本站原创关键词：大口径 取水管道 水下沉管 取水头
一、工程概况
为满足城市中远期原水需求，太仓市在浏河口新建应急水源地。水源地面积约220万m2，总容积为1742万m³。水源地主要建构筑物包含新建围堤、取输水泵站和进出水管线及取水头。本文着重以水源地取水管施工工艺进行阐述。水源地取水管最大设计流量为40m³/s，采用2根大口径钢管（内径3600mm,壁厚18mm，外壁设加强环）从长江中取水,均采取水下沉管施工方法，自水源地新建围堤至长江中取水头部之间的管道分别长达1700.698m(1#管线)和1675.698m(2#管线)。两根管道轴线间距6.0m,管道中心高程-5.0m~-12.0m，采用φ609mm的钢管桩基础，钢管桩单根长30m，桩顶架设桩帽、横梁和管座，管道通过管箍安装固定于管座上。桩帽和横梁焊接连接，桩帽和桩、横梁和管座、管箍和横梁之间均采取水下螺栓连接固定。管道分段长度最长40m/段，分段管道之间采取水下哈夫连接方式。水源地长江取水管道详见图1、图2。
二、施工工艺流程
本工程取水管施工工艺流程如下图：三、水下管沟开挖
本工程管道敷设于长江河床下，因此必须先水下开挖管道沟槽，才能进行桩基及管道安装施工，根据原河床现状高程及管道敷设深度，其开挖深度约6m左右。管沟开挖采用2艘4m3链条式式抓斗挖泥船，采用4艘150m3开底泥驳运输、抛卸土方。根据两管中心间距，两根管道沟槽一起开挖，开挖底宽为12m，边坡1:4。分两次进行开挖，第一次先将两根管道沟槽开挖至管底设计高程，第二次再精确定位每组钢管排架桩位置，将6根钢管桩范围约10m×14m再挖深1.5m左右，以便于钢管桩施打及桩帽、横梁安装（因桩帽、横梁和管座比管底低1.0m左右，且尚需潜水员水下安装所需的工作面）。
开挖前，在管道沿线设置水位观测尺，便于挖泥船结合水位复核开挖深度。
挖泥船水下开挖测量定位采用GPS定位系统，因此船机设备上需配备相应测量设备和计算机软件，由技术人员将本工程平面图输入计算机，并根据坐标系统输入管道起始位置坐标等相关参数。这样船机设备上的GPS定位系统和软件就可以很直观的将船舶位置和沟槽位置显示在电脑屏幕上，施工精度大大提高。
挖泥时，要勤测轴线、要勤测水深，防止偏位和超挖或欠挖。以水铊和测深仪控制开挖底标高，对偏位的要及时纠正，对欠挖的地方要及时进行补挖。
四、水上桩基施工
桩基采用水上打桩船进行施打，桩架高度根据桩长和施工工艺等进行选择。本工程管道下支撑桩桩长30m，为精确控制桩顶标高，采用将工程桩接长至施工水位以上然后再水下割桩至设计标高的工艺。因此根据桩长、桩顶高程、施工期水位，本工程打桩的桩长在40m~42m左右，因此选择桩架高度为46m的打桩船。钢管桩向有资质的生产厂家定购，选用螺旋埋弧焊钢管，加工长度40~42m，由船运输至施工现场。
水上桩基施工顺序为：打桩船抛锚定位（钢管桩到场）→吊桩→立桩、夹桩→移船定桩位（GPS定位）→稳桩、下桩→锤击沉桩→到位停锤→测量桩顶标高（做好记录）→移船吊桩→打下一根桩。
一组排架钢管桩施打完成后，根据测量记录的桩顶标高和设计桩顶标高计算每根出水的钢管桩的割桩长度，然后再用特制的钢套环从桩顶套入桩外壁，钢套环底部与桩顶之间的距离应与割桩长度一致，然后再由潜水员水下沿钢套环底部将钢桩割除，这样留置于水下的钢管桩桩顶标高即为设计标高。采用此种方法控制桩顶标高精度较高，施工偏差减小。
五、水下管道安装
水下管道沟槽开挖及桩基施工完成后，在管道安装之前须先水下安装好桩顶的钢支架构件，主要包括桩帽、钢横梁；管座和管箍构件须安装在待沉放安装的管道上，然后再沉放安装管道。1.桩帽、横梁安装
桩帽和横梁钢结构件采取在工厂内加工制作及防腐，然后船运至施工现场，由潜水员和安装船配合水下安装的方法。
本工程一个排架由3根桩组成，钢支架由3个桩帽和一根横梁组成，横梁和桩帽采取焊接成整体后再水下安装的方法，因水上打桩施工不可避免会产生一定的偏位，故三个桩帽和横梁不能一次焊接成整体，需分两次焊接。桩帽、横梁安装步骤如下：
1）测桩距、焊桩帽
首先由潜水员利用特制的工具水下精确测量排架桩的两根边桩的间距，然后根据测量记录将两侧的桩帽先焊接在横梁的底部两端，焊接时应考虑桩帽和桩套接时的间隙。
2）放横梁、做标记、焊中间桩帽
将两端焊好桩帽的横梁吊放至水中，把桩帽套入排架桩的两根边桩内，由潜水员水下根据中间桩的位置在横梁底部做好标记。然后再将横梁吊出水面后，按标记位置将中间桩帽准确焊接在横梁底部，这样就可保证3个横梁底部的桩帽均是按水下实际桩间距烧焊在横梁上的，可精确套入桩顶。
3）桩帽、横梁水下安装
将3个桩帽都焊接好的横梁吊放至水中，由潜水员水下定位桩帽套入桩顶。然后再根据桩帽上预留的螺栓孔在钢管桩的相应位置水下切割穿孔，并将螺栓穿入后紧固螺帽将桩帽和桩固定在一起。
横梁、桩帽安装步骤见下图3。
图3：桩帽、横梁水下安装步骤示意图
2.管座、管箍安装
管座、管箍钢结构件同横梁、桩帽一样也采取在工厂内加工制作及防腐，船运至施工现场。
管座和管箍先固定于待沉放安装的管道上，根据水下已安装好的横梁，由潜水员水下测量两根横梁间的实际间距，然后再根据横梁间距将管座和管箍安装固定于待沉放安装的管道上。
3.取水管道安装
本工程取水管道为内径3600，壁厚18mm的钢管，外壁设槽钢加强环，分段长度最长为40m/段，均采取在钢管厂家加工制作及防腐后，由船运至施工现场，单根管道（40m长）重约60吨。
采用1艘150吨水上起重船进行分段管道的沉放安装。管道沉放安装前，除按水下实际横梁间距在管道上预装好管座和管箍外，还需在管道端部事先安装好哈夫接头的橡胶圈，橡胶圈套入管端并固定好。管道安装断面图见图4，沉放安装示意图见图5。
图4：管道安装断面图
图5：取水管道沉放安装示意图
4.哈夫接头安装
本工程取水管道分段管道之间连接采用钢制哈夫接头形式。哈夫为半合对抱结构，分为上下两片，上下两片哈夫采用螺栓水下紧固安装方法。哈夫与管道之间通过橡胶圈压紧来保证紧密性，上下两片哈夫对接螺栓紧固处也设有橡胶垫板。
哈夫接头安装在两根管道沉放安装完成，并完成管座和横梁的水下螺栓固定后才能进行施工。其安装步骤如下：
1）下半片哈夫安装：
在一根管道安装完成，第二根管道下水安装前，须先将该两根管道接头哈夫的下半片放至已安装管道一端的下方，避免两根管道均安装完成后再在管道下部塞入下半片哈夫。
2）上半片哈夫安装：
待两根管道均安装到位，再将上半片哈夫安装在管道接头上部，下半片哈夫则通过钢丝绳提升至管底，然后再进行上、下两片哈夫的对接紧固。
3）螺栓安装：
上、下两半片哈夫对接先在钢丝绳收紧的状态下，由潜水员水下将两侧螺栓连接处的两端各安装两个长螺栓，以先将哈夫初步固定，然后再逐步收紧钢丝绳和四个长螺栓，然后再分别对称安装中间的螺栓，直至中间螺栓均安装紧固完成后，再将两侧四个长螺栓替换成设计规定长度的螺栓。
哈夫接头安装示意图见下图6。
图6：管道哈夫接头安装示意图
六、取水头制作、安装
本工程长江取水头共2个，为钢制蘑菇型取水头，单个重约120吨。取水头安装后其顶面标高为-2.0m，两个取水头中心间距为42.8m，取水头与取水管道之间同样采用哈夫接头连接方式。每个取水头下部设9根φ609×16钢管桩基础支撑，钢管桩长50m。取水头下部桩基、桩顶钢结构件制作、防腐及施工与取水管道相同。
取水头制作选择在加工厂内完成半成品构件的制作和防腐，由船运输至施工水域附近岸边的制作场地上进行整体拼装、焊接和防腐修补，然后再采用水上起重船将取水头吊驳至驳船上拖运至施工现场水域进行沉放安装。
取水头的过驳、吊装采用摘自：毕业论文格式范文www.808so.com
1艘150吨的起重船进行水下沉放安装，取水头最终沉放至下部桩基础顶部的桩帽平台支架上，由潜水员水下探摸配合定位情况。然后由潜水员水下安装桩帽顶板和取水头底座间的连接螺栓。
七、结语
水下管道铺设安装一般在沿江、沿河、沿海地区的自来水厂取水工程、发电厂和污水处理厂的取、排水工程中较为常见，且取水工程在管道端部均设有取水头。其大部分管线安装均位于水下，因此均为水上、水下施工作业，需依靠大型船舶设备、潜水员和专业施工人员精心组织施工，才能保证工程质量和施工作业安全。
施工过程中，应选择合理的施工方案和工艺，取水管道、取水头和水下钢结构件受现场条件制约宜在工厂内、施工现场水域附近岸边空地、码头上加工制作和防腐，尤其是高、大、重的大型管道和构件，以方便制作完成后过驳至驳船或吊入水中拖运至施工现场进行沉放安装。
参考文献:
刘灿生.《给水排水施工手册》(第2版) 北京: 中
国建筑工业出版社, 2002.
《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。