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[摘 要]阐述了“带气带压，水下开挖、配重沉管”的抢险技术方案。
[關键词]带气带压 水下开挖 配重沉管；
中图分类号：TE 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）08-156-01
一、概述
天然气长输管线穿越河流的管段由于河水改道等原因很可能发生飘管。飘管达到一定长度产生弹性，若不及时将管线沉到河底，很可能被洪水冲断，酿成停气事故。滦河古称濡水，华北地区大河之一。发源于河北省北部，张家口市境内的巴彦古尔图山北麓，向北流入内蒙古自治区，此段称为闪电河。后向东南急转进入河北省东北部，一直向东南流入渤海，全长885公里，总流域面积达4.46万平方公里，基本都在河北省境内。主要支流有武烈河、青龙河等，它穿越长城的地方形成长城的一座关口—喜峰口，流经较大城市只有承德。滦河沿岸风景秀丽，郦道元在《水经注》中就曾经提到过濡水（滦河的古名）支流武烈水畔的“磬锤峰”。2005年8月12日，大滦河发生了一百年一遇的特大洪水。大滦河的重要支流小河由于河水改道，将滩地管线冲开，使管线在河上飘起50多米。为了在汛期到来之前将管线沉到河底，大唐公司委托石油天然气管道勘察设计院进行设计。该设计是常规施工技术，“威堰导流，打水降水，挖土沉管”。这一技术方案的施工工期约六个月，工程设计概算276万元。经过与河北省省航运公司等单位议标，工程预算为291万元。这一技术方案有两个“不允许”，一是工期不允许。六个月的工期无法在汛期到来之前沉管，确保管线在汛期的安全运行。二是造价不允许。276—291万元的工程造价，造价太高，使企业难以承受。于是我们开发创新了“带气带压、带水开挖、配重沉管”抢险革新技术。
二、技术原理
带压沉管革新技术的原理是：
第一，管线可以弹性变形。管线可以有一定限度的弯曲，管线在一定细长比条件下，可以发生弹性变形，管线不会受到损坏影响。例如：管线可以在地上排管组队焊接，用专用吊管机进行下管作业，一条龙整体下管。关键在于管线的弹性变形所发生的曲率，必须使之曲率半径大于允许曲率半径的范围。大唐公司长输管线的曲率半径允许值是大于等于900米。根据管线弹性变形原理，经过计算，我们认定管线在一定开挖长度条件下，完全可以将管线沉入河底。
第二，水下可以挖掘沟渠。不通过围堰导流，打井降水，在水下可以挖掘沟渠。航道疏道就是这个原理。其施工工艺是用螺旋钻或高压水枪把河底沙床搅动起来，然后用污水泵将含沙河水抽走（含沙量在15—20%），从而将河底挖出沟槽。
第三，配重可以沉管。做好配重块，配重块压在管线上，通过配重给管线向下加力，当管向下受力大于浮力时，根据牛顿第二定律，管线就可以克服浮力，产生向下加速度，将管线沉至河底，完成施工。关于配重方式，我们用钢筋做好石笼，用石笼跨管，然后向石笼中抛石，既简便易行，又安全永久可靠。
根据这三条技术原理，我们进行了管线变形计算、强度计算、水流冲击计算，从而论证了“带气带压、带水开挖、配重沉管”抢险技术的可行性。
1、沉管变形计算
管线沉管总水平长度为500米，其中河中沉管100米，滩地沉管400米。管线为弹性体，允许曲率半径R≥900米。经勘测，滩地与河底管线高程差为3米，所以管线由河底向滩地呈平行四边形向前沉落，管线总长度相等。以30米为一沉降段，高程差为3米，经计算（过程略）曲率半径为3750米，大于900米的曲率半径要求。所以沉管变形是在弹性限度内，属于弹性变形，安全可靠。
2、强度复核
管线在滩地沉管400米，每个30米设一支撑，管线可以按筒支梁计算其受力，属静定结构梁。管线在河中沉管100米，可按一侧固定，一侧简支梁计算其受力，属于一次超静定结构梁。经计算（过程略）管线在沉管过程中产生的应力小于允许应力，结果如下：
4.36N/mm <[ ]=100N/mm
57.25N/mm <[6]=150N/mm
3、水流冲击
水流速度小于1m/s，管现在水中沉管100米，每个25米用棕绳和绞磨固定，减少水流冲击对管线产生的弯矩和应力。经过计算（过程略）水流冲击管线所产生的应力远远小于管线的允许应力，结果如下：
48.45N/mm <[6]=150N/mm
经过理论论证，结合多年的施工经验，如果出现漂管，管道内有大量的天然气正在运行，可以进行抢险将管道埋入河底，我们认定“带气带压，水下开挖、配重沉管”的抢险技术方案是切实可行的。
三、施工方法
1、水下开挖
先将滩地挖宽14米，长400米明沟，露出管线500米（包括河中露管），使管线有充分的长度和活动的余地，滩地管线每隔30米设一支墩，支墩要做好保护措施，避免损坏管道防腐层，注意漏出管道要先用棕绳先固定好，燃后再将滩地挖宽，河中每隔25米用棕绳固定管道（棕绳坚固在上游地锚上），棕绳和管道接触处要棉布厚垫，以免损坏防腐层。然后操作工人驾驰浮船用高压水枪搅动管下河沙，用污水泵将河沙抽走，遇到石头后，人工下河捆绑用吊车吊上河岸边，从而使管线下部形成沟渠，沟渠深度可以用探杆检测。
2、石笼制作
在水下开挖的同时，进行石笼制作，用钢筋制作焊成石笼。为了防止抛石时破坏管线，用麻绳和棉布将竹纰固定在钢筋笼上，或用海绵用麻绳和棉布将竹纰固定在钢筋笼上，然后用无纺布护在竹纰外侧，以保护管线，以免损坏管道防腐层。
3、沉管试验
经计算，管线在水中浮力为204kgf/m。为了确定204kgf/m的抛石量，在抛石沉管前先作实验。方法是：取3m 914×7管线，两端加盲板旱死，形成封闭容器，抛入水中，跨上石笼，事先准备好石块，然后抛石。当抛石40cm时，管线处于平衡状态。再均匀抛入少量石头，管线便徐徐下沉。 4、配重沉管
当管線下的沟渠挖到设计标高，便将预制好的石笼跨在管线上，石笼底部编好铁丝网，上面铺上海绵等缓冲物，以免损坏管道的防腐层，然后用人工方法，均匀向石笼里抛石。根据沉管试验，先将石头抛进石笼40cm，使管线处于平衡状态，然后在均匀向石笼抛石，使管线由河流向滩地呈平行四边形推进，逐段将管线沉入河底。
四、安全措施
带气带压、带水开挖、配重沉管必须在确保安全稳定输气的前提下进行。因此，在沉管工作中，必须防止管线发生变形和开裂，措施如下：
1、防止管线变性措施
管线发生变形将使管线无法通球清管。管线变形主要原因是机械撞击。所以石笼制作时，必须绑竹纰，护无纺布，防止抛石时砸伤管线。水下挖沙，严禁水工设备碰撞管线。
2、防止管线开裂措施
管线开裂原因是承受弯矩过大。因此在沉管时必须控制管线承受的弯矩。为此要控制均匀布荷载和支点间距离。当管线裸露以后，要及时石笼跨管，抛石配重，抛石高度约40cm，使管线受力处于平衡状态，然后均匀少量抛石，使管线徐徐沉入河底。滩地支墩要控制在30米以内。撤支撑墩时，要慢慢下撤，以免管线承受弯矩过大而发生破坏。对于河中漂浮的管线，要用地锚系棕绳把管固定，固定点之间距离不大于25米，以免水流冲力将管线冲弯破坏。
3、管线断裂抢险措施
万一管线发生断裂、泄漏天然气，则立即组织抢险。其方法是：关闭漏点两侧截断阀门，打开放散阀门，通过放散管进行天然气放散，当天然气泄到常压时，注意放空时要控制放空压力，不要产生负压，使管道里的压力大于外部的压力，以免空气或水进入管道里，对管线开裂部位进行补焊。补焊抢修的方法是制作一个抢险作业水箱，安装在管线上，把水箱里的水抽干，对管线开裂部位进行补焊。补焊时，先用手电钻将裂缝两端钻眼，消除应力，然后打坡口补焊，补焊后将裂缝处焊一块加强版。补焊完毕，打开两端截断阀门，继续输气。
五、适用范围
1、水下开挖、配重沉管的施工工艺适用于新建管线穿越河流的敷设安装。新安装管线穿河段要敷设在河床下并加重配重。采用这一施工工艺可以带水开挖到设计高程，跨上石笼，抛石配重，把管线沉入河底、达到设计要求。
2、水下开挖、配重沉管的施工工艺适用于已输入介质正在运行的管线维修。当河流改道或河床变深，将管线飘起在河面上，可以将管线水下沟渠开挖到一定长度，利用管线敷设的高程差或敷设的，跨石笼，加配重，把带介质的运行管线沉入河底。
3、水下开挖、配重沉管的施工工艺一般在枯水期施工。当河水较浅，水流平稳时，水下沟渠不宜塌方落淤，施工进度快，质量好，效果显著。较急时，可以将水下开挖加宽，加深，并加快沉管进度，避免水下沟渠过快塌方落淤，使沟渠达不到设计高程。
4、当河水过深，水流过急，使水下开挖设备难以作业无法施工，或者水下开挖难以形成沟渠，不断开挖不断被水冲垮，不能形成较深沟渠，此技术方案不能采用。
[關键词]带气带压 水下开挖 配重沉管；
中图分类号：TE 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）08-156-01
一、概述
天然气长输管线穿越河流的管段由于河水改道等原因很可能发生飘管。飘管达到一定长度产生弹性，若不及时将管线沉到河底，很可能被洪水冲断，酿成停气事故。滦河古称濡水，华北地区大河之一。发源于河北省北部，张家口市境内的巴彦古尔图山北麓，向北流入内蒙古自治区，此段称为闪电河。后向东南急转进入河北省东北部，一直向东南流入渤海，全长885公里，总流域面积达4.46万平方公里，基本都在河北省境内。主要支流有武烈河、青龙河等，它穿越长城的地方形成长城的一座关口—喜峰口，流经较大城市只有承德。滦河沿岸风景秀丽，郦道元在《水经注》中就曾经提到过濡水（滦河的古名）支流武烈水畔的“磬锤峰”。2005年8月12日，大滦河发生了一百年一遇的特大洪水。大滦河的重要支流小河由于河水改道，将滩地管线冲开，使管线在河上飘起50多米。为了在汛期到来之前将管线沉到河底，大唐公司委托石油天然气管道勘察设计院进行设计。该设计是常规施工技术，“威堰导流，打水降水，挖土沉管”。这一技术方案的施工工期约六个月，工程设计概算276万元。经过与河北省省航运公司等单位议标，工程预算为291万元。这一技术方案有两个“不允许”，一是工期不允许。六个月的工期无法在汛期到来之前沉管，确保管线在汛期的安全运行。二是造价不允许。276—291万元的工程造价，造价太高，使企业难以承受。于是我们开发创新了“带气带压、带水开挖、配重沉管”抢险革新技术。
二、技术原理
带压沉管革新技术的原理是：
第一，管线可以弹性变形。管线可以有一定限度的弯曲，管线在一定细长比条件下，可以发生弹性变形，管线不会受到损坏影响。例如：管线可以在地上排管组队焊接，用专用吊管机进行下管作业，一条龙整体下管。关键在于管线的弹性变形所发生的曲率，必须使之曲率半径大于允许曲率半径的范围。大唐公司长输管线的曲率半径允许值是大于等于900米。根据管线弹性变形原理，经过计算，我们认定管线在一定开挖长度条件下，完全可以将管线沉入河底。
第二，水下可以挖掘沟渠。不通过围堰导流，打井降水，在水下可以挖掘沟渠。航道疏道就是这个原理。其施工工艺是用螺旋钻或高压水枪把河底沙床搅动起来，然后用污水泵将含沙河水抽走（含沙量在15—20%），从而将河底挖出沟槽。
第三，配重可以沉管。做好配重块，配重块压在管线上，通过配重给管线向下加力，当管向下受力大于浮力时，根据牛顿第二定律，管线就可以克服浮力，产生向下加速度，将管线沉至河底，完成施工。关于配重方式，我们用钢筋做好石笼，用石笼跨管，然后向石笼中抛石，既简便易行，又安全永久可靠。
根据这三条技术原理，我们进行了管线变形计算、强度计算、水流冲击计算，从而论证了“带气带压、带水开挖、配重沉管”抢险技术的可行性。
1、沉管变形计算
管线沉管总水平长度为500米，其中河中沉管100米，滩地沉管400米。管线为弹性体，允许曲率半径R≥900米。经勘测，滩地与河底管线高程差为3米，所以管线由河底向滩地呈平行四边形向前沉落，管线总长度相等。以30米为一沉降段，高程差为3米，经计算（过程略）曲率半径为3750米，大于900米的曲率半径要求。所以沉管变形是在弹性限度内，属于弹性变形，安全可靠。
2、强度复核
管线在滩地沉管400米，每个30米设一支撑，管线可以按筒支梁计算其受力，属静定结构梁。管线在河中沉管100米，可按一侧固定，一侧简支梁计算其受力，属于一次超静定结构梁。经计算（过程略）管线在沉管过程中产生的应力小于允许应力，结果如下：
4.36N/mm <[ ]=100N/mm
57.25N/mm <[6]=150N/mm
3、水流冲击
水流速度小于1m/s，管现在水中沉管100米，每个25米用棕绳和绞磨固定，减少水流冲击对管线产生的弯矩和应力。经过计算（过程略）水流冲击管线所产生的应力远远小于管线的允许应力，结果如下：
48.45N/mm <[6]=150N/mm
经过理论论证，结合多年的施工经验，如果出现漂管，管道内有大量的天然气正在运行，可以进行抢险将管道埋入河底，我们认定“带气带压，水下开挖、配重沉管”的抢险技术方案是切实可行的。
三、施工方法
1、水下开挖
先将滩地挖宽14米，长400米明沟，露出管线500米（包括河中露管），使管线有充分的长度和活动的余地，滩地管线每隔30米设一支墩，支墩要做好保护措施，避免损坏管道防腐层，注意漏出管道要先用棕绳先固定好，燃后再将滩地挖宽，河中每隔25米用棕绳固定管道（棕绳坚固在上游地锚上），棕绳和管道接触处要棉布厚垫，以免损坏防腐层。然后操作工人驾驰浮船用高压水枪搅动管下河沙，用污水泵将河沙抽走，遇到石头后，人工下河捆绑用吊车吊上河岸边，从而使管线下部形成沟渠，沟渠深度可以用探杆检测。
2、石笼制作
在水下开挖的同时，进行石笼制作，用钢筋制作焊成石笼。为了防止抛石时破坏管线，用麻绳和棉布将竹纰固定在钢筋笼上，或用海绵用麻绳和棉布将竹纰固定在钢筋笼上，然后用无纺布护在竹纰外侧，以保护管线，以免损坏管道防腐层。
3、沉管试验
经计算，管线在水中浮力为204kgf/m。为了确定204kgf/m的抛石量，在抛石沉管前先作实验。方法是：取3m 914×7管线，两端加盲板旱死，形成封闭容器，抛入水中，跨上石笼，事先准备好石块，然后抛石。当抛石40cm时，管线处于平衡状态。再均匀抛入少量石头，管线便徐徐下沉。 4、配重沉管
当管線下的沟渠挖到设计标高，便将预制好的石笼跨在管线上，石笼底部编好铁丝网，上面铺上海绵等缓冲物，以免损坏管道的防腐层，然后用人工方法，均匀向石笼里抛石。根据沉管试验，先将石头抛进石笼40cm，使管线处于平衡状态，然后在均匀向石笼抛石，使管线由河流向滩地呈平行四边形推进，逐段将管线沉入河底。
四、安全措施
带气带压、带水开挖、配重沉管必须在确保安全稳定输气的前提下进行。因此，在沉管工作中，必须防止管线发生变形和开裂，措施如下：
1、防止管线变性措施
管线发生变形将使管线无法通球清管。管线变形主要原因是机械撞击。所以石笼制作时，必须绑竹纰，护无纺布，防止抛石时砸伤管线。水下挖沙，严禁水工设备碰撞管线。
2、防止管线开裂措施
管线开裂原因是承受弯矩过大。因此在沉管时必须控制管线承受的弯矩。为此要控制均匀布荷载和支点间距离。当管线裸露以后，要及时石笼跨管，抛石配重，抛石高度约40cm，使管线受力处于平衡状态，然后均匀少量抛石，使管线徐徐沉入河底。滩地支墩要控制在30米以内。撤支撑墩时，要慢慢下撤，以免管线承受弯矩过大而发生破坏。对于河中漂浮的管线，要用地锚系棕绳把管固定，固定点之间距离不大于25米，以免水流冲力将管线冲弯破坏。
3、管线断裂抢险措施
万一管线发生断裂、泄漏天然气，则立即组织抢险。其方法是：关闭漏点两侧截断阀门，打开放散阀门，通过放散管进行天然气放散，当天然气泄到常压时，注意放空时要控制放空压力，不要产生负压，使管道里的压力大于外部的压力，以免空气或水进入管道里，对管线开裂部位进行补焊。补焊抢修的方法是制作一个抢险作业水箱，安装在管线上，把水箱里的水抽干，对管线开裂部位进行补焊。补焊时，先用手电钻将裂缝两端钻眼，消除应力，然后打坡口补焊，补焊后将裂缝处焊一块加强版。补焊完毕，打开两端截断阀门，继续输气。
五、适用范围
1、水下开挖、配重沉管的施工工艺适用于新建管线穿越河流的敷设安装。新安装管线穿河段要敷设在河床下并加重配重。采用这一施工工艺可以带水开挖到设计高程，跨上石笼，抛石配重，把管线沉入河底、达到设计要求。
2、水下开挖、配重沉管的施工工艺适用于已输入介质正在运行的管线维修。当河流改道或河床变深，将管线飘起在河面上，可以将管线水下沟渠开挖到一定长度，利用管线敷设的高程差或敷设的，跨石笼，加配重，把带介质的运行管线沉入河底。
3、水下开挖、配重沉管的施工工艺一般在枯水期施工。当河水较浅，水流平稳时，水下沟渠不宜塌方落淤，施工进度快，质量好，效果显著。较急时，可以将水下开挖加宽，加深，并加快沉管进度，避免水下沟渠过快塌方落淤，使沟渠达不到设计高程。
4、当河水过深，水流过急，使水下开挖设备难以作业无法施工，或者水下开挖难以形成沟渠，不断开挖不断被水冲垮，不能形成较深沟渠，此技术方案不能采用。