方案与设计

2.1　方案比选

(1)方案一：新老泵房不规则管道采用顶管施工技术进行安装，由于新老泵房墙体为钢筋混凝土墙体，两泵房之间仅有4.45 m通道(两泵房之间有一个长24 m的配电房)，且老泵房高度只有8 m，起重设备无法进入施工现场,顶管设备无法寻找到适合的支点，故否定顶管施工方案。

(2)方案二：采用水上浮吊作为起重设备，先设计滑槽与钢筋混凝土墙体进行刚性连接，再设计半圆形围堰从滑槽通道下沉封底、堵漏止水，围堰内抽水后干作业水下人工取芯开凿钢筋混凝土墙体，在墙体中预埋连接管，水上浮运不规则管道，注水下沉管道后采用水下哈弗管与不规则管道相连的方案进行新老泵房连接施工。

2.2　拱形围堰与墙体连接设计

2.2.1 围堰与钢筋砼墙体的连接滑槽设计

为了保证钢筋混凝土墙体水下人工取芯开孔干作业施工，先设计了与钢筋混凝土连接的滑槽。滑槽长9 m，宽32 cm,由[32b槽钢、L125 mm×80 mm×12 mm角钢、14 mm钢板组成，设计内外两个封水空腔，增大封水成功的概率。在楔形墙面上设计2个楔形滑槽(见图1)，直墙面设计2个直形滑槽(见图2)，每个滑槽上设置6个椭圆形孔，以便把滑槽固定在墙面上。每个滑槽内外空腔的钢板上与墙面连接处设置了3道止水条封水。

图1 滑槽、围堰与楔形墙体的连接

图2 滑槽、围堰与直形墙体的连接

2.2.2 拱形附墙围堰设计

因受场地和已有建筑物限制，造成施工工作面狭窄，借助拱的受力特性，附墙围堰设计为拱形，长9 m，宽3.8 m，由16 mm钢板作为围堰面板、L100 mm×100 mm×10 m角钢作围堰内纵横骨架、L125 mm×80 mm×12 mm角钢作为拱的两侧与滑槽连接相对应的下滑通道，形成拱形附墙围堰(图3)。

图3 滑槽与墙体、围堰连接平面示意图(单位：cm)

2.3　新老取水泵房连接管设计

2.3.1 不规则连接管设计

连接管由厚20 mm钢板卷制而成，分段焊接。连接管设计共分为4段，3段短连接管，1段长连接管，尺寸为1.85 m+23.55 m+1.85 m。在长连接管外侧设计1 m长、?2.4 m的三通(三通由2 cm厚圆形钢板通过法兰栓接密封，为今后取水备用)，在连接管中部位置的顶部设计一根?1.2 m、长4.5 m的人工检查管，并与连接管通过焊接形成45°角(为今后检查及清淤使用)。具体见图4。

图4 连接管与墙体位置(单位：mm)

2.3.2 连接哈弗管设计

新建泵房水下连续墙一端已经预埋一段?2.4 m×2.5 m连接管道，老泵房水下墙体经过施工，也预埋了一段管道(?2.4 m×5.5 m)，现需要把两段预埋管道进行水下连接，特设计了哈弗连接管。

哈弗管设计为两个半圆形，由2 cm厚钢板面板、钢板耳板及加劲板组成。半圆哈弗管管径为2.5 m、高1 m,两端用2 cm厚钢板焊接2个连接耳板,每个耳板上用冲孔机床等间距开凿8个3 cm×5 cm的椭圆形螺栓连接孔(图5)。

3　关键施工技术

3.1　拼组水上浮吊(起重设备)

浮吊由10节六七式铁路舟桥标准舟节(浮箱)组成浮体，在浮体四角安放4台3 t电动锚机为锚定设备，浮体上架设浮吊杆件形成起重设备(图6)。

图5 哈弗管

图6 起重设备

3.2　施工安全防护桩

水下连接管道位置与老取水泵房的配电房距离较近(间距9 m)，考虑管道连接处河床清理施工出现塌方会危及配电房的安全，采用冲击钻机在新老泵房配电房外侧6 m位置施工一排紧密相连的?1.5 m×15 m钻孔灌注桩进行防护。

3.3 开凿附墙围堰施工作业面

为了安装老泵房附墙围堰预埋管道，在完好的老泵房钢筋混凝土楼面板上开凿了3个长5 m×宽3 m的施工天窗。同时用风镐开凿老泵房4 m墙体(1 m厚楔形钢筋砼隔水内墙体+2.4 m厚素混凝土无水空间+0.6 m厚直行钢筋砼隔水外墙体)中间的2.4 m厚素砼空间，形成长5 m×宽2.4 m×高3.6 m的无水工作面，充分利用该工作面进行两个附墙围堰的安装。

3.4 清理河床

在老泵房楼面板上开凿的天窗内，在楔形墙体上围堰相应位置用浮吊吊装吸沙泵吸沙、清理、整平河床障碍物。在直行墙体一侧及新老取水泵房连接管位置的河床障碍物，则采用18 m长臂挖机在200 t驳船上开挖清理、整平，把河床标高统一清理到+995.0 m，为安装附墙围堰等施工作好准备。

3.5 安装滑槽

在素砼无水工作面内,用脚手架搭建工作平台,把取芯钻机竖向固定在钢筋砼墙体上，在墙外滑槽螺栓孔相对应的两侧位置，从上至下间隔1.5 m距离各钻取6个?3.2 cm的圆孔，每取芯完成一个墙体圆孔后,采用尖木塞塞住小孔,防止水流进入工作面内，依此方法完成4个滑槽的24个取芯孔施工。

取芯小孔施工完毕，在滑槽的14 mm厚的钢板平面上粘贴长9 m×宽10 cm×厚3 cm止水条，然后用浮吊吊起滑槽，在天窗位置顺着墙体由潜水员配合，把滑槽上的椭圆孔与钢筋砼墙体上的取芯圆孔对准后，用?30 mm全丝螺杆从滑槽椭圆孔穿入墙体圆孔内，拔出圆孔内小木塞，在螺杆两端套上厚10 mm×长20 cm×宽20 cm的胶垫，把滑槽固定于墙体上。如图7所示。

3.6 安装附墙围堰

围堰在加工厂内用卷扳机卷制成一个?3.8 m的圆,每节长2.25 m，共分4节，总长9 m。把每节圆从中部一分为二后,分别在两个半圆内焊接竖向9根L100 mm×100 mm×10 mm角钢及横向6块14 mm×20 cm环形加强钢板，组成围堰受力骨架。

围堰加工完成后，用运输车送到施工地点，在围堰两侧滑道板上粘贴止水胶条，用浮吊分节吊装，把围堰从滑槽内下放(见图8)，逐一接高焊接下沉到达设计标高。然后由潜水员水下把滑槽上的螺栓拧紧，把围堰固定在滑槽上。

图7　潜水员安装滑槽

图8 安装围堰

3.7 围堰封底、堵漏及抽水

围堰封底：围堰从滑槽内下沉到设计标高后，用天泵输送C25混凝土对围堰进行水下封底，封底厚度为1.5 m。

滑槽与墙体间隙堵漏：墙体与滑槽连接属于刚性连接，虽然滑槽与墙体间采用了止水条，但并不一定保证一次性封水成功，故在滑槽的两个空腔内进行了二次封堵。由于滑槽与墙体连接的空腔小，导管无法从空腔内插入，用普通混凝土封底会出现离析，为防止混凝土离析，采用了胶结性能好、遇水不离散、初凝时间长(24 h)的中科院研究的水下非离散混凝土(525 #R冀东硅酸盐水泥∶中砂∶卵石∶抗离散剂A∶抗离散剂B∶水=1∶1.48∶1.91∶0.015∶0.03∶0.35)进行封堵，保证了封堵的成功。

围堰内抽水：待封底混凝土与水下非离散混凝土达到强度要求后，用水泵把围堰内的水抽干，进行水下墙体的干作业开孔施工。

3.8 钢筋砼墙体开孔及管道预埋

在素混凝土空间作业面内，用全站仪在两面钢筋砼墙体上测量放样?2.5 m的预埋管道位置，用取芯钻机在墙体上进行取芯，把0.6 m厚的阻碍预埋管道的墙体均匀分成4块,1 m阻碍预埋管道的墙体均匀分成6块进行分割(见图9),用10 t浮吊单块分次吊出。

墙体开孔完成，用浮吊把第1段(长2 m)预埋管从素混凝土空间的天窗上下放到底,用倒链把管道拖拉到楔形开孔墙体内，再吊装第2段(长1.8 m)管道与第1段管道对接，在作业空间内翻滚焊接接长,然后吊装第3段(长1.4 m)管道与第1、第2段管道进行对接焊接，形成5.2 m长的预埋管(图10)。预埋管就位后，在管道两端的墙体上直接安装预埋管保护圆环,采用C30混凝土注浆密封墙体及管道空隙及填充2.4 m素混凝土开凿空间,完成连接管预埋。

图9　水深6 m处的钢筋砼墙体干作业开孔

图10 开孔墙体内预埋完成的管道

3.9 围堰拆除及哈弗管安装

管道预埋完成，在老泵房一侧管道端头安装封水闸门,由潜水员水下拆除封底砼以上部分的两个附墙围堰及安装管道下部哈弗管。

3.10 连接管加工、密封

连接管加工：连接管由厚度为2 cm的钢板卷制加工，分段焊接而成。管道外侧设计焊接长1 m、?2.4 m的三通，管道顶中部焊接一规格为?1.2 m×长4.5 m的人工检查孔，与连接管成45°角。

连接管密封：受新老泵房配电间的限制，连接管无法进行整体吊装安装，将连接管分段运输到新取水泵房上游300 m处河岸加工接长，在管道两端内侧均匀设计8个栓接接头，然后用?2.46 m×2 cm的圆形板及止水胶条封堵,每端用8个M24×120 mm 8.8级高强螺栓把圆板固定在连接管上,为防止漏水漏气,在每个连接螺栓上涂抹聚硫密封膏密封。在三通底20 cm处安装一个?8 cm的进水阀，同时把人工检查孔用法兰和橡胶垫密封，在人孔板上安装1个?4 cm充气排气阀并进行平衡配重，完成施工。

3.11 浮运下沉及管道连接

经气密性试验检查管道的密闭性能良好后，用2台50 t汽车吊机把连接管整体吊放河中(见图11)，用一艘动力船在水上把管道浮运到施工位置，定位后打开三通管道上的进水阀门，慢慢注水下沉(见图12)。当管道下沉时发生偏位，可在人工孔上用空压机充气排水，排水后连接管自动上浮进行管道纠偏，保证连接管道准确在水下对位。经潜水员水下检查，连接管准确对位后，拆除人工检查孔的密封板，潜水员从人工检查孔进入连接管内，把连接管两端的密封板拆除，用浮吊把密封板吊装出水，再吊装上部哈弗管反扣于管道上，并与下部预放的哈弗管重合，在水下用螺栓把上下哈弗管进行连接固定，完成连接管道施工。