海底頂管工程中的垂直頂升施工技術

顏 超

1. 上海建工集團工程研究總院 上海 201114；2. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；3. 上海市非開挖建造工程技術中心 上海 200002

近年來，隨著國內外進排水口施工技術的不斷發展，垂直頂升法較傳統的施工工藝（如筑島圍堰法、浮運沉井法以及海上鉆井法等[1-2]）具有加快施工進度、避免對航道的影響以及大量節省工程投資等優勢，在沿海、沿江地區大型給排水工程中備受青睞，如火力發電廠、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隧道工程中，在頂管工程中的使用相對較少。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用，可供同類工程借鑒。

1 工程實例

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，其管道敷設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排污口頂管區間近B3排污點400 m擴散段內布置29根φ500 mm上升管，其間距為13 m，壁厚20 mm，上升管長度為12.5 m，每根豎管由1節長50 cm和20節長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 工程地質水文條件

鐵山港區潮汐屬不正規全日潮，潮汐作用較強，河床泥面標高、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，工程地質條件相對較好。

2 頂升施工主要難點

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

2）管節焊接困難、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0.25 MPa左右，因此對止水、焊接要求非常高，一旦出現滲透，將給工程帶來巨大困難，后續工作很難開展。

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

3 垂直頂升法工藝流程

工藝流程[2,5]：母管管節加固→在母管節預留洞口處安裝帽蓋、首節管→母管頂進完畢進行地基加固→頂升設備安裝、調試、記錄初始數據→焊接第2節頂升管、防腐，頂升、記錄相關數據→首節管頂升到位，設防回落措施→后續管節頂升依次操作→完成一根頂升管后焊接固定→頂升設備移至下一根。

4 頂升施工關鍵技術

4.1 頂升區母管節加固

在預制頂升段母管節時，在其內部采用Q235B環肋板、縱肋板加固，肋板厚22 mm，板高150 mm，焊縫高12 mm。環肋板沿主管縱向每隔350 mm設1道（頂升口進行加密，300 mm設1道）；縱肋板沿主管道環向間隔20°布置1道，環向肋板連續，縱向肋板隔斷；頂升開口位置沿開口周邊間隔45°設厚10 mm的三角形加強筋板。

4.2 頂升區地基加固

頂升前先對母管道下半部分土體進行洞內劈裂注漿加固（至拱腰位置），頂升完成后再進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1排，每排沿環向均勻布置8～10個孔，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，如與設計軸線發生偏差，應通過調整千斤頂的合力中心位置進行糾偏，具體措施如下：調節1～2只千斤頂行程來改變千斤頂合力的中心位置，同時增加測量次數，結合數據進行糾偏。在整個頂升過程中要勤測量，一旦發現偏差立即糾偏，否則將增加糾偏難度。

4.4 頂升過程中的測量

在頂升前，測量記錄好管節4個點（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節管節，測量1～2次，以確保頂升管節的垂直度。

4.5 頂升過程中頂力控制

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

4.6 止水裝置安裝

止水系統采用Y形止水橡膠和油浸盤根2道止水，安裝在特殊管段，經測試合格后出廠。同時，在止水法蘭擋圈上方布置1個聚氨酯孔（應急時才使用）和1個油脂孔。若止水系統出現漏水、漏砂情況，在調節止水軋蘭失效的情況下，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，為了減少其對頂升的不利影響，對該段上部覆土進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 頂升設備安裝

頂升裝置主要有頂升支座平臺、頂升反力架、手拉葫蘆、千斤頂、頂鐵、液壓油泵車以及電焊機等設備。其中，頂升反力架采用1 100 mm×3 000 mm的船形鋼箱作為擴散面，并且其中心及位置應與頂升管中心及位置一致，然后在調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上，安裝軸線必須與頂升管軸線一致（圖5）。

5.3 頂升管節對位

為了防止已頂升完畢管節的回落，先在其周圍與軋蘭焊接3或4塊定位板，再利用千斤頂將待頂管節與之進行對攏至設計焊接距離，檢查對口合格后進行焊接、打磨、探傷以及防腐等工序，再繼續頂升。

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，將軋蘭與軋蘭座推緊靠攏并焊接，同時為了保證后期不滲水，對螺栓與螺栓孔、軋蘭與管節進行焊接。為了防止豎管回落，在軋蘭底部與管節處設置8塊三角形筋板進行加固連接。

5.5 排水頭安裝

在頂升完成后，由潛水員進行水下噴口管節的安裝。預制噴口管節四周均布4個DN80 mm鴨嘴閥，陽極塊焊接在噴口管節側壁與頂部托架處。同時為了防沖刷，在頂升管四周一定范圍內進行拋石。

6 結語

本文結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在頂管工程中的應用，得到如下結論：

1）由于頂升時需要很大的頂力，這在一定程度上危及到了母管的安全，因而對母管管節以及頂升區段采取了相應的加固措施，經實踐證明，取得了很好的效果。

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

3）垂直頂升法比其他方法簡便、工期短，能夠“全天候”施工，不受潮汐、風浪、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）頂升設備簡單，不需要大量的水上作業施工機具，減少了水上作業，施工成本低，經濟效益好。