施 雨

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開(kāi)挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200002

1 工程概況

1.1 工程概況

北海市鐵山港區(qū)污水處理廠排海管工程分為陸域埋管段及海域頂管段兩大部分，其中，海域頂管段分2個(gè)區(qū)間施工，頂管1區(qū)間長(zhǎng)2 180 m，頂管2區(qū)間長(zhǎng)1 442 m，頂管管道采用鋼管，管道外徑2 000 mm，壁厚22 mm，管中心標(biāo)高為－21.5 m。在頂管2段的前部布置有29根豎向排污管，豎管間距13 m，頂升高度12.5 m，豎管采用外徑500 mm的無(wú)縫鋼管，壁厚20 mm，鋼管焊縫等級(jí)要求為Ⅱ級(jí)。

1.2 水文地質(zhì)資料

垂直頂升施工區(qū)域位于北部灣鐵山港海域內(nèi)，鐵山港區(qū)潮汐屬不正規(guī)全日潮，潮汐作用較強(qiáng)，是華南沿海潮差最大的海區(qū)之一，平均潮位3.0 m，高潮位6.0 m，最大潮差6 m。由于該海域存在亂拋泥現(xiàn)象，海床面被抬高了5 m。豎管頂升需穿越的土層主要為⑤中粗砂層、③砂混淤泥層及①素填土，個(gè)別豎管需穿越⑧黏性土層。

2 施工難點(diǎn)

2.1 中粗砂對(duì)止水密封的磨損大

垂直頂升區(qū)域的地下水壓力達(dá)到260 MPa，且地下水與海水貫通，同時(shí)頂升需要穿越⑤中粗砂層（圖1）。在頂升的過(guò)程中，砂粒會(huì)沿著豎管外壁進(jìn)入止水裝置的密封內(nèi)，不斷磨損橡膠止水密封，導(dǎo)致密封與管外壁的間隙越來(lái)越大，在高水頭作用下，地下水滲入水平母管管道內(nèi)，最終擊穿橡膠止水密封，使整個(gè)水平母管被淹沒(méi)。因此，必須對(duì)垂直頂升的止水裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提升橡膠止水密封的耐磨性、密封性，保證施工安全，確保焊縫質(zhì)量不受止水裝置滲漏水的影響[1-2]。

2.2 地質(zhì)堅(jiān)硬且層厚大，導(dǎo)致頂升力過(guò)大

圖1 垂直頂升管縱剖面地質(zhì)示意

地質(zhì)勘探報(bào)告顯示，在29根豎管中有少量豎管上方土體為⑧黏性土層，該層承載力特征值達(dá)到280 kPa，管頂以上厚度達(dá)到2 m。垂直頂升采用悶頂工藝，在實(shí)際頂力達(dá)到設(shè)計(jì)最大允許頂力時(shí)，由于實(shí)際頂力小于⑧黏性土層被動(dòng)土壓力，所以可能出現(xiàn)豎管無(wú)法順利頂出的情況，如強(qiáng)行增加頂力，會(huì)引起水平母管變形、沉降等惡性現(xiàn)象，必須采取針對(duì)性措施保障正常的頂升施工。

2.3 管節(jié)數(shù)量多，頂升工效低

本工程頂管管道外徑為2 000 mm，壁厚22 mm。傳統(tǒng)頂升管節(jié)長(zhǎng)度約為0.25倍水平管管徑，管節(jié)長(zhǎng)度取0.5 m，單根豎管頂升管高度為12.5 m，需要25節(jié)管節(jié)，每根豎管有25個(gè)電焊接頭。頂管2段的長(zhǎng)度為1 442 m，在管道內(nèi)進(jìn)行電焊作業(yè)時(shí)產(chǎn)生大量的煙霧，管內(nèi)通風(fēng)效果受長(zhǎng)度制約，煙霧會(huì)對(duì)施工人員的健康造成很大的負(fù)面影響。因此，需要對(duì)頂升設(shè)備重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分利用水平管空間，增加豎向管節(jié)長(zhǎng)度，減少管節(jié)數(shù)量，提高頂升工效，減小煙霧對(duì)施工人員的身體傷害。

3 主要施工措施

3.1 洞口止水裝置設(shè)計(jì)

垂直頂升施工的難題之一，就是止水裝置滲漏水。傳統(tǒng)頂升裝置采用1道止水密封，且密封有不耐磨、無(wú)法更換等劣勢(shì)。在本工程高水頭、地質(zhì)條件復(fù)雜的特殊工況背景下，難題會(huì)被放大。針對(duì)這種特殊工況，主要采取以下幾種措施對(duì)止水裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)、革新（圖2）：

圖2 洞口止水裝置示意

1）設(shè)置雙道止水密封。在傳統(tǒng)盤(pán)根止水密封前增設(shè)1道Y形橡膠止水密封，加強(qiáng)裝置的止水性能。同時(shí)，在Y形止水密封上部設(shè)置2個(gè)油脂孔，在頂升前用盾尾油脂填充止水裝置與管節(jié)外壁之間的空隙，減緩粗砂顆粒沿管外壁進(jìn)入止水密封的速率，保護(hù)止水密封，增強(qiáng)密封的耐磨性。

2）在第1道止水密封失效后，第2道盤(pán)根止水密封將至關(guān)重要。在頂升施工過(guò)程中，豎管拼接錯(cuò)縫、焊縫毛刺、外壁防腐層表面細(xì)小顆粒等，會(huì)一直磨損第2道的石棉盤(pán)根密封，導(dǎo)致密封與管外壁之間的間隙逐漸增大。將傳統(tǒng)油浸石棉大盤(pán)根（厚35 mm）調(diào)整為雙道并列石棉小盤(pán)根（厚2 cm），通過(guò)收緊下部螺栓，將外止水推板向上推緊，雙道并列小盤(pán)根受擠壓后，可有效填充由磨損而產(chǎn)生的間隙。

3）在第1、第2道止水密封均失效的情況下，止水裝置必須有應(yīng)急措施來(lái)保證外界地下水不進(jìn)入管內(nèi)。因此，在Y形止水密封和石棉盤(pán)根密封之間設(shè)置2個(gè)聚氨酯孔，可壓入水性聚氨酯（無(wú)毒）緊急止水。完成止水后，更換第2道石棉盤(pán)根密封，繼續(xù)頂升施工。

3.2 海上引孔

少量豎管頂升需穿越⑧黏性土層，該層呈硬塑狀且層厚達(dá)2 m。在實(shí)際頂力已達(dá)到設(shè)計(jì)最大允許頂力時(shí)，出現(xiàn)豎管無(wú)法順利頂出的情況。針對(duì)此問(wèn)題，采用GPS在海面上定位垂直頂升管的位置，船舶上搭設(shè)高壓旋噴鉆機(jī)作業(yè)平臺(tái)，通過(guò)噴射觸變泥漿對(duì)豎管正上方的土體進(jìn)行引孔破壞。

在沉井下沉過(guò)程中，根據(jù)旋噴鉆機(jī)對(duì)沉井刃腳⑧黏性土層進(jìn)行引孔破壞的施工經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)值，在噴漿壓力達(dá)到24～26 MPa，氣壓為0.7～0.8 MPa的情況下，在⑧黏性土層中形成的孔洞直徑約為25 cm。因此，單根頂升管位置按照正方形布置了9排9列的引孔區(qū)，引孔區(qū)長(zhǎng)度1 m、寬度1 m，旋噴引孔孔徑為200 mm，搭接100 mm（圖3）。

圖3 海上引孔示意

3.3 頂升平臺(tái)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)頂升工藝是通過(guò)千斤頂作用于管節(jié)上進(jìn)行頂升，而頂升平臺(tái)則是起到固定和連接千斤頂?shù)淖饔?，大口徑管道采用傳統(tǒng)頂升平臺(tái)對(duì)管節(jié)長(zhǎng)度的影響不是很大。但是對(duì)小口徑管道進(jìn)行垂直頂升時(shí)，管節(jié)長(zhǎng)度增加意味著可有效減少焊縫數(shù)量，加快施工進(jìn)度，因而有必要對(duì)垂直頂升平臺(tái)重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分利用管內(nèi)空間（圖4）。

圖4 垂直頂升管節(jié)縱向剖面

按傳統(tǒng)頂升工藝，管節(jié)坐落于環(huán)向頂鐵上，環(huán)向頂鐵在千斤頂?shù)那安俊澳⒐筋^”上（千斤頂正放）。而在本工藝中，頂升管節(jié)放置于頂升平臺(tái)上，4個(gè)千斤頂放置于管節(jié)外側(cè)（千斤頂?shù)狗牛?，平臺(tái)與千斤頂外鋼套固定連接，平臺(tái)隨著千斤頂?shù)捻斏黄鹣蛏希@樣的平臺(tái)結(jié)構(gòu)可增加管節(jié)的長(zhǎng)度，減少管節(jié)數(shù)量，提升工效。

這種平臺(tái)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是利于管節(jié)拼接，解決管節(jié)錯(cuò)縫的難題。垂直頂升是采用悶頂工藝施工，在施工過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)或多或少的偏斜。將管節(jié)直接放置于平臺(tái)上，通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)千斤頂?shù)男谐滩?，讓平臺(tái)面板的偏斜與管節(jié)偏斜一致，確保管節(jié)接縫間隙一致，同時(shí)在平臺(tái)上設(shè)置2個(gè)限位卡碼固定底部管節(jié)，解決管節(jié)錯(cuò)縫的問(wèn)題[3-4]。

4 施工效果

1）在實(shí)際頂升過(guò)程中，29根豎管止水裝置均沒(méi)有出現(xiàn)滲漏水的現(xiàn)象，頂升施工的安全性得到保證，管節(jié)焊縫質(zhì)量經(jīng)過(guò)超聲波無(wú)損檢測(cè)全部達(dá)到Ⅱ級(jí)。

2）7#、8#、9#豎管頂升遇到⑧黏性土層，在采用旋噴引孔弱化土體措施后，豎管頂升最大頂力為1 200 kN，小于設(shè)計(jì)最大允許頂力2 500 kN，管道累積沉降量≤5 mm，符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。

3）本工程原單根豎管需要25節(jié)管節(jié)，采用新型垂直頂升平臺(tái)后增加了管節(jié)長(zhǎng)度，現(xiàn)單根豎管只需要21節(jié)管節(jié)，單根豎管頂升僅需48 h，節(jié)約9 h，29根豎管共節(jié)約11 d工期。同時(shí)，減少的焊接量也有效地改善了作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié)語(yǔ)

垂直頂升施工在取排水工程中的應(yīng)用日趨廣泛，其中越來(lái)越多的施工案例涉及超高水壓、復(fù)雜土質(zhì)等工況。本文針對(duì)頂升密封止水、頂力控制、一次頂升長(zhǎng)度等關(guān)鍵技術(shù)，提出了相關(guān)優(yōu)化措施，并在實(shí)際施工中得到有效驗(yàn)證，可為今后類(lèi)似工程提供有益的參考依據(jù)。