海底頂管工程中的垂直頂升施工技術(shù)

顏 超

1. 上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114；2. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002；3. 上海市非開挖建造工程技術(shù)中心 上海 200002

近年來，隨著國(guó)內(nèi)外進(jìn)排水口施工技術(shù)的不斷發(fā)展，垂直頂升法較傳統(tǒng)的施工工藝（如筑島圍堰法、浮運(yùn)沉井法以及海上鉆井法等[1-2]）具有加快施工進(jìn)度、避免對(duì)航道的影響以及大量節(jié)省工程投資等優(yōu)勢(shì)，在沿海、沿江地區(qū)大型給排水工程中備受青睞，如火力發(fā)電廠、城市取水以及污水處理廠等[3-4]。然而，目前垂直頂升法常用于盾構(gòu)隧道工程中，在頂管工程中的使用相對(duì)較少。本文以某污水處理廠尾水排海管工程（海域段）為例，闡述鋼管頂升在頂管工程中的應(yīng)用，可供同類工程借鑒。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

本污水處理廠尾水排海管工程（海域段）位于廣西北海市鐵山港區(qū)，其管道敷設(shè)線路為陸域高位排放井—深海排放口，排放井（含）至排放口距離約4 341 m（圖1）。其中，2#井—B3排污口頂管區(qū)間近B3排污點(diǎn)400 m擴(kuò)散段內(nèi)布置29根φ500 mm上升管，其間距為13 m，壁厚20 mm，上升管長(zhǎng)度為12.5 m，每根豎管由1節(jié)長(zhǎng)50 cm和20節(jié)長(zhǎng)60 cm鋼管焊接組成，采用垂直頂升法施工，最終排污管DN80 mm鴨嘴閥的標(biāo)高為－8.0 m（圖2）。

圖1 工程平面示意

圖2 B3排污口頂升段示意

1.2 工程地質(zhì)水文條件

鐵山港區(qū)潮汐屬不正規(guī)全日潮，潮汐作用較強(qiáng)，河床泥面標(biāo)高、水位變幅受其影響變化較大，平均潮位3.00 m，最高潮位6.31 m。

頂升所經(jīng)過的土層自下而上分別為：⑧黏性土、⑤粗礫砂土、③砂混淤泥土、①素填土，其主要穿越土層為⑤層、部分⑧層，工程地質(zhì)條件相對(duì)較好。

2 頂升施工主要難點(diǎn)

1）頂力難以控制、頂升困難：由于頂升管上部覆土厚達(dá)20 m左右，并且土層的樁的極限端阻力比較大，所以鋼管頂升時(shí)土壓力較大，頂升力較難控制。

2）管節(jié)焊接困難、止水要求高：鋼管頂升主要穿越⑤層和部分⑧層，滲透性良好，地下水壓力達(dá)0.25 MPa左右，因此對(duì)止水、焊接要求非常高，一旦出現(xiàn)滲透，將給工程帶來巨大困難，后續(xù)工作很難開展。

3）軸線控制難、糾偏難度大：由于覆土厚、埋深大，所以頂進(jìn)過程中垂直度比較難以控制，糾偏不當(dāng)容易導(dǎo)致管道變形。

3 垂直頂升法工藝流程

工藝流程[2,5]：母管管節(jié)加固→在母管節(jié)預(yù)留洞口處安裝帽蓋、首節(jié)管→母管頂進(jìn)完畢進(jìn)行地基加固→頂升設(shè)備安裝、調(diào)試、記錄初始數(shù)據(jù)→焊接第2節(jié)頂升管、防腐，頂升、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)→首節(jié)管頂升到位，設(shè)防回落措施→后續(xù)管節(jié)頂升依次操作→完成一根頂升管后焊接固定→頂升設(shè)備移至下一根。

4 頂升施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 頂升區(qū)母管節(jié)加固

在預(yù)制頂升段母管節(jié)時(shí)，在其內(nèi)部采用Q235B環(huán)肋板、縱肋板加固，肋板厚22 mm，板高150 mm，焊縫高12 mm。環(huán)肋板沿主管縱向每隔350 mm設(shè)1道（頂升口進(jìn)行加密，300 mm設(shè)1道）；縱肋板沿主管道環(huán)向間隔20°布置1道，環(huán)向肋板連續(xù)，縱向肋板隔斷；頂升開口位置沿開口周邊間隔45°設(shè)厚10 mm的三角形加強(qiáng)筋板。

4.2 頂升區(qū)地基加固

頂升前先對(duì)母管道下半部分土體進(jìn)行洞內(nèi)劈裂注漿加固（至拱腰位置），頂升完成后再進(jìn)行上半部分土體加固，加固深度為2 m。注漿孔布置：沿水平主管道縱向每3 m設(shè)1排，每排沿環(huán)向均勻布置8～10個(gè)孔，孔深2.5 m；注漿采用P.O 32.5水泥，水灰比0.5∶1；采用后退式注漿，壓力控制在0.5～1.0 MPa，注入率不小于20%。

4.3 頂升垂直度糾偏

鋼管在頂升過程中，如與設(shè)計(jì)軸線發(fā)生偏差，應(yīng)通過調(diào)整千斤頂?shù)暮狭χ行奈恢眠M(jìn)行糾偏，具體措施如下：調(diào)節(jié)1～2只千斤頂行程來改變千斤頂合力的中心位置，同時(shí)增加測(cè)量次數(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏。在整個(gè)頂升過程中要勤測(cè)量，一旦發(fā)現(xiàn)偏差立即糾偏，否則將增加糾偏難度。

4.4 頂升過程中的測(cè)量

在頂升前，測(cè)量記錄好管節(jié)4個(gè)點(diǎn)（相互垂直）與外止水推板之間的距離；在頂升過程中，每頂升1節(jié)管節(jié)，測(cè)量1～2次，以確保頂升管節(jié)的垂直度。

4.5 頂升過程中頂力控制

開始頂進(jìn)時(shí)，頂力逐漸加大，當(dāng)4只千斤頂總頂力達(dá)到1 000 kN左右時(shí)，要檢查相鄰水平鋼管是否有變形，千斤頂油壓應(yīng)逐步提高，每次提高不超過200 kN，如果總頂力達(dá)到2 000 kN，檢查豎管外形尺寸是否有變化，如無變化，繼續(xù)加壓。

4.6 止水裝置安裝

止水系統(tǒng)采用Y形止水橡膠和油浸盤根2道止水，安裝在特殊管段，經(jīng)測(cè)試合格后出廠。同時(shí)，在止水法蘭擋圈上方布置1個(gè)聚氨酯孔（應(yīng)急時(shí)才使用）和1個(gè)油脂孔。若止水系統(tǒng)出現(xiàn)漏水、漏砂情況，在調(diào)節(jié)止水軋?zhí)m失效的情況下，可通過壓油脂，以確保頂升順利安全施工（圖3）。

圖3 止水系統(tǒng)示意

5 垂直頂升施工

5.1 基槽開挖

由于頂升段覆土較厚，鋼管頂升土壓力較大，為了減少其對(duì)頂升的不利影響，對(duì)該段上部覆土進(jìn)行基槽放坡開挖以減少覆土和土壓力（圖4）。

圖4 基槽放坡開挖示意

5.2 頂升設(shè)備安裝

頂升裝置主要有頂升支座平臺(tái)、頂升反力架、手拉葫蘆、千斤頂、頂鐵、液壓油泵車以及電焊機(jī)等設(shè)備。其中，頂升反力架采用1 100 mm×3 000 mm的船形鋼箱作為擴(kuò)散面，并且其中心及位置應(yīng)與頂升管中心及位置一致，然后在調(diào)整好水平度后將其固定；主頂油缸采用4只1 000 kN千斤頂，水平安置在頂升支座平臺(tái)上，安裝軸線必須與頂升管軸線一致（圖5）。

5.3 頂升管節(jié)對(duì)位

為了防止已頂升完畢管節(jié)的回落，先在其周圍與軋?zhí)m焊接3或4塊定位板，再利用千斤頂將待頂管節(jié)與之進(jìn)行對(duì)攏至設(shè)計(jì)焊接距離，檢查對(duì)口合格后進(jìn)行焊接、打磨、探傷以及防腐等工序，再繼續(xù)頂升。

圖5 頂升裝置縱向剖面

5.4 頂升完成后固定焊接

頂升完成后，將軋?zhí)m與軋?zhí)m座推緊靠攏并焊接，同時(shí)為了保證后期不滲水，對(duì)螺栓與螺栓孔、軋?zhí)m與管節(jié)進(jìn)行焊接。為了防止豎管回落，在軋?zhí)m底部與管節(jié)處設(shè)置8塊三角形筋板進(jìn)行加固連接。

5.5 排水頭安裝

在頂升完成后，由潛水員進(jìn)行水下噴口管節(jié)的安裝。預(yù)制噴口管節(jié)四周均布4個(gè)DN80 mm鴨嘴閥，陽(yáng)極塊焊接在噴口管節(jié)側(cè)壁與頂部托架處。同時(shí)為了防沖刷，在頂升管四周一定范圍內(nèi)進(jìn)行拋石。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合北海市污水處理廠尾水排海管工程（海域段），介紹了垂直頂升技術(shù)在頂管工程中的應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

1）由于頂升時(shí)需要很大的頂力，這在一定程度上危及到了母管的安全，因而對(duì)母管管節(jié)以及頂升區(qū)段采取了相應(yīng)的加固措施，經(jīng)實(shí)踐證明，取得了很好的效果。

2）防漏水、漏砂是頂升工作能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素之一，本工程采取的止水系統(tǒng)有效地防止了這一不利現(xiàn)象的出現(xiàn)，取得了不錯(cuò)的成效。

3）垂直頂升法比其他方法簡(jiǎn)便、工期短，能夠“全天候”施工，不受潮汐、風(fēng)浪、氣候變化等自然條件的影響，基本上2 d就能完成1根12 m左右的頂升管。

4）頂升設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要大量的水上作業(yè)施工機(jī)具，減少了水上作業(yè)，施工成本低，經(jīng)濟(jì)效益好。