大斷面矩形取水口垂直頂升技術在海底隧道中的應用

摘要 結合汕頭市火力發電廠取水口垂直頂升工程（海域段）施工實際，文章詳細闡述了大斷面矩形預制管節垂直頂升技術的頂力估算、關鍵技術、控制措施及注意事項，經過優化技術方案，對大斷面矩形預制管節垂直頂升法在海底取水隧道中應用的適應性進行了分析，總結了該技術快速施工的重難點及關鍵控制技術，以期為今后類似工程提供一定的借鑒意義。

關鍵詞 海底取水隧道；矩形管節，垂直頂升；頂力估算；止水裝置

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0105-03

0 引言

垂直頂升法相較傳統的施工工藝（如筑島圍堰法、浮運沉井法及海上鉆井法等），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，是水利工程施工中的常用方法之一[1-3]。同時，由于其施工所需周期較短，對環境的污染較小、工費相對低等特點，在沿海、沿江（河）地區大型工程中備受青睞，如核電廠、火力發電廠、城市取排水、污水處理廠及石油化工、天然氣管道等[4-6]。垂直頂升法不僅常用于盾構隧道工程，也適用于頂管工程[7]，用此法建成的進排水管道比傳統的要長得多，可伸入海域較遠處，以取得較為潔凈的水源或排污水于遠海之中[8]。所謂垂直頂升法，簡單地說是在已建好的隧道內部，采用相關機械設備，通過把豎直管道或管節垂直朝上頂出，將土層穿破的一種施工技術手段，孫德山等人[1-4]對不同直徑的圓形金屬管節垂直頂升法進行了闡述，董勝憲等人[5-6]對預制矩形管節垂直頂升法進行了闡述。目前對小斷面圓形金屬管垂直頂升技術的研究和應用較為普遍，而對大斷面矩形預制管節垂直頂升技術的研究和應用甚少，該文將結合汕頭市火力發電廠取水口垂直頂升工程（海域段）施工，對大斷面矩形預制管節在海底隧道中快速垂直頂升施工技術進行研究和應用，這在我國水域資源豐富的華南地區尚屬首次，可供今后類似工程借鑒。

1 工程概況

工程位于廣東省汕頭市潮陽區海門鎮，為華電豐盛汕頭電廠“上大壓小”新建項目配套取水的構筑物工程，該項目由汕頭華電發電有限公司規劃建設，總投資68億元，是廣東省“十四五”能源重點建設項目，也是華電集團在粵唯一的港電一體化電廠。取水構筑物由海底自流引水的取水隧道和取水頭工程組成。取水隧道為單線單洞，內徑為5 340 mm，壁厚330 mm，外徑為6 000 mm，隧道總長312 m，最大的平面曲線為1 500 m，長度約74.9 m，最大縱坡為5%，長度為160.7 m。隧道采用預制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌管片尺寸為φ6 000 mm×φ5 340 mm×

1 500 mm，取水口段隧道拱頂采用Q235鋼結構并填充C50混凝土制作的特殊管片，特殊管片尺寸為φ6 000 mm×

φ5 340 mm×1 105 mm。取水隧道使用一臺土壓平衡盾構進行施工，從始發井始發，下穿東護岸后進入海域，推進至取水口位置后進行盾構機拆解，拆解完成做端頭封堵，然后進行取水頭工程的施工。取水頭工程在隧道大里程端55.25 m范圍內設置7個豎向取水口，取水口依次采用從隧道內向上垂直頂升鋼筋混凝土預制管節，每個取水口由11節管節組成，每節管節為2 200 mm×2 200 mm的矩形斷面，壁厚200 mm，混凝土強度為C50，抗滲等級為P12，上下管節之間采用鋼板法蘭、螺栓連接，管節間設置止水框，頂頭管節頂安裝φ4 500 mm×4 000 mm的鋼結構取水格。

2 垂直頂升力估算

2.1 基礎數據

由于取水口垂直頂升管經過的地層為⑤1礫質黏性土和⑤2粉質黏土兩種，現根據地勘報告查得，這兩種地層所對應巖土層的主要物理參數推薦值和地基承載力特征值分別見表1和表2所示，管節外壁與地層的摩阻力系數取值見表3所示，頂升管節與管片重量見表4所示。

2.2 垂直頂升力估算

根據以上地質參數和管節重量，垂直頂升法采用悶頂式由下至上頂進，不需要掘削出土，最大頂升力出現在管道上的覆土層破壞前，主要來源于破壞范圍內海水、土重力和沿破壞面的剪切力，參照董勝憲[5]等相關學術資料，建立了土體剪切破壞的計算模型，按土體的剪切破壞進行垂直頂升力估算。

P=α1·（A·B·fak+2（A+B）·qu·Hs）+A·B·H·r+G （1）

式中：P——垂直頂升的最大頂力（kN）；α1——垂直頂力的折減系數，取α1=1.5～2.5；A—— 頂升管節的悶板長度（m）；B——頂升管節的悶板寬度（m），頂升管節斷面為2.2 m×2.2 m，A與B均為2.2 m；fak——頂升管節頂面土體地基承載力極限值（kPa），取250 kPa；qu——頂升管節側面的土體抗剪應力，qu=c+σtanΦ=15.7+18×0.488=24.484，取24.48，其中：c——土的黏聚力15.7 kPa；Φ——內摩擦角26°；σ——土重度18 kN/m3；Hs——頂升管節頂面覆土厚度，取8.6 m；H——頂升管節頂面水的深度，取16.0 m；r——水的重度（kN/m3），取9.8 kN/m3；G——最大混凝土管節重量和特殊管片重量（kN）。

最大的頂力估算：P=1.5×2.2×2.2×250+2×（2.2+2.2） ×

24.48×8.6+2.2×2.2×16.0×9.8+42.828×9.8=6 361.91 kN。

因此，經式（1）計算，最大頂升力為6 361.91 kN，現場采用4只2 000 kN油缸，根據施工經驗，安全系數考慮取值為0.8，4只千斤頂頂力：2 000×4×0.8=6 400 kNgt;

6 361.91 kN，頂力滿足頂升要求。

3 垂直頂升施工

3.1 取水口垂直頂升工藝綜述

海底隧道大里程端設7孔取水口，中心間距為7 735 mm，每個取水口由11節2 200 mm×2 200 mm的鋼筋混凝土矩形管節和取水格柵組成，分為1節頂頭管節、1節特殊管節、8節標準管節、1節底座管節，單節管節約長1 m。出海床后，海上吊入取水格柵與鋼筋混凝土管節連接，并將取水格柵用拋石填筑牢固，打開頂頭管節頂帽，將海水引入取水隧道內，從而達到取水目的。

3.2 垂直頂升工藝流程

3.2.1 垂直頂升底座及頂升設備的安裝

隧道底部設有鋼底梁支撐的平臺，鋼底梁下部與隧道管片之間用C30混凝土填實。鋼支撐平臺設置墊板，墊板上安裝有千斤頂和支撐架，4只千斤頂的最大頂力為2 000×4=8 000 kN，最大行程為1 500 mm，最大頂升速度為200 mm/min。千斤頂布置在四角并準確定位。垂直頂升裝置安裝時，首先要平整、墊實、強制對中，以保證豎向頂力均勻擴散至基座。

3.2.2 首節管節與特殊管片連接

預制管節采用10 t叉車運輸到頂升位置。叉車將首節（頂頭）管節定位到千斤頂上方的頂鐵上，固定好橡膠墊，并用千斤頂將首節（頂頭）管節頂升至隧道頂部，與拱頂特殊管片緊貼，采用螺栓將首節（頂頭）管節和特殊管片進行連接。

3.2.3 止水裝置安裝

垂直頂升對止水要求非常高[4]，為確保頂升過程中強水壓下的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[6]。頂頭管節安裝好后，在管節四周安裝止水框，使止水框正好與取水管節穿過隧道管片預留方孔口的四個邊相結合，并焊接牢固。采用橡膠圈、橡膠圈擋塊、瀝青油膏、油浸盤根、盤根壓條將取水管節外壁與止水框內邊之間的縫隙嵌塞密實，再用鋼壓板壓緊，并用螺栓與鋼法蘭座連接在一起，構成止水框架的止水裝置，利用調節螺栓壓緊盤根，從而起到止水作用。

3.2.4 垂直頂升過程

（1）采用4支千斤頂將管節托起，與頂頭管節底部栓接牢固，檢查止水盤根及調節螺栓，準備工作就緒后，拆除特殊管片與周邊管片之間的連接螺栓，并封堵螺栓孔，一切就位后將4個千斤頂同時頂升。

（2）頂升時，千斤頂慢慢加大頂力，當頂力超過350 t而管節沒有升進時應停止頂進，檢查情況，分析原因。在上一管節頂升到位后，將止退裝置安裝就位，確認管節穩定后，緩慢回收頂升千斤頂，在千斤頂脫離管節2 cm后停止回收，靜置并檢查止退葫蘆和止退鋼柱，確認未發現異常情況后將頂升千斤頂收回至原位，放置下一管節并栓接牢固，填充管節間的凹槽，繼續頂升工作，以此類推，直至頂到最后一節底座管節連接固定。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，如與設計軸線發生偏差，通過調整千斤頂行程、改變千斤頂合力的中心位置進行糾偏。

3.2.5 止退裝置安裝

當上一管節頂升到位后，采用隧道管片頂部安裝4只10 t的手拉葫蘆和4根止退鋼柱，沿預留的鋼制凹槽對管節進行臨時固定，防止頂升油缸回縮（管節換步）時管節后退。

3.2.6 管節頂升到位加固

底座管節頂升到位后，完成所有管節頂升，依托止水框，在管節底部采用20 mm厚的鋼板加工止退裝置，與止水框焊接形成整體，并作永久處理，檢查符合要求后，拆除頂升設備裝置進行下一個取水口的施工。

4 垂直頂升施工注意事項

（1）在盾構達到設計里程后，立即組織對管片背后進行二次注漿，確保管片背后密實堅固，為后期頂升工作提供先決條件。

（2）管節加工必須標準，尤其是外包尺寸，做到上、下面水平，立面垂直，防止因加工誤差導致的管節連接錯位，導致頂升卡頓，進而出現頂力增大、構件破壞、漏水漏沙等次生災害的出現。

（3）對頂升部位拱頂的2塊特殊管片GD1和GD2拼裝錯臺進行預先處理，可以通過加焊薄鋼板，以確保與頂頭管節結合面的緊密連接。

（4）在首節管節頂升過程中，如出現達到計算的最大頂升力時，不得持續加壓，及時停止頂升，檢查油壓表、頂升油缸、油管及隧道結構。在確保頂升安全時，可間斷進行頂升，以便將覆土地層擾動后的順利頂升。

（5）在頂升施工過程中，管片受力復雜，為確保隧道安全，加強對主隧道沉降、橢圓度及其管片拼縫的監測，每隔5環設置一個觀測點。同時，持續監測管節垂直度，如發現偏斜超限，應停止頂升，制定糾偏方案后緩慢調整。

（6）在頂升過程中，如果止水框與管節接觸面出現漏水、漏沙現象，通過增大盤根直徑和纏繞數量，擰緊調節螺栓以擠壓盤根，起到止水效果；如不奏效，可通過預留球閥注入聚氨酯進行止水。

（7）止退措施在油缸換步時，起到支撐上部所有管節重量的作用，是整個頂升工作的重點，根據該工程經驗總結，對立柱及立柱自由端固定裝置采用螺旋千斤頂進行改進，可起到加大安全系數和提高施工效率的作用。

（8）當底座管節頂到位后，管節與管片之間用螺栓連接，基座底部焊接制動壓板，并作永久處理。管節與管片之間的縫隙采用水泥漿填充，以確保管節的整體穩定。

5 結束語

在施工過程中，為了確保頂升的順利進行，選擇取水口地質條件較好、特殊管片安裝質量較高的2號取水口開始首次頂升，然后依次頂升其余6孔。通過對垂直頂升力的估算和現場施工過程中的反復驗證，為海底隧道內管節的垂直頂升施工提供了有力的科學依據，現場施工中采用合理的頂升設備和止水材料，7孔取水口垂直頂升施工43 d順利完成，比預期提前了27 d。該項目已于2023年5月底投入商運，在安全、質量、工期、效益等各方面均取得了良好的效果。

參考文獻

[1]孫德山.垂直頂升法在水利工程中的施工應用[J].中國科技投資，2017（27）：29.

[2]蘇戰軍.垂直頂升法在水利工程中的施工應用[J].水利建設與管理，2015（5）：19-21.

[3]富忠權.海底隧道垂直頂升施工止水技術[J].建筑施工，2010（4）：302-303.

[4]方華.長距離小直徑隧道垂直頂升施工技術[J].建筑施工，2021（8）：1589-1591+1594.

[5]董勝憲.垂直頂升法在電廠取排水隧道工程中的應用[J].電力勘測設計，2012（6）：47-51+69.

[6]尤雪娣.大口徑垂直頂升取水構筑物在三門核電工程中的運用[J].電力勘測設計，2012（5）：48-52.