海底顶管工程中的垂直顶升施工技术

颜 超

1. 上海建工集团工程研究总院 上海 201114；2. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；3. 上海市非开挖建造工程技术中心 上海 200002

近年来，随着国内外进排水口施工技术的不断发展，垂直顶升法较传统的施工工艺（如筑岛围堰法、浮运沉井法以及海上钻井法等[1-2]）具有加快施工进度、避免对航道的影响以及大量节省工程投资等优势，在沿海、沿江地区大型给排水工程中备受青睐，如火力发电厂、城市取水以及污水处理厂等[3-4]。然而，目前垂直顶升法常用于盾构隧道工程中，在顶管工程中的使用相对较少。本文以某污水处理厂尾水排海管工程（海域段）为例，阐述钢管顶升在顶管工程中的应用，可供同类工程借鉴。

1 工程实例

1.1 工程概况

本污水处理厂尾水排海管工程（海域段）位于广西北海市铁山港区，其管道敷设线路为陆域高位排放井—深海排放口，排放井（含）至排放口距离约4 341 m（图1）。其中，2#井—B3排污口顶管区间近B3排污点400 m扩散段内布置29根φ500 mm上升管，其间距为13 m，壁厚20 mm，上升管长度为12.5 m，每根竖管由1节长50 cm和20节长60 cm钢管焊接组成，采用垂直顶升法施工，最终排污管DN80 mm鸭嘴阀的标高为－8.0 m（图2）。

图1 工程平面示意

图2 B3排污口顶升段示意

1.2 工程地质水文条件

铁山港区潮汐属不正规全日潮，潮汐作用较强，河床泥面标高、水位变幅受其影响变化较大，平均潮位3.00 m，最高潮位6.31 m。

顶升所经过的土层自下而上分别为：⑧黏性土、⑤粗砾砂土、③砂混淤泥土、①素填土，其主要穿越土层为⑤层、部分⑧层，工程地质条件相对较好。

2 顶升施工主要难点

1）顶力难以控制、顶升困难：由于顶升管上部覆土厚达20 m左右，并且土层的桩的极限端阻力比较大，所以钢管顶升时土压力较大，顶升力较难控制。

2）管节焊接困难、止水要求高：钢管顶升主要穿越⑤层和部分⑧层，渗透性良好，地下水压力达0.25 MPa左右，因此对止水、焊接要求非常高，一旦出现渗透，将给工程带来巨大困难，后续工作很难开展。

3）轴线控制难、纠偏难度大：由于覆土厚、埋深大，所以顶进过程中垂直度比较难以控制，纠偏不当容易导致管道变形。

3 垂直顶升法工艺流程

工艺流程[2,5]：母管管节加固→在母管节预留洞口处安装帽盖、首节管→母管顶进完毕进行地基加固→顶升设备安装、调试、记录初始数据→焊接第2节顶升管、防腐，顶升、记录相关数据→首节管顶升到位，设防回落措施→后续管节顶升依次操作→完成一根顶升管后焊接固定→顶升设备移至下一根。

4 顶升施工关键技术

4.1 顶升区母管节加固

在预制顶升段母管节时，在其内部采用Q235B环肋板、纵肋板加固，肋板厚22 mm，板高150 mm，焊缝高12 mm。环肋板沿主管纵向每隔350 mm设1道（顶升口进行加密，300 mm设1道）；纵肋板沿主管道环向间隔20°布置1道，环向肋板连续，纵向肋板隔断；顶升开口位置沿开口周边间隔45°设厚10 mm的三角形加强筋板。

4.2 顶升区地基加固

顶升前先对母管道下半部分土体进行洞内劈裂注浆加固（至拱腰位置），顶升完成后再进行上半部分土体加固，加固深度为2 m。注浆孔布置：沿水平主管道纵向每3 m设1排，每排沿环向均匀布置8～10个孔，孔深2.5 m；注浆采用P.O 32.5水泥，水灰比0.5∶1；采用后退式注浆，压力控制在0.5～1.0 MPa，注入率不小于20%。

4.3 顶升垂直度纠偏

钢管在顶升过程中，如与设计轴线发生偏差，应通过调整千斤顶的合力中心位置进行纠偏，具体措施如下：调节1～2只千斤顶行程来改变千斤顶合力的中心位置，同时增加测量次数，结合数据进行纠偏。在整个顶升过程中要勤测量，一旦发现偏差立即纠偏，否则将增加纠偏难度。

4.4 顶升过程中的测量

在顶升前，测量记录好管节4个点（相互垂直）与外止水推板之间的距离；在顶升过程中，每顶升1节管节，测量1～2次，以确保顶升管节的垂直度。

4.5 顶升过程中顶力控制

开始顶进时，顶力逐渐加大，当4只千斤顶总顶力达到1 000 kN左右时，要检查相邻水平钢管是否有变形，千斤顶油压应逐步提高，每次提高不超过200 kN，如果总顶力达到2 000 kN，检查竖管外形尺寸是否有变化，如无变化，继续加压。

4.6 止水装置安装

止水系统采用Y形止水橡胶和油浸盘根2道止水，安装在特殊管段，经测试合格后出厂。同时，在止水法兰挡圈上方布置1个聚氨酯孔（应急时才使用）和1个油脂孔。若止水系统出现漏水、漏砂情况，在调节止水轧兰失效的情况下，可通过压油脂，以确保顶升顺利安全施工（图3）。

图3 止水系统示意

5 垂直顶升施工

5.1 基槽开挖

由于顶升段覆土较厚，钢管顶升土压力较大，为了减少其对顶升的不利影响，对该段上部覆土进行基槽放坡开挖以减少覆土和土压力（图4）。

图4 基槽放坡开挖示意

5.2 顶升设备安装

顶升装置主要有顶升支座平台、顶升反力架、手拉葫芦、千斤顶、顶铁、液压油泵车以及电焊机等设备。其中，顶升反力架采用1 100 mm×3 000 mm的船形钢箱作为扩散面，并且其中心及位置应与顶升管中心及位置一致，然后在调整好水平度后将其固定；主顶油缸采用4只1 000 kN千斤顶，水平安置在顶升支座平台上，安装轴线必须与顶升管轴线一致（图5）。

5.3 顶升管节对位

为了防止已顶升完毕管节的回落，先在其周围与轧兰焊接3或4块定位板，再利用千斤顶将待顶管节与之进行对拢至设计焊接距离，检查对口合格后进行焊接、打磨、探伤以及防腐等工序，再继续顶升。

图5 顶升装置纵向剖面

5.4 顶升完成后固定焊接

顶升完成后，将轧兰与轧兰座推紧靠拢并焊接，同时为了保证后期不渗水，对螺栓与螺栓孔、轧兰与管节进行焊接。为了防止竖管回落，在轧兰底部与管节处设置8块三角形筋板进行加固连接。

5.5 排水头安装

在顶升完成后，由潜水员进行水下喷口管节的安装。预制喷口管节四周均布4个DN80 mm鸭嘴阀，阳极块焊接在喷口管节侧壁与顶部托架处。同时为了防冲刷，在顶升管四周一定范围内进行抛石。

6 结语

本文结合北海市污水处理厂尾水排海管工程（海域段），介绍了垂直顶升技术在顶管工程中的应用，得到如下结论：

1）由于顶升时需要很大的顶力，这在一定程度上危及到了母管的安全，因而对母管管节以及顶升区段采取了相应的加固措施，经实践证明，取得了很好的效果。

2）防漏水、漏砂是顶升工作能够顺利进行的关键因素之一，本工程采取的止水系统有效地防止了这一不利现象的出现，取得了不错的成效。

3）垂直顶升法比其他方法简便、工期短，能够“全天候”施工，不受潮汐、风浪、气候变化等自然条件的影响，基本上2 d就能完成1根12 m左右的顶升管。

4）顶升设备简单，不需要大量的水上作业施工机具，减少了水上作业，施工成本低，经济效益好。