陳 閩，黃永富

（1.浙江省杭州市七格污水處理廠工程建設(shè)指揮部，浙江 杭州310000；2.中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212000）

1 垂直頂升工藝介紹

1.1 垂直頂升工藝應(yīng)用

垂直頂升作為一種進(jìn)排水口實(shí)施工藝，在國(guó)內(nèi)外沿海沿江地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)逐步應(yīng)用于建造火力發(fā)電廠、石油化工、城市取水口、污水處理廠等大型進(jìn)排水口的施工［1，2］。垂直頂升工藝代替了以往采用筑島圍堰法、浮運(yùn)沉井法、預(yù)制沉放法或海上鉆井法等施工法，不僅加快施工進(jìn)度，避免對(duì)航道的影響，也大量節(jié)省了工程投資［3］。此外，用此法建成的進(jìn)排水管道比傳統(tǒng)的要長(zhǎng)得多，可伸入海域較遠(yuǎn)處，以取得較為潔凈的水源或排污水于遠(yuǎn)海之中。

1.2 垂直頂升工藝原理

垂直頂升是在已經(jīng)完成的管道內(nèi)，安裝移動(dòng)頂升支架，將加工好的頂升管節(jié)從井區(qū)內(nèi)運(yùn)送到預(yù)留口處，頂升管與預(yù)留管連接后，用頂升支架上的千斤頂，將頂升管一節(jié)一節(jié)頂出主管道，一般采用悶頂方式，穿破覆蓋土層，到達(dá)指定高度或露出河床，隨后在水下揭去頂蓋，安裝單向閥門(mén)形成排放口，使進(jìn)排水管道與江海中的水域連通（圖1、圖2）。

圖1 垂直頂升施工環(huán)向剖面

圖2 垂直頂升施工縱剖面

2 應(yīng)用工程實(shí)例

2.1 工程概況

杭州市某污水處理廠三期排江工程，其設(shè)計(jì)排放規(guī)模為60萬(wàn)t／d。排江主管為鋼管和砼管組合管，前部有垂直頂升的部位是DN2880的鋼管，其余是DN2400的砼管道。工程共設(shè)有11根垂直頂升管，其中主排放管9根，應(yīng)急排放管2根，間距為11m設(shè)置一根；設(shè)計(jì)頂升管內(nèi)徑1m，外徑1.04m；受主管道空間和頂進(jìn)設(shè)備的影響，預(yù)設(shè)單節(jié)管段長(zhǎng)度為91cm。每條豎管長(zhǎng)度在20m左右，具體長(zhǎng)度見(jiàn)表1、圖3。

表1 豎管數(shù)據(jù)

圖3 主排放管垂直頂升管道剖面

2.2 地質(zhì)水文資料

豎管頂升均在錢塘江底的管道內(nèi)進(jìn)行，錢塘江屬感潮型河流，呈不規(guī)則半日潮型，水位直接受潮汐影響，變幅較大；平均潮位4.10m，最大潮差4.90m；河床泥面標(biāo)高受潮汐影響變化大。豎管所經(jīng)過(guò)的土層依次為：③－4粉質(zhì)粘土夾少量粉砂、③－3淤泥質(zhì)粘土夾少量粉砂、③－2粉質(zhì)粘土夾少量粉土、②－2粉土夾粉砂、②－1砂質(zhì)粉土和①層的砂質(zhì)粉土。其中在①層中有少量拋石。根據(jù)地質(zhì)資料反映的土層各類參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各類工層參數(shù)

2.3 工程實(shí)施情況

該工程頂升管是在頂管完成395m和458m后進(jìn)行的，11月30日進(jìn)行首根施工，至12月24日完成4根80m的頂升任務(wù)，前期兩根管采用日班制實(shí)施，平均7d完成1根，后期采用兩班制，平均4d完成1根，包含了設(shè)備移位和安裝的時(shí)間。正常情況下，1d可以完成4～5節(jié)段，合理的頂升工期為60d，最終完成時(shí)間是1月26日，58d完成11根頂升管，與總計(jì)劃安排一致。

3 垂直頂升實(shí)施過(guò)程

3.1 頂升工藝流程

3.1.1 前期準(zhǔn)備

用于頂升的主管道進(jìn)場(chǎng)并檢驗(yàn)合格后，安裝頂升套管、悶頭、頂升頭（預(yù)埋管）、止水裝置以及焊接加強(qiáng)環(huán)板等。主管道頂進(jìn)時(shí)注意保持預(yù)埋口的中心位置在管道頂部，防止旋轉(zhuǎn)偏移。在主管道頂進(jìn)到位后，豎管頂升之前，進(jìn)行管外壁的泥漿置換，將水泥漿壓入管外壁，置換原先潤(rùn)滑膨潤(rùn)土泥漿，置換壓力控制在2～3MPa。

3.1.2 工藝流程

垂直頂升工藝流程見(jiàn)圖4。

3.2 豎管頂升施工

3.2.1 垂直頂升設(shè)備安裝

將垂直頂升設(shè)備包括反力架、千斤頂、墊塊、油泵車、焊機(jī)以及通風(fēng)用射流風(fēng)機(jī)等，從井區(qū)將設(shè)備運(yùn)送到垂直頂升預(yù)埋管下方，頂升反力架底座采用50mm厚鋼板作為擴(kuò)散面。鋼板安裝于主管道加強(qiáng)肋板上，底部用沙子填充密實(shí)。主頂油缸采用4只1 500kN千斤頂。千斤頂應(yīng)水平安置在鋼板后座上，安裝千斤頂必須使安裝軸線與頂管軸線一致，使垂直頂升反力架中心及位置與預(yù)埋管中心及位置一致，然后調(diào)整垂直頂升反力架水平度，調(diào)整好后的反力架應(yīng)適當(dāng)固定，防止頂升過(guò)程中產(chǎn)生頂力偏差，導(dǎo)致頂管軸線偏移。

圖4 頂升工藝流程框

圖5 頂升管洞口預(yù)置斷面

3.2.2 止水裝置安裝

垂直頂升止水是頂升的關(guān)鍵，所以止水裝置的設(shè)計(jì)和安裝至關(guān)重要，本工程止水結(jié)構(gòu)如圖，分兩個(gè)過(guò)程實(shí)施的，首先是預(yù)埋管時(shí)安裝兩道橡膠止水圈。頂升施工時(shí)再安裝止水軋?zhí)m，和兩根F50油盤(pán)根止水，軋?zhí)m片與預(yù)埋套管法蘭用M20螺栓連接，以利于壓緊調(diào)整間隙達(dá)到止水效果。

3.2.3 管節(jié)對(duì)位

頂升管節(jié)采用小車運(yùn)輸就位，在垂直頂升的設(shè)備安裝時(shí)將垂直頂升底座上滑軌高度與主管道內(nèi)運(yùn)輸軌道保持一致，管節(jié)通過(guò)小車運(yùn)輸?shù)酱怪表斏恢煤?，利用滑軌和手拉葫蘆使管節(jié)與已頂升管節(jié)連接。就位后的對(duì)接采用上下管口焊接限位塊，利用頂升主千斤頂頂升對(duì)攏。檢查對(duì)口誤差合格后進(jìn)行焊接防腐等工序。

3.2.4 頂升施工

開(kāi)始頂升時(shí)由于悶頭與套管之間有一定粘附力，頂力可能較大，此時(shí)應(yīng)調(diào)好溢流閥將總頂力控制在1 000～1 200kN，在頂升過(guò)程中，逐步調(diào)高油壓。在初頂階段應(yīng)密切注意，若發(fā)現(xiàn)豎管垂直度略有偏差應(yīng)及時(shí)調(diào)整總頂力作用點(diǎn)，確保豎管垂直度。當(dāng)管節(jié)頂升一定高度，須注意垂直頂升頂力，若反力大于1 200kN應(yīng)繼續(xù)頂升10～20cm，油壓持續(xù)5min后，回縮千斤頂10～20cm，此時(shí)靜止反力會(huì)降下來(lái)。當(dāng)靜止反力小于1 200kN時(shí)，再用鋼支撐固定豎管，回縮千斤頂，安裝下一節(jié)管節(jié)。止退裝置采用焊接鋼支撐架來(lái)完成。

3.2.5 頂升與主管固結(jié)

當(dāng)豎管管節(jié)頂升至設(shè)計(jì)高度時(shí)，從底部預(yù)留壓漿孔向套管外壓水泥漿進(jìn)行注漿處理。待漿液凝固后再拆除止水軋?zhí)m，并焊接密封壓板及固定板，最后回縮千斤頂。

3.3 施工技術(shù)要點(diǎn)

3.3.1 管道底部加固

由于實(shí)施垂直頂升時(shí)，在豎管處管道將受集中荷載，該處荷載是以施工設(shè)備荷載、管節(jié)自重、正面土壓力、管壁摩阻力、水壓力等組成。預(yù)計(jì)頂力為達(dá)300～400t。為防止豎頂引起鋼管破壞，除了鋼管自身的強(qiáng)度加固外，在豎頂區(qū)域底部通過(guò)壓漿孔預(yù)先對(duì)鋼管外側(cè)進(jìn)行壓密注漿加固，注漿壓力控制在2.4～2.5MPa，從而增加管道特殊段底部土體強(qiáng)度，長(zhǎng)度為豎頂段兩端延伸至11m，計(jì)算管底承載力T。

L2為3節(jié)管道長(zhǎng)11m；P為下臥層地基承載力150kN／m2（地基加固后）。根據(jù)公式得T＝2.88×11×150＝4 752kN。

3.3.2 頂升架安裝

在頂升裝置安裝時(shí)，首先要平整、墊實(shí)、強(qiáng)制對(duì)中，使安裝軸線與頂管軸線一致，確保立管的準(zhǔn)確度。豎頂反力架要形成一個(gè)鋼性整體，豎頂反力擴(kuò)散到11m長(zhǎng)度的鋼管上。

3.3.3 止水裝置的安裝

止水裝置安裝要點(diǎn)是裝置中的法蘭片均要精加工，保證鋼管和套管的圓度；悶頭的結(jié)構(gòu)要承受水平頂力的傳遞，還要承受豎頂時(shí)的正面阻力的作用；止水橡皮的邵氏硬度比一般的管節(jié)止水橡膠圈稍大些，延伸率相對(duì)則小些，應(yīng)選擇耐磨性高的材料加工制成；施工過(guò)程中增加兩道油盤(pán)根輔助止水；套管上預(yù)裝兩個(gè)注漿孔，以備緊急情況下注漿止水。

3.3.4 頂升壓力減少措施

為了減小豎管的頂升阻力，現(xiàn)在頂升管悶頭板上埋設(shè)φ20高壓閘閥1只，另外設(shè)置φ50出泥泄壓孔一只，當(dāng)垂直頂升時(shí)壓力較大時(shí)，可以通過(guò)φ20閘閥向外進(jìn)行高壓沖水，沖出的泥漿由φ50出泥泄壓孔中排出，這樣可以減少垂直頂升時(shí)的正面阻力。排出的泥漿通過(guò)管道排至泥水箱中后運(yùn)出管外。另外加工2～3根φ1 400的鋼套管應(yīng)急備用，在頂升困難時(shí)，上述措施不能解決頂升時(shí)，由水中振動(dòng)沉下，進(jìn)行空氣吸泥以減小豎管正面阻力，從而確保豎管頂升順利完成。

3.3.5 其他輔助措施

在豎頂施工過(guò)程中，對(duì)鋼管管道沉降初值進(jìn)行觀測(cè)，豎管頂升時(shí)，應(yīng)采取水準(zhǔn)儀觀察鋼管沉降情況，沉降報(bào)警值定于＜25mm，該豎頂處的沉降量大于報(bào)警值時(shí)，施工人員應(yīng)立即上報(bào)技術(shù)管理部門(mén)，待綜合觀察其他鋼管的情況后，采取相應(yīng)措施后再繼續(xù)實(shí)施。每根管節(jié)接管時(shí)要求平直，減少累計(jì)誤差；焊接完畢后，外環(huán)需要打磨平滑，以防損壞止水橡膠。每節(jié)頂管結(jié)束后，需燒焊防管段后退（下滑）支撐裝置，以防止接管管段下滑。在接管時(shí)，應(yīng)先測(cè)量豎管直徑，其直徑大于設(shè)計(jì)直徑1cm時(shí)，即不可使用。采用壓配重和調(diào)整中繼站千斤頂方向相結(jié)合，有效解決管道偏轉(zhuǎn)問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

頂力和頂升長(zhǎng)度關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 距離和壓力關(guān)系

通過(guò)對(duì)前面4根管道頂升數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，可以看出頂升管的最大頂力是在頂升第5節(jié)的時(shí)候，此時(shí)土體被壓縮到極限，處于剪切的臨界點(diǎn)，一旦突破后頂力就開(kāi)始下降。垂直頂升頂力驗(yàn)算（按照頂升20m計(jì)算）；摩阻力系數(shù)驗(yàn)算；施工組織設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算摩阻力的f取值為20kN／m2，計(jì)算實(shí)際最后頂升時(shí)的頂力Fm，故Fm＝8／40×150×4＝1 200kN。

與f＝1 200／3.14／1／20＝19.11kN／m2基本吻合。最大垂直頂力F。

F＝24／40×150×4＝3 600kN，已經(jīng)計(jì)算過(guò)的允許頂力T＝4 752kN，T＞F，故頂力設(shè)計(jì)是安全的。

這種施工工藝與其他傳統(tǒng)工藝相比，具有如下特點(diǎn)。

（1）垂直頂升施工處于已建管道內(nèi)施工，施工時(shí)不受潮汐、風(fēng)浪、氣候變化等自然的影響，使垂直頂升能夠“全天候”施工。

（2）施工設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要水上作業(yè)的大型機(jī)具和施工設(shè)備，避免了大量水上作業(yè)難度。

（3）施工工藝較其他方法簡(jiǎn)便，施工工期短，基本上每天就能完4～5m高的管道。

（4）施工成本低，造價(jià)大大低于其他施工方法，經(jīng)濟(jì)效益高。

（5）勞動(dòng)力少，配合工作量小，對(duì)周圍毫無(wú)影響，提高了社會(huì)效益，減少了間接開(kāi)支。

本工程排放口采用垂直頂升法施工，從地面防腐處理，垂直水平運(yùn)輸直至頂升，每班有7～8人就可以進(jìn)行施工。其中地面操作2人，包括垂直運(yùn)輸行車司機(jī)。井下操作5～6人，包括電瓶車、油泵司機(jī)等。工程自11月30日實(shí)施，元月26日結(jié)束歷時(shí)58d完成11根豎管頂升任務(wù)，工程費(fèi)用估算120萬(wàn)左右，如采用水上浮運(yùn)施工預(yù)計(jì)費(fèi)用不少于1 000萬(wàn)元，可見(jiàn)垂直頂升的效益明顯。

垂直頂升一般應(yīng)用于盾構(gòu)隧道比較多，而用于頂管管道相對(duì)較少。其主要原因包括頂管會(huì)不可避免產(chǎn)生管道旋轉(zhuǎn)，而盾構(gòu)隧道則沒(méi)有此方面的問(wèn)題出現(xiàn)，因此頂管后垂直頂升的難度大，需控制管節(jié)旋轉(zhuǎn)，調(diào)整垂直頂升預(yù)留口的偏差值；同時(shí)，頂管管道空間相對(duì)隧道則小得多，頂管內(nèi)頂升反力沒(méi)有隧道內(nèi)頂升大。

［1］富忠權(quán).海底隧道垂直頂升施工止水技術(shù)［J］.建筑施工，2010，4（32）：302～303.

［2］王壽生，葛春輝.垂直頂管計(jì)算方法的探討［J］.特種結(jié)構(gòu)，2009，5（26）：18～21.

［3］張貴義.鋼管混凝土頂升技術(shù)應(yīng)用［J］.建設(shè)，2010（7）：50～60.