海底頂管工程中垂直頂升管段封閉式悶板止水技術(shù)的改進(jìn)與優(yōu)化研究

王補(bǔ)林 金仙法 王錫杰

寧波市政工程建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 浙江 寧波 315010

引言

垂直頂升工藝作為一種進(jìn)排水施工工藝，在國(guó)內(nèi)外沿海地區(qū)應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于發(fā)電廠、石油化工、污水處理廠等大型需要進(jìn)排水口的施工中。垂直頂升法則是在施工完成的水平隧道內(nèi)采用豎向千斤頂將取排水立管分節(jié)垂直頂出隧道進(jìn)入海域，形成取排水通道的施工技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)施工為確保頂升過(guò)程中強(qiáng)水壓下海水不滲入頂升管內(nèi)，提高安全性和生產(chǎn)效率，需要采用高效可靠的止水技術(shù)。因此，對(duì)海底頂管工程中垂直頂升管段封閉式悶板止水技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化具有重要意義。改進(jìn)后的封閉式悶板止水技術(shù)可以提高止水效果，降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)，減小工程難度，為垂直頂升管施工提供技術(shù)保障。本研究將有助于推動(dòng)海底頂管工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)海底長(zhǎng)距離鋼管及相關(guān)垂直頂升管的施工的良好發(fā)展。

1 垂直頂升管段的結(jié)構(gòu)與功能

垂直頂升管段（Vertical Riser Section，簡(jiǎn)稱VRS）是海底頂管工程中的關(guān)鍵組成部分，主要承擔(dān)將凈化后中水排放至海域或從海域取用水資源的任務(wù)。垂直頂升管段具有良好的抗拉、抗壓、抗扭、抗腐蝕性能，以滿足海底頂管工程的復(fù)雜環(huán)境條件和多樣化需求[1]。

垂直頂升管段的結(jié)構(gòu)一般由以下幾部分組成。管體：管體是垂直頂升管段的主要部分，通常采用高強(qiáng)度、耐腐蝕的金屬材料制作，如低碳鋼、不銹鋼等。管體的設(shè)計(jì)和選擇需要考慮工作環(huán)境、壓力、溫度等因素，以確保在使用過(guò)程中具有良好的安全性能和使用壽命。管段連接：管段連接是垂直頂升管段各個(gè)管段之間的連接部分，通常采用法蘭連接、焊接連接等方式。連接部分的設(shè)計(jì)和制作需滿足密封性能、抗拉強(qiáng)度等要求，以確保整個(gè)垂直頂升管段的完整性和可靠性。密封和止水裝置：密封和止水裝置用于在垂直頂升過(guò)程中頂升前段向上承壓及破土的止水效果，保證安全生產(chǎn)。常用的密封和止水裝置包括封閉式悶板、密封圈等。密封和止水裝置的設(shè)計(jì)和選材需滿足耐高壓、耐高溫、耐腐蝕等性能要求。監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)用于對(duì)垂直頂升管段的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，確保頂升過(guò)程的安全。監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)通常包括壓力、溫度、流量等傳感器和控制器，與生產(chǎn)控制室連接，實(shí)時(shí)檢測(cè)預(yù)警。

2 封閉式悶板止水技術(shù)的改進(jìn)與優(yōu)化

2.1 新型封閉式悶板設(shè)計(jì)思路

為克服現(xiàn)有封閉式悶板止水技術(shù)的局限性，本文提出一種新型封閉式悶板設(shè)計(jì)，新型悶板采用優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)、高性能密封材料，以提高密封性能、耐久性和環(huán)境適應(yīng)性。在悶板的幾何結(jié)構(gòu)方面，優(yōu)化了密封槽的形狀和尺寸，在增強(qiáng)密封材料與悶板之間的接觸面積和壓力分布均勻性，從而提高密封效果，同時(shí)在層間布設(shè)注漿管路，具備注漿減阻功能。同時(shí)，考慮到海底復(fù)雜環(huán)境的影響，悶板的整體結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，面板加肋及多層鋼板形式，在提高抗壓強(qiáng)度的同時(shí)減少鋼材使用，提高強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)性。在密封材料方面，選用了一種具有高耐壓、耐高溫、耐腐蝕性能的新型復(fù)合材料，取代了傳統(tǒng)的橡膠或聚四氟乙烯材料，這種復(fù)合材料能夠在海底極端環(huán)境下保持良好的密封性能。在連接形式上，改變傳統(tǒng)的焊接連接形式，悶板與垂直頂升管采用高強(qiáng)螺栓連接，安裝及拆卸簡(jiǎn)便，施工安全系數(shù)提高。

2.2 新型防滲漏結(jié)構(gòu)與功能

新型封閉式悶板止水技術(shù)采用雙層密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)層柔性材質(zhì)采用高分子聚合物橡膠，具有良好的彈性和密封性能，可有效適應(yīng)管道內(nèi)壓力變化，結(jié)構(gòu)圖和效果圖如圖1所示。外層高強(qiáng)度材料采用高強(qiáng)度的Q355D鋼，以增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。加強(qiáng)肋的設(shè)計(jì)材料也采用Q355D鋼，保證在頂進(jìn)過(guò)程中具有足夠的抗壓能力。新型封閉式悶板止水技術(shù)的防滲漏原理主要體現(xiàn)在雙層密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)層柔性材質(zhì)能夠緊密貼合管道壁面，阻止水分進(jìn)入；外層高強(qiáng)度材料可以承受更大的壓力，防止內(nèi)層柔性材質(zhì)受損。此外，加強(qiáng)肋的設(shè)計(jì)在向上頂進(jìn)時(shí)提供了強(qiáng)抗壓作用，實(shí)際工程中抗壓能力可達(dá)50MPa。通過(guò)注漿管路和泄壓閥的布置，新型封閉式悶板止水技術(shù)在兼顧止水功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了注漿減阻、排泥卸壓功能。根據(jù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)，通過(guò)優(yōu)化布置的注漿管路，對(duì)垂直頂升管外進(jìn)行注漿減阻，可以降低頂升管道10.5%左右摩擦力，有效降低頂進(jìn)過(guò)程中的阻力；單向泄壓閥可在頂進(jìn)過(guò)程中遇到土壓強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，頂升管頂端泄壓排氣，從而降低頂進(jìn)過(guò)程中的卸壓難度，降低管頂土壓力[2]。

圖1 新型防滲漏結(jié)構(gòu)

2.3 改進(jìn)后止水材料選用

針對(duì)現(xiàn)有封閉式悶板止水技術(shù)中密封材料存在的局限性，改進(jìn)后的止水材料選用應(yīng)符合以下要求。高耐壓性能：選用的新型密封材料需要具備高耐壓性能，能夠在高壓環(huán)境下保持良好的密封效果，有助于頂升過(guò)程中的止水密封效果，有助于在頂升過(guò)程中密封材料不因壓力變化而破壞失效，提高整個(gè)垂直頂升管段的密封可靠性。耐腐蝕性能：海底頂管工程中的密封材料需具備較強(qiáng)的耐腐蝕性能，能夠抵抗海水以及其他化學(xué)介質(zhì)的侵蝕。良好的機(jī)械性能：新型密封材料需要具備良好的抗拉、抗壓、抗磨損等機(jī)械性能，以滿足海底頂管工程中的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境。環(huán)境適應(yīng)性：新型密封材料應(yīng)具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在各種復(fù)雜的海底環(huán)境（如極低溫、高鹽分、高壓）下保持良好的密封性能。綜合以上要求，選用一種新型復(fù)合材料作為改進(jìn)后的止水材料，這種復(fù)合材料由高分子聚合物基體和特殊填充物（如納米顆粒、短切纖維等）組成，具有優(yōu)越的耐壓、耐高溫、耐腐蝕、機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性[3]。

2.4 新型止水技術(shù)優(yōu)化措施

通過(guò)調(diào)整密封材料與悶板之間的接觸面積和壓力分布，以提高密封效果，同時(shí)，在悶板的設(shè)計(jì)中考慮到不同密封材料的特性，以確保新型止水材料能夠與悶板良好貼合，實(shí)現(xiàn)高效密封。采用高強(qiáng)螺栓連接，為后續(xù)海上作業(yè)噴口（鴨嘴閥）安裝時(shí)，縮短拆卸及連接設(shè)備安裝時(shí)間，降低施工成本，從而增強(qiáng)海上作業(yè)效率及安全性保障，提高海底頂管工程的運(yùn)行效率。自適應(yīng)密封技術(shù)能夠在不同工況下自動(dòng)調(diào)整密封材料的壓力分布和接觸面積，以保持良好的密封效果，有助于進(jìn)一步提高新型封閉式悶板止水技術(shù)在復(fù)雜海底環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，安裝效果如圖2所示。引入在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)封閉式悶板止水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低海底頂管工程的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 安裝效果圖

3 改進(jìn)后封閉式悶板止水技術(shù)的性能評(píng)價(jià)

3.1 止水效果評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證新型封閉式悶板止水技術(shù)的性能，需要對(duì)其止水效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法主要包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例分析，結(jié)合密封性能、耐久性和環(huán)境適應(yīng)性等指標(biāo)，對(duì)比分析新型封閉式悶板止水技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的差異。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，新型封閉式悶板止水技術(shù)在不同工況下的密封性能均表現(xiàn)出色，有效抵抗了高壓、高溫和腐蝕性環(huán)境的影響。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例分析中，新型封閉式悶板止水技術(shù)在嘉興市污水處理擴(kuò)容工程外排三期（排海管擴(kuò)容部分）設(shè)計(jì)施工總承包項(xiàng)目（EPC）海底頂管垂直頂升管工程中取得了顯著的成果。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，新型技術(shù)具有更高的密封性能和更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，大幅降低了海上施工風(fēng)險(xiǎn)。此外，新型封閉式悶板止水技術(shù)在安裝和拆卸過(guò)程中表現(xiàn)出更高的效率和便捷性，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供了更多便利[4]。

3.2 工程難度評(píng)價(jià)

在評(píng)價(jià)新型封閉式悶板止水技術(shù)的工程難度時(shí)，主要從安裝、拆卸等方面進(jìn)行分析。在材料性能方面，新型密封材料具有較高的抗壓穩(wěn)定性，能夠在高強(qiáng)的頂管壓力下保持穩(wěn)定的密封效果，與傳統(tǒng)材料相比，施工穩(wěn)定性及施工安全系數(shù)更高。在安裝難度方面，新型封閉式悶板止水技術(shù)引入了創(chuàng)新的管路綜合布置，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程。相較于傳統(tǒng)技術(shù)，新型技術(shù)在安裝過(guò)程中更加簡(jiǎn)便、高效。此外，新型封閉式悶板設(shè)計(jì)充分考慮了海底頂管涉及的注漿管路、卸壓設(shè)施的兼容性，降低安裝難度。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，新型技術(shù)在施工過(guò)程中能夠大幅減少作業(yè)時(shí)間和成本。同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的引入有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防密封問(wèn)題，降低海底頂管工程的安全風(fēng)險(xiǎn)[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

新型封閉式悶板止水技術(shù)在結(jié)構(gòu)、材料和工藝方面得到了全面改進(jìn)，提高了密封性能、安裝拆卸便捷性和環(huán)境適應(yīng)性。新型止水技術(shù)采用雙層密封結(jié)構(gòu)和高分子聚合物橡膠，可有效適應(yīng)管道內(nèi)壓力變化，提高了密封性能和耐久性。加強(qiáng)肋的設(shè)計(jì)和內(nèi)部管路布置，使其在頂進(jìn)過(guò)程中具備強(qiáng)抗壓作用和減阻功能。同時(shí)，引入在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)封閉式悶板止水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低海底頂管工程的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)深入研究和優(yōu)化，新型止水技術(shù)有望在海底頂管工程中發(fā)揮更大作用，為頂管工程施工行業(yè)提供更安全、高效的解決方案。