高水頭地質(zhì)條件下的垂直頂升施工技術應用與探索

施 雨

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200002

1 工程概況

1.1 工程概況

北海市鐵山港區(qū)污水處理廠排海管工程分為陸域埋管段及海域頂管段兩大部分，其中，海域頂管段分2個區(qū)間施工，頂管1區(qū)間長2 180 m，頂管2區(qū)間長1 442 m，頂管管道采用鋼管，管道外徑2 000 mm，壁厚22 mm，管中心標高為－21.5 m。在頂管2段的前部布置有29根豎向排污管，豎管間距13 m，頂升高度12.5 m，豎管采用外徑500 mm的無縫鋼管，壁厚20 mm，鋼管焊縫等級要求為Ⅱ級。

1.2 水文地質(zhì)資料

垂直頂升施工區(qū)域位于北部灣鐵山港海域內(nèi)，鐵山港區(qū)潮汐屬不正規(guī)全日潮，潮汐作用較強，是華南沿海潮差最大的海區(qū)之一，平均潮位3.0 m，高潮位6.0 m，最大潮差6 m。由于該海域存在亂拋泥現(xiàn)象，海床面被抬高了5 m。豎管頂升需穿越的土層主要為⑤中粗砂層、③砂混淤泥層及①素填土，個別豎管需穿越⑧黏性土層。

2 施工難點

2.1 中粗砂對止水密封的磨損大

垂直頂升區(qū)域的地下水壓力達到260 MPa，且地下水與海水貫通，同時頂升需要穿越⑤中粗砂層（圖1）。在頂升的過程中，砂粒會沿著豎管外壁進入止水裝置的密封內(nèi)，不斷磨損橡膠止水密封，導致密封與管外壁的間隙越來越大，在高水頭作用下，地下水滲入水平母管管道內(nèi)，最終擊穿橡膠止水密封，使整個水平母管被淹沒。因此，必須對垂直頂升的止水裝置進行重新設計，提升橡膠止水密封的耐磨性、密封性，保證施工安全，確保焊縫質(zhì)量不受止水裝置滲漏水的影響[1-2]。

2.2 地質(zhì)堅硬且層厚大，導致頂升力過大

圖1 垂直頂升管縱剖面地質(zhì)示意

地質(zhì)勘探報告顯示，在29根豎管中有少量豎管上方土體為⑧黏性土層，該層承載力特征值達到280 kPa，管頂以上厚度達到2 m。垂直頂升采用悶頂工藝，在實際頂力達到設計最大允許頂力時，由于實際頂力小于⑧黏性土層被動土壓力，所以可能出現(xiàn)豎管無法順利頂出的情況，如強行增加頂力，會引起水平母管變形、沉降等惡性現(xiàn)象，必須采取針對性措施保障正常的頂升施工。

2.3 管節(jié)數(shù)量多，頂升工效低

本工程頂管管道外徑為2 000 mm，壁厚22 mm。傳統(tǒng)頂升管節(jié)長度約為0.25倍水平管管徑，管節(jié)長度取0.5 m，單根豎管頂升管高度為12.5 m，需要25節(jié)管節(jié)，每根豎管有25個電焊接頭。頂管2段的長度為1 442 m，在管道內(nèi)進行電焊作業(yè)時產(chǎn)生大量的煙霧，管內(nèi)通風效果受長度制約，煙霧會對施工人員的健康造成很大的負面影響。因此，需要對頂升設備重新進行設計，充分利用水平管空間，增加豎向管節(jié)長度，減少管節(jié)數(shù)量，提高頂升工效，減小煙霧對施工人員的身體傷害。

3 主要施工措施

3.1 洞口止水裝置設計

垂直頂升施工的難題之一，就是止水裝置滲漏水。傳統(tǒng)頂升裝置采用1道止水密封，且密封有不耐磨、無法更換等劣勢。在本工程高水頭、地質(zhì)條件復雜的特殊工況背景下，難題會被放大。針對這種特殊工況，主要采取以下幾種措施對止水裝置進行設計、革新（圖2）：

圖2 洞口止水裝置示意

1）設置雙道止水密封。在傳統(tǒng)盤根止水密封前增設1道Y形橡膠止水密封，加強裝置的止水性能。同時，在Y形止水密封上部設置2個油脂孔，在頂升前用盾尾油脂填充止水裝置與管節(jié)外壁之間的空隙，減緩粗砂顆粒沿管外壁進入止水密封的速率，保護止水密封，增強密封的耐磨性。

2）在第1道止水密封失效后，第2道盤根止水密封將至關重要。在頂升施工過程中，豎管拼接錯縫、焊縫毛刺、外壁防腐層表面細小顆粒等，會一直磨損第2道的石棉盤根密封，導致密封與管外壁之間的間隙逐漸增大。將傳統(tǒng)油浸石棉大盤根（厚35 mm）調(diào)整為雙道并列石棉小盤根（厚2 cm），通過收緊下部螺栓，將外止水推板向上推緊，雙道并列小盤根受擠壓后，可有效填充由磨損而產(chǎn)生的間隙。

3）在第1、第2道止水密封均失效的情況下，止水裝置必須有應急措施來保證外界地下水不進入管內(nèi)。因此，在Y形止水密封和石棉盤根密封之間設置2個聚氨酯孔，可壓入水性聚氨酯（無毒）緊急止水。完成止水后，更換第2道石棉盤根密封，繼續(xù)頂升施工。

3.2 海上引孔

少量豎管頂升需穿越⑧黏性土層，該層呈硬塑狀且層厚達2 m。在實際頂力已達到設計最大允許頂力時，出現(xiàn)豎管無法順利頂出的情況。針對此問題，采用GPS在海面上定位垂直頂升管的位置，船舶上搭設高壓旋噴鉆機作業(yè)平臺，通過噴射觸變泥漿對豎管正上方的土體進行引孔破壞。

在沉井下沉過程中，根據(jù)旋噴鉆機對沉井刃腳⑧黏性土層進行引孔破壞的施工經(jīng)驗和實測值，在噴漿壓力達到24～26 MPa，氣壓為0.7～0.8 MPa的情況下，在⑧黏性土層中形成的孔洞直徑約為25 cm。因此，單根頂升管位置按照正方形布置了9排9列的引孔區(qū)，引孔區(qū)長度1 m、寬度1 m，旋噴引孔孔徑為200 mm，搭接100 mm（圖3）。

圖3 海上引孔示意

3.3 頂升平臺設計

傳統(tǒng)頂升工藝是通過千斤頂作用于管節(jié)上進行頂升，而頂升平臺則是起到固定和連接千斤頂?shù)淖饔茫罂趶焦艿啦捎脗鹘y(tǒng)頂升平臺對管節(jié)長度的影響不是很大。但是對小口徑管道進行垂直頂升時，管節(jié)長度增加意味著可有效減少焊縫數(shù)量，加快施工進度，因而有必要對垂直頂升平臺重新進行結(jié)構設計，充分利用管內(nèi)空間（圖4）。

圖4 垂直頂升管節(jié)縱向剖面

按傳統(tǒng)頂升工藝，管節(jié)坐落于環(huán)向頂鐵上，環(huán)向頂鐵在千斤頂?shù)那安俊澳⒐筋^”上（千斤頂正放）。而在本工藝中，頂升管節(jié)放置于頂升平臺上，4個千斤頂放置于管節(jié)外側(cè)（千斤頂?shù)狗牛?，平臺與千斤頂外鋼套固定連接，平臺隨著千斤頂?shù)捻斏黄鹣蛏希@樣的平臺結(jié)構可增加管節(jié)的長度，減少管節(jié)數(shù)量，提升工效。

這種平臺的另一個優(yōu)點是利于管節(jié)拼接，解決管節(jié)錯縫的難題。垂直頂升是采用悶頂工藝施工，在施工過程中，會出現(xiàn)或多或少的偏斜。將管節(jié)直接放置于平臺上，通過調(diào)節(jié)4個千斤頂?shù)男谐滩?，讓平臺面板的偏斜與管節(jié)偏斜一致，確保管節(jié)接縫間隙一致，同時在平臺上設置2個限位卡碼固定底部管節(jié)，解決管節(jié)錯縫的問題[3-4]。

4 施工效果

1）在實際頂升過程中，29根豎管止水裝置均沒有出現(xiàn)滲漏水的現(xiàn)象，頂升施工的安全性得到保證，管節(jié)焊縫質(zhì)量經(jīng)過超聲波無損檢測全部達到Ⅱ級。

2）7#、8#、9#豎管頂升遇到⑧黏性土層，在采用旋噴引孔弱化土體措施后，豎管頂升最大頂力為1 200 kN，小于設計最大允許頂力2 500 kN，管道累積沉降量≤5 mm，符合設計及相關規(guī)范要求。

3）本工程原單根豎管需要25節(jié)管節(jié)，采用新型垂直頂升平臺后增加了管節(jié)長度，現(xiàn)單根豎管只需要21節(jié)管節(jié)，單根豎管頂升僅需48 h，節(jié)約9 h，29根豎管共節(jié)約11 d工期。同時，減少的焊接量也有效地改善了作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié)語

垂直頂升施工在取排水工程中的應用日趨廣泛，其中越來越多的施工案例涉及超高水壓、復雜土質(zhì)等工況。本文針對頂升密封止水、頂力控制、一次頂升長度等關鍵技術，提出了相關優(yōu)化措施，并在實際施工中得到有效驗證，可為今后類似工程提供有益的參考依據(jù)。