海底頂管工程中垂直頂升管段封閉式悶板止水技術的改進與優化研究

王補林 金仙法 王錫杰

寧波市政工程建設集團股份有限公司 浙江 寧波 315010

引言

垂直頂升工藝作為一種進排水施工工藝，在國內外沿海地區應用廣泛，主要應用于發電廠、石油化工、污水處理廠等大型需要進排水口的施工中。垂直頂升法則是在施工完成的水平隧道內采用豎向千斤頂將取排水立管分節垂直頂出隧道進入海域，形成取排水通道的施工技術。該項技術施工為確保頂升過程中強水壓下海水不滲入頂升管內，提高安全性和生產效率，需要采用高效可靠的止水技術。因此，對海底頂管工程中垂直頂升管段封閉式悶板止水技術進行改進和優化具有重要意義。改進后的封閉式悶板止水技術可以提高止水效果，降低泄漏風險，減小工程難度，為垂直頂升管施工提供技術保障。本研究將有助于推動海底頂管工程領域的技術進步，促進海底長距離鋼管及相關垂直頂升管的施工的良好發展。

1 垂直頂升管段的結構與功能

垂直頂升管段（Vertical Riser Section，簡稱VRS）是海底頂管工程中的關鍵組成部分，主要承擔將凈化后中水排放至海域或從海域取用水資源的任務。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雜環境條件和多樣化需求[1]。

垂直頂升管段的結構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，通常采用高強度、耐腐蝕的金屬材料制作，如低碳鋼、不銹鋼等。管體的設計和選擇需要考慮工作環境、壓力、溫度等因素，以確保在使用過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。連接部分的設計和制作需滿足密封性能、抗拉強度等要求，以確保整個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程中頂升前段向上承壓及破土的止水效果，保證安全生產。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計和選材需滿足耐高壓、耐高溫、耐腐蝕等性能要求。監測與控制系統：監測與控制系統用于對垂直頂升管段的工作狀態進行實時監測和調控，確保頂升過程的安全。監測與控制系統通常包括壓力、溫度、流量等傳感器和控制器，與生產控制室連接，實時檢測預警。

2 封閉式悶板止水技術的改進與優化

2.1 新型封閉式悶板設計思路

為克服現有封閉式悶板止水技術的局限性，本文提出一種新型封閉式悶板設計，新型悶板采用優化的幾何結構、高性能密封材料，以提高密封性能、耐久性和環境適應性。在悶板的幾何結構方面，優化了密封槽的形狀和尺寸，在增強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，同時在層間布設注漿管路，具備注漿減阻功能。同時，考慮到海底復雜環境的影響，悶板的整體結構也進行了強度和剛度的優化設計，面板加肋及多層鋼板形式，在提高抗壓強度的同時減少鋼材使用，提高強度及經濟性。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合材料，取代了傳統的橡膠或聚四氟乙烯材料，這種復合材料能夠在海底極端環境下保持良好的密封性能。在連接形式上，改變傳統的焊接連接形式，悶板與垂直頂升管采用高強螺栓連接，安裝及拆卸簡便，施工安全系數提高。

2.2 新型防滲漏結構與功能

新型封閉式悶板止水技術采用雙層密封結構，內層柔性材質采用高分子聚合物橡膠，具有良好的彈性和密封性能，可有效適應管道內壓力變化，結構圖和效果圖如圖1所示。外層高強度材料采用高強度的Q355D鋼，以增強整體結構的穩定性。加強肋的設計材料也采用Q355D鋼，保證在頂進過程中具有足夠的抗壓能力。新型封閉式悶板止水技術的防滲漏原理主要體現在雙層密封結構，內層柔性材質能夠緊密貼合管道壁面，阻止水分進入；外層高強度材料可以承受更大的壓力，防止內層柔性材質受損。此外，加強肋的設計在向上頂進時提供了強抗壓作用，實際工程中抗壓能力可達50MPa。通過注漿管路和泄壓閥的布置，新型封閉式悶板止水技術在兼顧止水功能的同時，實現了注漿減阻、排泥卸壓功能。根據實際工程數據，通過優化布置的注漿管路，對垂直頂升管外進行注漿減阻，可以降低頂升管道10.5%左右摩擦力，有效降低頂進過程中的阻力；單向泄壓閥可在頂進過程中遇到土壓強度過高時，頂升管頂端泄壓排氣，從而降低頂進過程中的卸壓難度，降低管頂土壓力[2]。

圖1 新型防滲漏結構

2.3 改進后止水材料選用

針對現有封閉式悶板止水技術中密封材料存在的局限性，改進后的止水材料選用應符合以下要求。高耐壓性能：選用的新型密封材料需要具備高耐壓性能，能夠在高壓環境下保持良好的密封效果，有助于頂升過程中的止水密封效果，有助于在頂升過程中密封材料不因壓力變化而破壞失效，提高整個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的耐腐蝕性能，能夠抵抗海水以及其他化學介質的侵蝕。良好的機械性能：新型密封材料需要具備良好的抗拉、抗壓、抗磨損等機械性能，以滿足海底頂管工程中的復雜應力環境。環境適應性：新型密封材料應具備較強的環境適應性，能夠在各種復雜的海底環境（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，選用一種新型復合材料作為改進后的止水材料，這種復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，具有優越的耐壓、耐高溫、耐腐蝕、機械性能和環境適應性[3]。

2.4 新型止水技術優化措施

通過調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，在悶板的設計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，實現高效密封。采用高強螺栓連接，為后續海上作業噴口（鴨嘴閥）安裝時，縮短拆卸及連接設備安裝時間，降低施工成本，從而增強海上作業效率及安全性保障，提高海底頂管工程的運行效率。自適應密封技術能夠在不同工況下自動調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，有助于進一步提高新型封閉式悶板止水技術在復雜海底環境下的穩定性和可靠性，安裝效果如圖2所示。引入在線監測技術，對封閉式悶板止水系統進行實時監控，降低海底頂管工程的安全風險。

圖2 安裝效果圖

3 改進后封閉式悶板止水技術的性能評價

3.1 止水效果評價

為驗證新型封閉式悶板止水技術的性能，需要對其止水效果進行評價，評價方法主要包括實驗室測試和現場應用案例分析，結合密封性能、耐久性和環境適應性等指標，對比分析新型封閉式悶板止水技術與傳統技術的差異。實驗室測試中，新型封閉式悶板止水技術在不同工況下的密封性能均表現出色，有效抵抗了高壓、高溫和腐蝕性環境的影響。在現場應用案例分析中，新型封閉式悶板止水技術在嘉興市污水處理擴容工程外排三期（排海管擴容部分）設計施工總承包項目（EPC）海底頂管垂直頂升管工程中取得了顯著的成果。與傳統技術相比，新型技術具有更高的密封性能和更高的結構強度，大幅降低了海上施工風險。此外，新型封閉式悶板止水技術在安裝和拆卸過程中表現出更高的效率和便捷性，為現場作業提供了更多便利[4]。

3.2 工程難度評價

在評價新型封閉式悶板止水技術的工程難度時，主要從安裝、拆卸等方面進行分析。在材料性能方面，新型密封材料具有較高的抗壓穩定性，能夠在高強的頂管壓力下保持穩定的密封效果，與傳統材料相比，施工穩定性及施工安全系數更高。在安裝難度方面，新型封閉式悶板止水技術引入了創新的管路綜合布置，簡化了現場作業流程。相較于傳統技術，新型技術在安裝過程中更加簡便、高效。此外，新型封閉式悶板設計充分考慮了海底頂管涉及的注漿管路、卸壓設施的兼容性，降低安裝難度。與傳統技術相比，新型技術在施工過程中能夠大幅減少作業時間和成本。同時，在線監測技術的引入有助于及時發現和預防密封問題，降低海底頂管工程的安全風險[5]。

4 結束語

新型封閉式悶板止水技術在結構、材料和工藝方面得到了全面改進，提高了密封性能、安裝拆卸便捷性和環境適應性。新型止水技術采用雙層密封結構和高分子聚合物橡膠，可有效適應管道內壓力變化，提高了密封性能和耐久性。加強肋的設計和內部管路布置，使其在頂進過程中具備強抗壓作用和減阻功能。同時，引入在線監測技術，對封閉式悶板止水系統進行實時監控，降低海底頂管工程的安全風險。通過深入研究和優化，新型止水技術有望在海底頂管工程中發揮更大作用，為頂管工程施工行業提供更安全、高效的解決方案。