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环境工程施工第第7 7章章 地下管道铺设地下管道铺设第1页 目录n第七章 管道水下铺设管道水下铺设n第一节 概述n第二节 水下沟槽开挖n第三节 水下管道材料、接口和防腐n第四节 管道水下铺设方法第2页 第七章 管道水下铺设 第一节 概述n 修建过河管、江心取水头部与岸井连接管、污水向水系排放干管、长距离河底或海底输水管等，应依据水下管道长度、水系深度、水系流速、水底土质、航运要求、管道使用年限、潮汐和风浪情况等原因，选择适当施工方法。可供选择方法普通有围堰法和水下铺管法。n 依据技术经济比较，在水系较浅，梳速较小，航运不频繁、筑堰材料能够就地取材，筑堰对水系污染可控制在允许范围以内时，围堰法是能够作为水下管道可行施工方案之一。但第3页 n，当不具备上述条件时，常采取是水下铺管法。n 水下管道普通有两种铺设方式：铺设在水底上；或埋设在水底下沟槽内。管道水下均槽埋没时，槽内管顶覆土深度普通为管径34倍，以防止船只抛锚，河床冲刷等影响。海下管道埋沟敷设，还应预防风暴时管道可能浮漂或下沉，为此，管道应埋设在海床下足够深度。另外假如水道较深，水底之上铺管不会影响航运，水底平坦，沿管线没有障碍物和悬空地，管道不会因船只抛锚、流体动力、土壤液比、床底土运动、河床冲刷或其它原因引发第4页 n破坏，为了防止上述原因影响，则可将管道直接铺没在稳定河床或海床上。水底直接敷设管道抗震性能也较水下沟槽埋设要好。第5页 第二节 水下沟槽开挖n 管道水下沟槽敷设普通有3种情况，一是先挖槽后埋管，二是挖槽与埋管同时进行；三是先放管后沉入土内。这些方法选择取决于水底土质、水系宽度和深度等原因。n 先挖水下沟槽优点是施工设备简单；缺点是管线定位不易准确，槽底平整度差，沟槽准宜度低，而且易于回淤。为此应该增加槽底余宽和开挖深度。底宽普通为管外径加0.81m。开挖深度依据回淤情况而定，边坡为1：21：4。粘土河床回淤并不严重，砂土回淤快速。惯用为水下沟槽开挖方法和设备有爆第6页 n破法、岸式索铲、挖泥船、高压泵船等。n 爆破开挖适合用于岩石河床。n 岸式索铲布置如图8-1所表示，适合用于狭窄水系。铲斗用岸上卷扬机曳引。n 铲斗顺滑道上拉，伴随挖深增加而下放滑道。为了便于卸土，岸式索铲头部结构如图8-2所表示，土斗自动倾翻卸土。这种挖土设备能够比较准确地控制沟槽平面位置和准直度。n 水系宽敞，惯用抓斗式或多斗式挖泥船开挖水下沟槽，土方卸在沟槽水流下游一侧，或第7页 n由驳船运至远处。河床土质涣散，可用高压泵船以高压水流冲射水底土层进行开挖，如图8-3所表示。n 用船或其它浮动设备开挖时，挖泥船等应该暂时锚舶，以确保沟槽中心位置准确。水下沟槽中心线用岸标(图8-4)或浮标显示，并用经纬仪或激光准直仪测量。条件允许时，可在两岸标之间拉设管道中心线，或者由固定位置挖泥船与岸标之间拉设管道中心线，以中心线为，准用标尺或锤球可测水下沟槽位置与第8页 n槽底高程。n 为了预防回淤影响，能够采取分段开挖铺管施工方法，以缩短水下晾槽时间。第9页 第三节 水下管道材料、接口和防腐n 水下铺设管材大多为钢管、管壁厚度应确保因为管内压力引发圆周切向应力小于允许应力。内压产生，周向应力为：n h=PD/2t (8-1)n式中 h内压P引发周向应力；n P管子内压;n D管子公称直径；n t管壁厚。第10页 n 选择管壁厚度和管子强度应考虑动水压力、床底土壤稳定性，土运动、床底凹凸不平，冲刷和水蚀等环境原因引发影响。n 动水压力作用下最小水中管重W为：n (8-2)n式中 管子表面与海床间摩擦系数。第11页 n对于水平海床，0，则WFL+(FD+F1)/。n 最小水中管重可采取以下方法进行调整，增加壁厚或用于压载管道深层，或者二者兼用；增加管道强度和刚度；在管道上设置砂砾、混凝土垫块、砂浆等。还经常采取混凝土包裹管道，既调整管子重量又作防腐保护层。n还可用调整比w确定最小水中管重：n W=wB (8-3)第12页n式中 W包含覆盖层或保护层在内最小水中管子重量；n B浮力。n w取值普通为1.21.5，惯用混凝土覆盖层(图8-5)在管段焊接后浇灌。管道运输、铺设过程中产生混凝土裂缝普通不会造成覆盖和隔绝失效。第13页n 水流横向流过管道时，在管子下出现涡流。涡流使管子上净、动水压力产生周期性改变，造成悬空管子发生振荡，这种振荡如与管子共振，则有可能使管子损坏。n 风浪和潮汐有可能使半埋或全埋管道发生上浮或下沉。土壤对管子作用力(漂浮力和阻力)取决于管子重量，土密度和土湿抗剪强度。土壤阻力R可由下式求出：n R=2C/D (8-4)第14页n式中 R对单位容积管子漂浮或下沉阻力；n C土剪切强度；n D管外径。n而 WR (8-5)n式中 等效土壤密度；n W单位体积管子和管内介质重量。第15页n 上式两边除水密度，则管子相对密度许可范围为：n /+2C/D/-2C/D (8-6)n式中 /为土壤相对密度。n 依据，即可计算出管子所需稳管相对密度。n 在浪袭区和海底大流速区，海底土可能处处剥蚀，上浮和沉积，造成管子失去支承、悬空和裸露，从而使管子位移，受振和破坏。海底沉积物冲刷和水蚀规律是很复杂。为了预防冲刷和水蚀，应将管子埋到有足够深度第16页n范围。n 为了提升管段整体强度，电焊钢管焊接时相邻两管纵向焊缝最少错开45，见图8-6所表示。n 管道应进行防腐处理，通常采取煤焦油玻璃布或沥青玻璃布隔绝层，有时也采取环氧玻璃钢、改性环氧玻璃钢等隔绝层。不过，只采取隔绝层而要做到不蚀在经济上是不合理。为此，在隔绝层外再建立附加保护，如阴极保护。牺牲阳极可附在水下管线上，也可采取第17页n岸上牺牲接地法。采取阴极保护时，因为水下管道与水上管道防腐电流相差很大，在交界部分要作隔绝处理。通常做法是在交界处使用方法兰连接，绝缘材料作垫圈。n 水底管道因为受到风浪、潮汐、冲刷等作用，要求刚性接口含有一定强度，而且还应比陆地铺设更多柔口，要求柔性接口有必要强度和柔密性。接口大多是在陆地或敷管船上焊接，但有一定数星水下焊接口和法兰接口。刚性接口有焊接口和法兰接口，焊接口普通部在陆地上或船上焊接，也可进行水面第18页n焊接，将两个管口提升到水面，焊接后放入水底。但当无法将管口捉到水面时，就需进行水下焊接。焊接分常压焊接和高压焊接两种。法兰接口主要用于两个管段之间联结，所以普通为水下作业。柔性接口有橡胶圈人字法兰接口、伸缩法兰接口(图8-7)和球形接口(图8-8)。n 地震时，过河管因为两岸滑移而破坏，破坏都在倒虹吸管水下与岸边连接弯头部位，而且往往只发生一个弯头接口破坏。这是因为能量在最微弱一处释放后，使其它接口不致第19页n破坏。所以，在过河倒虹吸管弯头处安装柔性或球形接口是必要。在非震情况下，预防地基不均匀沉陷影响，也应安装柔性或球形接口。n 铺设在水底管道，尤其是深水底管道，不易检验和维修，所以要确保管材和接口强度，并建立管道防腐。每个焊接口都应检验，比如用X射线检验。管段应作水压试验，试验压力为工作压力1.52倍，按规范第20页n要求验收，或按24h不降压验收。第21页 第四节 管道水下铺设方法n 一、浮漂拖航铺管n 浮漂拖航铺管方法是先在岸边把管子连接成一定长度管段，管段两端堵板，浮漂拖航到铺管位置，灌水入管，下沉到水底或沟槽内，解脱堵板，然后各管段之间在水下接口。n 若水系较窄，有纵深岸边，岸边与水面高差不大，可在过河管中心延长线岸边原地面制备管段；或者岸边与水面高差较大，就需开挖岸边，降低与水面高差，并在开挖区内降低地下水位后再制备管段。预制管段用船只或用第22页n设在对岸曳引设备(卷扬机、拖拉机等)浮拖(见图8-9)。n 但多数情况是岸边预制管段与水系平行，管段制备后装上浮筒推入水中，在水面由船浮票拖航，见图8-10所表示。管段也可用浮筒系住而在水面下浮漂拖航。水面或水面下浮航所需拖力较小，但易受水面风浪和其它情况影响。采取这种浮航方法，预制场无须有较大纵深，与敷管地点距离不受限制，以制备100200m、甚至更长管段。第23页 n 管两端采取法兰盘螺栓堵板或焊接堵板。在堵板上设有直径1/2”1”放气孔和进水孔。如果管段所承受浮力还不足以使管段漂浮，可在管两旁系结刚性浮筒，柔性浮囊，或捆绑竹、木等，使管子浮起。n 管段在水面浮航到沟槽上方，由定位起重船用放入槽，如团8-11所示。起重船锚舶在事先经过校正地点，由若干船锚定位。自堵板上预留孔向管内注水和解脱浮筒后，管段下沉第24页n到构槽或水底。n 管段水下定位和接口均由潜水工操作。潜水工用通讯工具与定位起重船联络，调正定位船锚舶位置和船上起重臂操作，使下沉管段与已铺管段对口。浅水中管道铺设高程可用标尺，如图8-12所表示。假如沟槽回淤或深挖超出允许范围，能够从堵板预留孔压入空气使管段重新浮包进行整槽工作。定位正确底潜水工解脱堵板，进行水下焊接口或法兰接口。n 浮漂拖航方法很多。能够依据浮航第25页n基本特点来设计详细施工设备和方法。n 二、水底拖曳铺管n 大长度管段采取浮航困难时，可在水底拖曳，如图8-13所表示。拖运时受风浪、潮汐等影响较小，作业安全，不需牵制船，但拖运马力较大，管子防腐有可能破坏，而且通到水底凸起障碍物时管子不易拖曳。这种方法适合用于长距离深水铺管，如向海中排污干管铺设。n 如管道分段预制，则应在拖曳过程中将管道逐段接口，增加拖曳长度。管道一次拖曳长度可达数十米。第26页n 管段因拖曳而产生应力。应进行验算，以确保管段不受损坏。n 管段在水底拖曳，当浮管一端开始淹没时，管段有3种受力状态，如图8-14所表示。n 假设荷重是沿管子纵向分布，为集中反力，该点弯矩为零，则对管子应力计算以下：n 第一个受力状态是管一端接触水底，如图8-14(a)所表示：第27页n (8-7)n (8-8)n (8-9)n式中和图中nq1管子全没浮力(dN/m)；nq2管在水中重量(dN/m)；nH水深(m)；第28页nJ管断面惯性矩(cm4)；nE管材弹性系数(dN/m2)nl管子淹没时影响长度(m)：na浮力作用管段长度(m)；nM弯矩；nR反力；nq1+q2；n管变住(挠度)。n 三、铺管船铺管第29页n 在铺管船上有防腐、接口、起重等设备。管段在船上接口，并进行接口防腐、延长管段、沿敷管船上滑道、管托架等装置，下入水底，如图8-15所表示。管子用运管船运至铺管船上。这种方法适合用于长距离管段远离岸边铺管工作。n 铺管船上管段生产线可设置在船中心线，也可设置在船两侧。如在两测设置可充分利用船中央部位场地。第30页n 四、冲沉土层铺管n 水底铺设管道，如采取预先挖沟方法，管线定位、沟槽准直、沟底平整等质量不易确保。为了防止预先挖沟引发缺点，可采取冲沉法铺管。n 冲沉法铺管是先把管子放到水底，然后用冲泥器把高压水射向管底土层，如图8-17所表示，使管底土液化，丧失承载能力，管道就埋入水底。液化土层厚度普通为管径34第31页n倍。n 冲沉施工如图8-18所表示，用多个冲泥器安装在水底与水面之间S形管段。与管子沉入土同时，驳船向前开行，继续铺管。n 图8-19所表示为简易冲泥器。不过这种设备缺点是管道下沉后高压水平管无法取出。在较短水下管道铺设时，能够采取。n 采取冲沉水下敷管条件应为管底土层为可被液化。第32页n 五、综合作业船铺管n 预挖水下沟槽铺管方法缺点是沟槽可能发生回淤，弃土和回填土工作量大。为了克服这种缺点，可采取如图8-20所表示方法铺管。n 构槽由水泵喷射高压水冲挖，挖出土由砂泵抽升到后部回填沟槽，使沟槽晾槽时间降低至最短而且取消了回填土远距离搬运。第33页
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