陈亮

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

管道输水工程开槽穿越河流的开挖及降排水研究

陈亮

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

河流穿越工程成功与否的关键工作是施工导流与施工期降排水。辽河穿越工程施工，采用挖掘机结合挖泥船的开挖方案，在保证效率的同时降低了成本；采用井点降水的方式，在理论计算的基础上结合工程经验，合理确定井点降水参数，成功在2.5 km的河床内实现全部干地施工；通过科学合理的导流、降水、开挖方案，成功压缩工期4个月，节约建设成本约300万元。

管道输水工程；穿越河流；挖泥船开挖；井点降水

1 工程概况

河流穿越工程作为各类线性工程的组成部分，决定着工程的建设工期与经济效益，甚至整个工程的成败，而河流穿越工程的施工期降排水是决定整个工程成败的关键。某工程穿越辽河段，位于辽宁省沈阳市法库县境内，属于辽河中游地区。工程从东至西穿越辽河，工程桩号C093+533.6—C096+050，线路长2.5 km，设计采用4根直径3.2 m的钢管同槽布置，钢管外包钢筋混凝土。主河床宽度为170 m，其余皆为滩地施工。钢管单节长度12 m，重24 t/节，焊接接口。

管道工程穿越河流的方式，主要分开槽施工和不开槽施工两大类，该工程根据工程实际并结合投资评价，采用开槽施工方式。

2 水文气象及地质条件

工程所在地区多年平均气温为6.8℃，最高气温为35.9℃，最低气温为-30.5℃。最大冻土深度大于1.50 m。辽河枯水期汛后流量为229 m3/s。

管道斜穿河道，地貌单元为河漫滩地貌，主要由第四纪全新统冲洪积组成，地势开阔，地形起伏较大，地面高程67.0～72.5 m，在穿越段附近，河流成S形流向下游侧，分别于左岸穿越段的下游侧及右岸穿越段的上游有河道变化形成大型河湾水域与主河道相连；河道两侧建有防洪堤坝。

地下水位埋深为2.6～3.0 m，河床与河道两侧地下水位标高相差不大。地下水类型为第四系孔隙潜水，主要接受大气降水及地表水补给，并以地下水径流的方式排泄于下游，主要含水层为粉细砂层，中等透水性，洪水期河水补给地下水。2013年8月16日特大洪水后，地下水埋深明显提高，目前实测埋深约为1.2 m。

饱和粉细砂地层施工中易产生流砂、管涌等现象，并且具有高度的灵敏度、触变特性，极易造成沉降过大或塌方现象。

辽河主河床段与管线穿越段横断面地形相对河滩部分略低，最大高差为3 m，最小高差为1 m，断面有不规则起伏，河床断面最大通水量为220 m3。

3 施工降排水

3.1 沟槽降排水

地下水控制工程的主要方法有基坑明沟排水、轻型井点降水、喷射井点降水、电渗井点降水、深井井点降水等几种。该工程结合实际情况，选择轻型井点降水作为主要降水措施。

轻型井点降水系在工程处围竖向埋设一系列井点管深入含水层内，以连接管与集水总管连接，再与真空泵相连，进行抽水，使地下水位降低到基坑底以下。主要设备由井点管、连接管、集水总管及抽水设备等组成。该法具有机具设备较简单，使用灵活，装拆方便，降水效果好，可防止流砂发生提高边坡稳定，降水费用较低等优点。[7]

重要的参数有渗透系数、井点布置、埋置深度、涌水量计算等，下面分别予以简要介绍。

3.1.1 渗透系数

根据建筑施工计算手册表3-1,结合工程的地质条件，渗透系数K值在1～20 m/d之间，结合施工经验，该工程取6 m/d。

3.1.2 井点布置

根据基坑平面形状与大小、地质和水文情况、工程性质、降水深度等而定。当基坑（槽）宽度小于6 m，且降水深度不超过6 m时，可采用单排井点，布置在地下水上游一侧；当大于6 m或土质不良、渗透系数较大时，宜采用双排井点，布置在基坑（槽）的两侧。[7]

结合施工现场情况，该工程为单排布置，间距6 m，管径30 cm。

3.1.3 埋设深度

工程沟槽最深13 m，要求地下水位降到槽底0.5 m以下，且基槽远离井点一侧要求降深低于开挖基底不少于0.5 m，综合考虑最小降深为13.5 m。

管井的埋置深度应根据降水深度及含水层所在位置决定，一般必须将滤水管埋入含水层内，并且比开挖基坑（沟、槽）底深0.9～1.2 m以上。

式中：H——井点管的埋置深度，m；H1——井点管埋设面至基坑底面的距离，取13 m；h——基坑中央最深挖掘面至降水曲线最高点的安全距离，一般为0.5～1.0 m；L——井点管中心至基坑中心短边距离，m；i——降水曲线坡度，与土的渗透系数、地下水流量等因素有关，根据工程实测确定位0.3；l——滤水管长度，取2 m。

H计算出后,为安全计，再增加1/2滤管长度。井点管露出地面高度，一般取0.2～0.3 m。经计算，H≥20.7 m，取H=21 m。

3.1.4 涌水量计算

根据建筑施工计算手册，基槽渗水量：

式中：Q——单井涌水量；K——渗透系数；H0——有效带深度；R——抽水影响半径；S——水位降低值；X0——井点的半径。

根据设计图纸可知，马道处降水管井所覆盖的沟槽宽度约36.5 m，沟槽长度暂定为100 m，实际开挖时根据开挖长度延长管井布置位置即可。开挖沟槽的长宽比小于5，故可以将开挖沟槽假想成为半径为X0的大井，X0=（36.5×100÷3.14）×0.5 =34.1 m。经计算，Q=6 321 m3/d。

3.2 抽水设备选择

管井井点降水每一个管井单独用1台水泵进行抽水以降低地下水位。由于工程降水深度较大，考虑到潜水泵安装简便、耗能少、效率高、成本低，可采用深井泵式潜水泵。根据管井井点的进水量，选用潜水泵型号为150QJ32－30。

3.3 打井强度分析

马道开挖完成后，在马道上开挖降水管井，管井间距为6 m，深度16 m，直径30 cm，粉细砂部位采用粘土封口，膨润泥浆固壁成井。300 m沟槽共102眼井，根据以往经验，单台打井机施工强度为4眼/d。投入5台打井机用时5.2 d即可完成打井任务，实际安排7 d。

3.4 注意事项

由于沟槽上开口较宽，沟槽四周地下水位比较高，在整个施工过程中不间断有带压水流向开挖面，因此施工降水应从挖泥船开挖完第二层上岸后开始，持续到分段回填施工结束。在该过程当中，注意马道处井点降水速度大于基坑底部降水，这样可以保证地下水渗透压力不会作用在沟槽边坡上，从而保证沟槽边坡稳定。

4 沟槽开挖

4.1 穿越段施工断面设计

辽河穿越段沟槽开挖深度为8～12 m，沟槽分两层布置，沟槽底层开挖高度为5 m，开挖坡比动荷载一侧1.00∶1.75，静荷载一侧开挖坡比为1.0∶1.5；沟槽底层上口宽34.5 m，两侧各预留2 m宽的马道，沟槽顶层开挖高度为3～6 m，开挖坡比动荷载一侧1.00∶1.75，静荷载一侧开挖坡比为1.0∶1.5，沟槽顶口约宽59.3 m。穿越输水管线为4× DN3200钢管，管道设计压力为1.6 MPa，管间距为4 m，管线路长2 260 m，单节供应长度12 m，重24 t/节。基础为10 cm厚C20混凝土垫层，钢管360°外包C30混凝土（直径处50 cm厚）；桩号C93+615.1～C94+890和桩号 C95+067～C95+911为河滩部分，桩号C94+890～C95+067为主河床部分。断面设计图见图1。

沟槽土方开挖按照300 m一个循环进行开挖，具体开挖分为3层，表层0.5 m部分土方开挖，采用挖掘机开挖，装载机运输至表层土的堆土区。

图1 管线穿越纵断面设计图

4.2 第一层开挖

1）平面布置

采用2台液压反铲将开挖沟槽处的剥离表土以下4 m部分，沿纵向退挖甩土出槽后，再用装载机运至堆土区。 第一层开挖后初步形成的开挖沟槽，在沟槽蓄水后，为第二层挖泥船开挖创造下水作业条件。

2）功效分析

第一层开挖配备为3台1.6 m3挖掘机和5台ZL50装载机。开挖深度4 m，开挖方量61 200 m3。采用挖掘机开挖、装载机将开挖土倒运至堆土区，推土运距最大140 m、最小100 m。

装载机每天工作20 h可运土1 528 m3，5台装载机用时8.29 d可运输完成；挖掘机每天工作20 h，可挖土3 440 m3土方，3台挖掘机5.9 d可完成开挖。施工周期按照9 d安排，平均每天开挖33 m。

4.3 第二层开挖

第二层开挖至沟槽底高程以上1 m，该层开挖高度6 m，沟槽深度按管道埋深6 m覆土考虑。主要采用挖泥船开挖，辅以挖掘机开挖，挖泥船开挖时预留马道部分和边坡开挖不到设计开挖边线的部分采用挖掘机开挖整修到位。

1）挖泥船

穿越辽河土方开挖采用挖泥船开挖，挖泥船也可叫作抽沙平台,是指利用水力的作用,将高压水枪喷射出的水柱冲起的淤泥（或细沙、海沙等）在水泵的作用下由管道输送到目的地，船与抽沙设备一体，成本低、效率高，能从水下0～30 m抽沙；易可破泥层，从深水中提取泥砂。绞吸挖泥船具有挖掘、输送和沙浆处理各个工序一次性完成的能力，能够进行连续抽砂作业。

挖泥船在该层开挖过程中主要作用是降水和开挖最中间部位（运距最远）的土方，为了避免挖泥船开挖时造成边坡塌方和超欠挖现象，开挖边线略小于设计开挖边线，开挖边坡为1∶1，一个标准段长度为300 m。挖泥船布置见图2。

图2 挖泥船断面布置示意图

2）液压反铲修整边坡

挖泥船在进行第二层土方开挖时，挖泥船开挖每层开挖深度为2 m左右，基坑水位随着开挖高程降低而降低，即当进行挖泥船第二层开挖时，其第一层开挖2 m边坡已经裸露出来，由于挖泥船开挖基坑高程低于裸露边坡，所以土壤中的地下水也渗透至开挖基坑中，裸露边坡地下水含量比较低，此时采用传统土方设备开挖，最终形成设计开挖断面，见图3。

图3 边坡修整断面布置示意图

3）功效分析

该工序使用1700型挖泥船型挖泥船开挖。根据以往施工经验和厂家提供指标可知，一台挖泥船开挖强度为设备功率20%，由此可以及时每天工作20 h，1700型挖泥船日开挖6 800 m3/d。第二层开挖方量为52 500 m3，1台挖泥船用时7.8 d即可完成开挖。考虑设备检修等影响因素，该工序实际施工安排12 d。

边坡整修开挖方量为4 920 m3，1台挖掘机用时1.5 d即可完成开挖。边坡开挖和修整作业基本与挖泥船同时进行，不占用总的直线工期，仅占用紧后工期。此工序使用挖掘机开挖和装载机倒运，沟槽两侧各用2台挖掘机开挖，每2台通过倒运，其功效等于1台，另外2台分别位于堆土区用于堆土，可以满足开挖强度要求。

4.4 第三层开挖（基底整修）

挖泥船开挖沟槽时，出于对基础底部的保护，沟槽底部留有1 m厚的土体，当采用井点降水达到沟槽底部0.5 m以下时，此时采用液压反铲结合装载机等设备，开挖边坡下半部分和沟槽底部，最终形成设计断面。基底部分开挖土通过装载机运输到沟槽的一端头。在沟槽端头通过挖掘机进行倒运，运至沟槽上开口开挖边线以外。

4.5 土方开挖总结与注意事项

采用土方设备和挖泥船结合作业，不但可以提高开挖速度，减少土方倒运量，降低施工成本，同时还可以有效控制开挖成形的控制，有效控制超挖，杜绝出现欠挖。

施工前由测量工程师放出沟槽上口开挖边线，在沟槽两端设置开挖的两端打桩做醒目标记；推土机依照沟槽开挖线进行表土的清理施工，开挖沟槽。

沟槽开挖采用跳格法，依照划分的施工段进行沟槽开挖。

挖泥船将高压水枪喷射出的水柱冲起的淤泥（或细沙等）在水泵的作用下由排砂管道输送到土方堆存区域，采用2 m3挖掘机进行堆土。

将开挖的表层土堆放在河流的迎水面一侧，在堆土的过程中，按照上述围堰标准修筑施工围堰。因河水已经通过导流明渠排往下游侧，此围堰作为施工安全防护措施存在。

5 结语

该工程按上述方案实施施工与降排水，2014年2月成功截流，2014年11月完成土方开挖112万m3、降水井840眼、管道安装10 068 m、混凝土浇筑9.7万m3等主要建设任务，成功实现了辽河穿越施工，并压缩工期4个月，节约工程投资约300万元。

通过对辽河穿越工程实例的介绍与分析，得出以下结论：

1）河流穿越工程是线性工程的关键工作；施工导流与施工期降排水是河流穿越工程的关键工作；粉细砂类地质条件适合井点降水，在理论计算基础上结合工程经验，合理确定降水井参数，实践效果非常好，主河床内能够全部实现干地施工。

2）沟槽开挖采用反铲挖掘机与挖泥船相结合，在保证效率的同时，提高了经济性，使工程成本大幅降低，值得系统研究及推广。

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.建筑施工计算手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

2016-03-29