王補(bǔ)林 金仙法 王錫杰

寧波市政工程建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 浙江 寧波 315010

引言

垂直頂升工藝作為一種進(jìn)排水施工工藝，在國內(nèi)外沿海地區(qū)應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于發(fā)電廠、石油化工、污水處理廠等大型需要進(jìn)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(nèi)采用豎向千斤頂將取排水立管分節(jié)垂直頂出隧道進(jìn)入海域，形成取排水通道的施工技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)施工為確保頂升過程中強(qiáng)水壓下海水不滲入頂升管內(nèi)，提高安全性和生產(chǎn)效率，需要采用高效可靠的止水技術(shù)。因此，對(duì)海底頂管工程中垂直頂升管段封閉式悶板止水技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化具有重要意義。改進(jìn)后的封閉式悶板止水技術(shù)可以提高止水效果，降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)，減小工程難度，為垂直頂升管施工提供技術(shù)保障。本研究將有助于推動(dòng)海底頂管工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)海底長距離鋼管及相關(guān)垂直頂升管的施工的良好發(fā)展。

1 垂直頂升管段的結(jié)構(gòu)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(guān)鍵組成部分，主要承擔(dān)將凈化后中水排放至海域或從海域取用水資源的任務(wù)。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(fù)雜環(huán)境條件和多樣化需求[1]。

垂直頂升管段的結(jié)構(gòu)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(qiáng)度、耐腐蝕的金屬材料制作，如低碳鋼、不銹鋼等。管體的設(shè)計(jì)和選擇需要考慮工作環(huán)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(gè)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(shè)計(jì)和制作需滿足密封性能、抗拉強(qiáng)度等要求，以確保整個(gè)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(chǎn)。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(shè)計(jì)和選材需滿足耐高壓、耐高溫、耐腐蝕等性能要求。監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)用于對(duì)垂直頂升管段的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，確保頂升過程的安全。監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)通常包括壓力、溫度、流量等傳感器和控制器，與生產(chǎn)控制室連接，實(shí)時(shí)檢測(cè)預(yù)警。

2 封閉式悶板止水技術(shù)的改進(jìn)與優(yōu)化

2.1 新型封閉式悶板設(shè)計(jì)思路

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

2.2 新型防滲漏結(jié)構(gòu)與功能

新型封閉式悶板止水技術(shù)采用雙層密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)層柔性材質(zhì)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(yīng)管道內(nèi)壓力變化，結(jié)構(gòu)圖和效果圖如圖1所示。外層高強(qiáng)度材料采用高強(qiáng)度的Q355D鋼，以增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。加強(qiáng)肋的設(shè)計(jì)材料也采用Q355D鋼，保證在頂進(jìn)過程中具有足夠的抗壓能力。新型封閉式悶板止水技術(shù)的防滲漏原理主要體現(xiàn)在雙層密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)層柔性材質(zhì)能夠緊密貼合管道壁面，阻止水分進(jìn)入；外層高強(qiáng)度材料可以承受更大的壓力，防止內(nèi)層柔性材質(zhì)受損。此外，加強(qiáng)肋的設(shè)計(jì)在向上頂進(jìn)時(shí)提供了強(qiáng)抗壓作用，實(shí)際工程中抗壓能力可達(dá)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(shù)在兼顧止水功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了注漿減阻、排泥卸壓功能。根據(jù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化布置的注漿管路，對(duì)垂直頂升管外進(jìn)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(jìn)過程中的阻力；單向泄壓閥可在頂進(jìn)過程中遇到土壓強(qiáng)度過高時(shí)，頂升管頂端泄壓排氣，從而降低頂進(jìn)過程中的卸壓難度，降低管頂土壓力[2]。

圖1 新型防滲漏結(jié)構(gòu)

2.3 改進(jìn)后止水材料選用

針對(duì)現(xiàn)有封閉式悶板止水技術(shù)中密封材料存在的局限性，改進(jìn)后的止水材料選用應(yīng)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(huán)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(gè)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(qiáng)的耐腐蝕性能，能夠抵抗海水以及其他化學(xué)介質(zhì)的侵蝕。良好的機(jī)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(jī)械性能，以滿足海底頂管工程中的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境。環(huán)境適應(yīng)性：新型密封材料應(yīng)具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在各種復(fù)雜的海底環(huán)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(fù)合材料作為改進(jìn)后的止水材料，這種復(fù)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(yōu)越的耐壓、耐高溫、耐腐蝕、機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性[3]。

2.4 新型止水技術(shù)優(yōu)化措施

通過調(diào)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(shí)，在悶板的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)高效密封。采用高強(qiáng)螺栓連接，為后續(xù)海上作業(yè)噴口（鴨嘴閥）安裝時(shí)，縮短拆卸及連接設(shè)備安裝時(shí)間，降低施工成本，從而增強(qiáng)海上作業(yè)效率及安全性保障，提高海底頂管工程的運(yùn)行效率。自適應(yīng)密封技術(shù)能夠在不同工況下自動(dòng)調(diào)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(jìn)一步提高新型封閉式悶板止水技術(shù)在復(fù)雜海底環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，安裝效果如圖2所示。引入在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)封閉式悶板止水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低海底頂管工程的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 安裝效果圖

3 改進(jìn)后封閉式悶板止水技術(shù)的性能評(píng)價(jià)

3.1 止水效果評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證新型封閉式悶板止水技術(shù)的性能，需要對(duì)其止水效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法主要包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場應(yīng)用案例分析，結(jié)合密封性能、耐久性和環(huán)境適應(yīng)性等指標(biāo)，對(duì)比分析新型封閉式悶板止水技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的差異。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，新型封閉式悶板止水技術(shù)在不同工況下的密封性能均表現(xiàn)出色，有效抵抗了高壓、高溫和腐蝕性環(huán)境的影響。在現(xiàn)場應(yīng)用案例分析中，新型封閉式悶板止水技術(shù)在嘉興市污水處理擴(kuò)容工程外排三期（排海管擴(kuò)容部分）設(shè)計(jì)施工總承包項(xiàng)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(tǒng)技術(shù)相比，新型技術(shù)具有更高的密封性能和更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，大幅降低了海上施工風(fēng)險(xiǎn)。此外，新型封閉式悶板止水技術(shù)在安裝和拆卸過程中表現(xiàn)出更高的效率和便捷性，為現(xiàn)場作業(yè)提供了更多便利[4]。

3.2 工程難度評(píng)價(jià)

在評(píng)價(jià)新型封閉式悶板止水技術(shù)的工程難度時(shí)，主要從安裝、拆卸等方面進(jìn)行分析。在材料性能方面，新型密封材料具有較高的抗壓穩(wěn)定性，能夠在高強(qiáng)的頂管壓力下保持穩(wěn)定的密封效果，與傳統(tǒng)材料相比，施工穩(wěn)定性及施工安全系數(shù)更高。在安裝難度方面，新型封閉式悶板止水技術(shù)引入了創(chuàng)新的管路綜合布置，簡化了現(xiàn)場作業(yè)流程。相較于傳統(tǒng)技術(shù)，新型技術(shù)在安裝過程中更加簡便、高效。此外，新型封閉式悶板設(shè)計(jì)充分考慮了海底頂管涉及的注漿管路、卸壓設(shè)施的兼容性，降低安裝難度。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，新型技術(shù)在施工過程中能夠大幅減少作業(yè)時(shí)間和成本。同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的引入有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防密封問題，降低海底頂管工程的安全風(fēng)險(xiǎn)[5]。

4 結(jié)束語

新型封閉式悶板止水技術(shù)在結(jié)構(gòu)、材料和工藝方面得到了全面改進(jìn)，提高了密封性能、安裝拆卸便捷性和環(huán)境適應(yīng)性。新型止水技術(shù)采用雙層密封結(jié)構(gòu)和高分子聚合物橡膠，可有效適應(yīng)管道內(nèi)壓力變化，提高了密封性能和耐久性。加強(qiáng)肋的設(shè)計(jì)和內(nèi)部管路布置，使其在頂進(jìn)過程中具備強(qiáng)抗壓作用和減阻功能。同時(shí)，引入在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)封閉式悶板止水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低海底頂管工程的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過深入研究和優(yōu)化，新型止水技術(shù)有望在海底頂管工程中發(fā)揮更大作用，為頂管工程施工行業(yè)提供更安全、高效的解決方案。