鄧 前 鋒

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200002)

1 垂直頂升工藝介紹

垂直頂升工藝是在已施工完成的水平隧道上部預(yù)留頂升口，并用液壓設(shè)備將立管逐節(jié)向上頂升穿過土層，頂部封蓋板由潛水員水下拆除后，再安裝取、排水頭的取排水施工工藝。

隨著我國核電建設(shè)進(jìn)一步發(fā)展，部分濱海核電站開始選用盾構(gòu)隧道取排水，取水量增大要求垂直頂升立管與取水口尺寸也相應(yīng)增大。因此，垂直頂升工藝需要進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化，以滿足取、排水口大型化的趨勢(shì)。

2 背景工程概況及技術(shù)難點(diǎn)分析

三門核電一期取水工程，是盾構(gòu)隧道與垂直頂升工藝相結(jié)合在核電工程施工中的首次成功運(yùn)用，即在外徑7 100 mm的取水隧道中垂直頂升國內(nèi)最大口徑取水口，立管外尺寸達(dá)2.44 m×2.44 m(如圖1所示)。

該工程取水口垂直頂升施工技術(shù)難點(diǎn)分析如下：

1)施工前需建立合理的計(jì)算模型，對(duì)超大尺寸取水口垂直頂升施工工況進(jìn)行準(zhǔn)確地受力分析。

2)取水隧道直徑和頂升立管的尺寸大幅增大，需重新研制適用于本工程的專用垂直頂升施工裝置。

3)立管尺寸增大，外界水土進(jìn)入隧道的通道周長和區(qū)域增加，需對(duì)垂直頂升止水系統(tǒng)一級(jí)防滲漏應(yīng)急處理措施進(jìn)一步優(yōu)化。

4)現(xiàn)有廠址海域淤積情況嚴(yán)重，原設(shè)計(jì)取水頭高程需進(jìn)行抬高，需提出新的設(shè)計(jì)施工方案。

3 超大尺寸取水口垂直頂升工況受力分析

1)地質(zhì)水文條件及相關(guān)計(jì)算參數(shù)。

垂直頂升區(qū)域海底泥面標(biāo)高約-15 m，覆蓋土厚約9 m；海平面水位按1%高潮位+4.94 m作為計(jì)算水面高程。取水隧道頂升口帽蓋頂標(biāo)高約為-23.5 m，垂直頂升管底標(biāo)高為-24.3 m。

取水頭垂直頂升涉及地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)表

2)頂升力分析與計(jì)算。

當(dāng)垂直頂升立管上部土體剪切破壞時(shí)需要的頂升力后，結(jié)合管節(jié)重量、轉(zhuǎn)向法蘭重量、止水框之間摩阻力后算得最大頂升力Fmax=5 763 kN(管節(jié)與土體間摩阻力較小可忽略)。

4 核電超大尺寸取水口技術(shù)優(yōu)化措施

4.1 專用垂直頂升裝置研制

依據(jù)計(jì)算所得最大頂升力，同時(shí)考慮頂升過程中糾偏及頂力富裕量要求，確定其額定頂升力和最大頂升力分別為9 600 kN和12 000 kN。

在通用頂升裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)本工程特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性改進(jìn)，研制專用垂直頂升裝置。采用BIM等軟件進(jìn)行施工模擬，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)合理性，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。復(fù)核在4 000 kN～8 000 kN頂力下其結(jié)構(gòu)變形、節(jié)點(diǎn)受力狀況，利用鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算和有限元分析軟件進(jìn)行驗(yàn)算，重點(diǎn)對(duì)支撐底部基座、豎頂下托支撐等薄弱部位進(jìn)行核算后強(qiáng)化設(shè)計(jì)。

該裝置由弧形擴(kuò)散基座，頂升架本體、液壓頂升系統(tǒng)(千斤頂和油泵車)、豎頂下托支撐等組成，全部由型鋼組裝焊接，為整體剛性結(jié)構(gòu)，配備8個(gè)額定頂力為1 200 kN的千斤頂，液壓系統(tǒng)分八組油路單獨(dú)控制，可承受超過8 000 kN設(shè)計(jì)荷載。其弧形擴(kuò)散基座為整體鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)與下部管片接觸面積大于24 m2，接觸面上鋪設(shè)橡膠墊板，以控制隧道變形量、螺栓和管片的受力(如圖2所示)。

4.2 垂直頂升止水系統(tǒng)改進(jìn)及應(yīng)急防滲漏措施

垂直頂升立管外壁與預(yù)留頂升口管片間設(shè)計(jì)預(yù)留約1 cm的間隙，與止水框之間預(yù)留約3 cm間隙(如圖3所示)。

由于取水口尺寸增大，止水框與立管間滲漏通道間隙及長度均顯著增加，頂升過程中的立管姿態(tài)變化、頂升完畢后注漿效果不佳等原因易導(dǎo)致頂進(jìn)過程中、底座管節(jié)處理時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的滲漏現(xiàn)象。

總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)，本次施工前對(duì)止水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)如下：

1)增設(shè)頂升口外側(cè)止水橡皮。

頂升口四周相鄰的六塊管片拼裝前，在管片外弧上面安裝止水橡膠板，橡膠板伸出管片環(huán)面7 cm～10 cm，類似于水平頂管洞口橡膠止水，可有效阻止泥水涌入隧道內(nèi)。

2)采用調(diào)節(jié)壓板和調(diào)節(jié)螺栓設(shè)計(jì)，可根據(jù)立管姿態(tài)分區(qū)域調(diào)整油浸盤根的位置和松緊，止水效果更好，且盤根過程中不易損壞。

3)用四道直徑40 mm油浸盤根替代原設(shè)計(jì)的三道直徑30 mm的油浸盤根止水，提高止水效果。

4)設(shè)置雙道止水系統(tǒng)，即止水框盤根上方增設(shè)一道橡皮圈止水(如圖4所示)。這一改進(jìn)設(shè)計(jì)還可有效避免頂升完畢后拆除油浸盤根止水后漏水影響焊接施工。

5)做好滲漏應(yīng)急處理預(yù)案：考慮滲漏嚴(yán)重時(shí)可進(jìn)行雙液注漿或壓入聚氨酯堵漏，頂升施工前在止水框四個(gè)側(cè)面均留置壓漿孔，安裝好注漿閥。

6)頂升口處(帽蓋)兩塊開口環(huán)GDK塊之間安裝時(shí)加貼止水橡膠條，并對(duì)環(huán)縫采用電焊填充封閉，防止從該縫隙中漏泥漏水。

4.3 增設(shè)附加管節(jié)抬高取水頭防止運(yùn)行期淤積措施

施工期間，1號(hào),2號(hào)機(jī)組取水頭附近海床淤積嚴(yán)重，原設(shè)計(jì)取水頭淤積安全高度已無法滿足電廠長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求，故擬抬高取水頭標(biāo)高。頂升施工后期與海水貫通，直接增加頂升兩節(jié)立管管節(jié)存在較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，采用了原設(shè)計(jì)垂直頂升立管段施工長度不變，頂部增加的兩個(gè)立管改為水下安裝的方案。

該方案優(yōu)化結(jié)合了垂直頂升和水下安裝工藝，首次提出取水頭安裝之前安裝若干節(jié)附加管節(jié)的設(shè)計(jì)思路，成功解決了由于淤積原因需抬高取水頭的問題，并為后續(xù)更換管節(jié)和繼續(xù)抬高取水頭留有空間。

5 應(yīng)用效果

本次施工立管最大垂直度偏差僅為0.43%H，小于0.5%H的標(biāo)準(zhǔn)值；垂直頂升施工及完成后，水平隧道及立管無變形、破損現(xiàn)象；管節(jié)間連接牢固；施工中無漏泥漏水現(xiàn)象，施工完成后無明顯滲水和水珠現(xiàn)象，止水效果良好(如圖5所示)。

水平隧道沉降、橢圓度情況：最大橢圓度變化為0.67%D；沉降數(shù)值較小，均小于5 mm。

附加管節(jié)水下安裝施工便捷快速，兩條隧道16個(gè)取水頭均成功抬高至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

6 結(jié)語

1)針對(duì)三門核電超大口徑取水口垂直頂升工況進(jìn)行受力計(jì)算分析，并通過實(shí)測(cè)頂力值進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)測(cè)值略低于計(jì)算最大頂升力值，分析認(rèn)為主要原因可能為：頂升施工時(shí)海平面水位未達(dá)設(shè)計(jì)高潮位導(dǎo)致水壓力小于計(jì)算值。

2)結(jié)合核電大口徑隧道尺寸，參考計(jì)算分析得出的頂升力最大值，研發(fā)了超大尺寸專用垂直頂升施工裝置，并成功運(yùn)用于施工。

3)對(duì)關(guān)鍵的垂直頂升止水系統(tǒng)裝置進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并做好防滲應(yīng)急處理措施。整個(gè)頂升施工過程未發(fā)現(xiàn)漏水漏泥現(xiàn)象，施工完畢后止水效果依然可靠。

4)利用垂直頂升和水下安裝工藝相結(jié)合，增設(shè)水下附加管節(jié)安裝設(shè)計(jì)，可在降低施工風(fēng)險(xiǎn)的前提下，快捷便利地提高取水頭標(biāo)高，防止運(yùn)行期取水口淤積；并為覆土層厚、頂力較大的垂直頂升難題提供了新思路。

結(jié)合工程實(shí)際對(duì)垂直頂升施工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，成功應(yīng)用于核電取水超大尺寸取水口工程，對(duì)同等尺寸或更大口徑的取、排水口垂直頂升施工具有重要的借鑒價(jià)值。