垂直頂升技術應用探討

陳 閩，黃永富

（1.浙江省杭州市七格污水處理廠工程建設指揮部，浙江 杭州310000；2.中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212000）

1 垂直頂升工藝介紹

1.1 垂直頂升工藝應用

垂直頂升作為一種進排水口實施工藝，在國內外沿海沿江地區(qū)得到廣泛應用，已經逐步應用于建造火力發(fā)電廠、石油化工、城市取水口、污水處理廠等大型進排水口的施工［1，2］。垂直頂升工藝代替了以往采用筑島圍堰法、浮運沉井法、預制沉放法或海上鉆井法等施工法，不僅加快施工進度，避免對航道的影響，也大量節(jié)省了工程投資［3］。此外，用此法建成的進排水管道比傳統(tǒng)的要長得多，可伸入海域較遠處，以取得較為潔凈的水源或排污水于遠海之中。

1.2 垂直頂升工藝原理

垂直頂升是在已經完成的管道內，安裝移動頂升支架，將加工好的頂升管節(jié)從井區(qū)內運送到預留口處，頂升管與預留管連接后，用頂升支架上的千斤頂，將頂升管一節(jié)一節(jié)頂出主管道，一般采用悶頂方式，穿破覆蓋土層，到達指定高度或露出河床，隨后在水下揭去頂蓋，安裝單向閥門形成排放口，使進排水管道與江海中的水域連通（圖1、圖2）。

圖1 垂直頂升施工環(huán)向剖面

圖2 垂直頂升施工縱剖面

2 應用工程實例

2.1 工程概況

杭州市某污水處理廠三期排江工程，其設計排放規(guī)模為60萬t／d。排江主管為鋼管和砼管組合管，前部有垂直頂升的部位是DN2880的鋼管，其余是DN2400的砼管道。工程共設有11根垂直頂升管，其中主排放管9根，應急排放管2根，間距為11m設置一根；設計頂升管內徑1m，外徑1.04m；受主管道空間和頂進設備的影響，預設單節(jié)管段長度為91cm。每條豎管長度在20m左右，具體長度見表1、圖3。

表1 豎管數(shù)據(jù)

圖3 主排放管垂直頂升管道剖面

2.2 地質水文資料

豎管頂升均在錢塘江底的管道內進行，錢塘江屬感潮型河流，呈不規(guī)則半日潮型，水位直接受潮汐影響，變幅較大；平均潮位4.10m，最大潮差4.90m；河床泥面標高受潮汐影響變化大。豎管所經過的土層依次為：③－4粉質粘土夾少量粉砂、③－3淤泥質粘土夾少量粉砂、③－2粉質粘土夾少量粉土、②－2粉土夾粉砂、②－1砂質粉土和①層的砂質粉土。其中在①層中有少量拋石。根據(jù)地質資料反映的土層各類參數(shù)見表2。

表2 各類工層參數(shù)

2.3 工程實施情況

該工程頂升管是在頂管完成395m和458m后進行的，11月30日進行首根施工，至12月24日完成4根80m的頂升任務，前期兩根管采用日班制實施，平均7d完成1根，后期采用兩班制，平均4d完成1根，包含了設備移位和安裝的時間。正常情況下，1d可以完成4～5節(jié)段，合理的頂升工期為60d，最終完成時間是1月26日，58d完成11根頂升管，與總計劃安排一致。

3 垂直頂升實施過程

3.1 頂升工藝流程

3.1.1 前期準備

用于頂升的主管道進場并檢驗合格后，安裝頂升套管、悶頭、頂升頭（預埋管）、止水裝置以及焊接加強環(huán)板等。主管道頂進時注意保持預埋口的中心位置在管道頂部，防止旋轉偏移。在主管道頂進到位后，豎管頂升之前，進行管外壁的泥漿置換，將水泥漿壓入管外壁，置換原先潤滑膨潤土泥漿，置換壓力控制在2～3MPa。

3.1.2 工藝流程

垂直頂升工藝流程見圖4。

3.2 豎管頂升施工

3.2.1 垂直頂升設備安裝

將垂直頂升設備包括反力架、千斤頂、墊塊、油泵車、焊機以及通風用射流風機等，從井區(qū)將設備運送到垂直頂升預埋管下方，頂升反力架底座采用50mm厚鋼板作為擴散面。鋼板安裝于主管道加強肋板上，底部用沙子填充密實。主頂油缸采用4只1 500kN千斤頂。千斤頂應水平安置在鋼板后座上，安裝千斤頂必須使安裝軸線與頂管軸線一致，使垂直頂升反力架中心及位置與預埋管中心及位置一致，然后調整垂直頂升反力架水平度，調整好后的反力架應適當固定，防止頂升過程中產生頂力偏差，導致頂管軸線偏移。

圖4 頂升工藝流程框

圖5 頂升管洞口預置斷面

3.2.2 止水裝置安裝

垂直頂升止水是頂升的關鍵，所以止水裝置的設計和安裝至關重要，本工程止水結構如圖，分兩個過程實施的，首先是預埋管時安裝兩道橡膠止水圈。頂升施工時再安裝止水軋?zhí)m，和兩根F50油盤根止水，軋?zhí)m片與預埋套管法蘭用M20螺栓連接，以利于壓緊調整間隙達到止水效果。

3.2.3 管節(jié)對位

頂升管節(jié)采用小車運輸就位，在垂直頂升的設備安裝時將垂直頂升底座上滑軌高度與主管道內運輸軌道保持一致，管節(jié)通過小車運輸?shù)酱怪表斏恢煤?，利用滑軌和手拉葫蘆使管節(jié)與已頂升管節(jié)連接。就位后的對接采用上下管口焊接限位塊，利用頂升主千斤頂頂升對攏。檢查對口誤差合格后進行焊接防腐等工序。

3.2.4 頂升施工

開始頂升時由于悶頭與套管之間有一定粘附力，頂力可能較大，此時應調好溢流閥將總頂力控制在1 000～1 200kN，在頂升過程中，逐步調高油壓。在初頂階段應密切注意，若發(fā)現(xiàn)豎管垂直度略有偏差應及時調整總頂力作用點，確保豎管垂直度。當管節(jié)頂升一定高度，須注意垂直頂升頂力，若反力大于1 200kN應繼續(xù)頂升10～20cm，油壓持續(xù)5min后，回縮千斤頂10～20cm，此時靜止反力會降下來。當靜止反力小于1 200kN時，再用鋼支撐固定豎管，回縮千斤頂，安裝下一節(jié)管節(jié)。止退裝置采用焊接鋼支撐架來完成。

3.2.5 頂升與主管固結

當豎管管節(jié)頂升至設計高度時，從底部預留壓漿孔向套管外壓水泥漿進行注漿處理。待漿液凝固后再拆除止水軋?zhí)m，并焊接密封壓板及固定板，最后回縮千斤頂。

3.3 施工技術要點

3.3.1 管道底部加固

由于實施垂直頂升時，在豎管處管道將受集中荷載，該處荷載是以施工設備荷載、管節(jié)自重、正面土壓力、管壁摩阻力、水壓力等組成。預計頂力為達300～400t。為防止豎頂引起鋼管破壞，除了鋼管自身的強度加固外，在豎頂區(qū)域底部通過壓漿孔預先對鋼管外側進行壓密注漿加固，注漿壓力控制在2.4～2.5MPa，從而增加管道特殊段底部土體強度，長度為豎頂段兩端延伸至11m，計算管底承載力T。

L2為3節(jié)管道長11m；P為下臥層地基承載力150kN／m2（地基加固后）。根據(jù)公式得T＝2.88×11×150＝4 752kN。

3.3.2 頂升架安裝

在頂升裝置安裝時，首先要平整、墊實、強制對中，使安裝軸線與頂管軸線一致，確保立管的準確度。豎頂反力架要形成一個鋼性整體，豎頂反力擴散到11m長度的鋼管上。

3.3.3 止水裝置的安裝

止水裝置安裝要點是裝置中的法蘭片均要精加工，保證鋼管和套管的圓度；悶頭的結構要承受水平頂力的傳遞，還要承受豎頂時的正面阻力的作用；止水橡皮的邵氏硬度比一般的管節(jié)止水橡膠圈稍大些，延伸率相對則小些，應選擇耐磨性高的材料加工制成；施工過程中增加兩道油盤根輔助止水；套管上預裝兩個注漿孔，以備緊急情況下注漿止水。

3.3.4 頂升壓力減少措施

為了減小豎管的頂升阻力，現(xiàn)在頂升管悶頭板上埋設φ20高壓閘閥1只，另外設置φ50出泥泄壓孔一只，當垂直頂升時壓力較大時，可以通過φ20閘閥向外進行高壓沖水，沖出的泥漿由φ50出泥泄壓孔中排出，這樣可以減少垂直頂升時的正面阻力。排出的泥漿通過管道排至泥水箱中后運出管外。另外加工2～3根φ1 400的鋼套管應急備用，在頂升困難時，上述措施不能解決頂升時，由水中振動沉下，進行空氣吸泥以減小豎管正面阻力，從而確保豎管頂升順利完成。

3.3.5 其他輔助措施

在豎頂施工過程中，對鋼管管道沉降初值進行觀測，豎管頂升時，應采取水準儀觀察鋼管沉降情況，沉降報警值定于＜25mm，該豎頂處的沉降量大于報警值時，施工人員應立即上報技術管理部門，待綜合觀察其他鋼管的情況后，采取相應措施后再繼續(xù)實施。每根管節(jié)接管時要求平直，減少累計誤差；焊接完畢后，外環(huán)需要打磨平滑，以防損壞止水橡膠。每節(jié)頂管結束后，需燒焊防管段后退（下滑）支撐裝置，以防止接管管段下滑。在接管時，應先測量豎管直徑，其直徑大于設計直徑1cm時，即不可使用。采用壓配重和調整中繼站千斤頂方向相結合，有效解決管道偏轉問題。

4 結語

頂力和頂升長度關系見圖5。

圖5 距離和壓力關系

通過對前面4根管道頂升數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，可以看出頂升管的最大頂力是在頂升第5節(jié)的時候，此時土體被壓縮到極限，處于剪切的臨界點，一旦突破后頂力就開始下降。垂直頂升頂力驗算（按照頂升20m計算）；摩阻力系數(shù)驗算；施工組織設計時計算摩阻力的f取值為20kN／m2，計算實際最后頂升時的頂力Fm，故Fm＝8／40×150×4＝1 200kN。

與f＝1 200／3.14／1／20＝19.11kN／m2基本吻合。最大垂直頂力F。

F＝24／40×150×4＝3 600kN，已經計算過的允許頂力T＝4 752kN，T＞F，故頂力設計是安全的。

這種施工工藝與其他傳統(tǒng)工藝相比，具有如下特點。

（1）垂直頂升施工處于已建管道內施工，施工時不受潮汐、風浪、氣候變化等自然的影響，使垂直頂升能夠“全天候”施工。

（2）施工設備簡單，不需要水上作業(yè)的大型機具和施工設備，避免了大量水上作業(yè)難度。

（3）施工工藝較其他方法簡便，施工工期短，基本上每天就能完4～5m高的管道。

（4）施工成本低，造價大大低于其他施工方法，經濟效益高。

（5）勞動力少，配合工作量小，對周圍毫無影響，提高了社會效益，減少了間接開支。

本工程排放口采用垂直頂升法施工，從地面防腐處理，垂直水平運輸直至頂升，每班有7～8人就可以進行施工。其中地面操作2人，包括垂直運輸行車司機。井下操作5～6人，包括電瓶車、油泵司機等。工程自11月30日實施，元月26日結束歷時58d完成11根豎管頂升任務，工程費用估算120萬左右，如采用水上浮運施工預計費用不少于1 000萬元，可見垂直頂升的效益明顯。

垂直頂升一般應用于盾構隧道比較多，而用于頂管管道相對較少。其主要原因包括頂管會不可避免產生管道旋轉，而盾構隧道則沒有此方面的問題出現(xiàn)，因此頂管后垂直頂升的難度大，需控制管節(jié)旋轉，調整垂直頂升預留口的偏差值；同時，頂管管道空間相對隧道則小得多，頂管內頂升反力沒有隧道內頂升大。

［1］富忠權.海底隧道垂直頂升施工止水技術［J］.建筑施工，2010，4（32）：302～303.

［2］王壽生，葛春輝.垂直頂管計算方法的探討［J］.特種結構，2009，5（26）：18～21.

［3］張貴義.鋼管混凝土頂升技術應用［J］.建設，2010（7）：50～60.