海底顶管工程中垂直顶升管段封闭式闷板止水技术的改进与优化研究

王补林 金仙法 王锡杰

宁波市政工程建设集团股份有限公司 浙江 宁波 315010

引言

垂直顶升工艺作为一种进排水施工工艺，在国内外沿海地区应用广泛，主要应用于发电厂、石油化工、污水处理厂等大型需要进排水口的施工中。垂直顶升法则是在施工完成的水平隧道内采用竖向千斤顶将取排水立管分节垂直顶出隧道进入海域，形成取排水通道的施工技术。该项技术施工为确保顶升过程中强水压下海水不渗入顶升管内，提高安全性和生产效率，需要采用高效可靠的止水技术。因此，对海底顶管工程中垂直顶升管段封闭式闷板止水技术进行改进和优化具有重要意义。改进后的封闭式闷板止水技术可以提高止水效果，降低泄漏风险，减小工程难度，为垂直顶升管施工提供技术保障。本研究将有助于推动海底顶管工程领域的技术进步，促进海底长距离钢管及相关垂直顶升管的施工的良好发展。

1 垂直顶升管段的结构与功能

垂直顶升管段（Vertical Riser Section，简称VRS）是海底顶管工程中的关键组成部分，主要承担将净化后中水排放至海域或从海域取用水资源的任务。垂直顶升管段具有良好的抗拉、抗压、抗扭、抗腐蚀性能，以满足海底顶管工程的复杂环境条件和多样化需求[1]。

垂直顶升管段的结构一般由以下几部分组成。管体：管体是垂直顶升管段的主要部分，通常采用高强度、耐腐蚀的金属材料制作，如低碳钢、不锈钢等。管体的设计和选择需要考虑工作环境、压力、温度等因素，以确保在使用过程中具有良好的安全性能和使用寿命。管段连接：管段连接是垂直顶升管段各个管段之间的连接部分，通常采用法兰连接、焊接连接等方式。连接部分的设计和制作需满足密封性能、抗拉强度等要求，以确保整个垂直顶升管段的完整性和可靠性。密封和止水装置：密封和止水装置用于在垂直顶升过程中顶升前段向上承压及破土的止水效果，保证安全生产。常用的密封和止水装置包括封闭式闷板、密封圈等。密封和止水装置的设计和选材需满足耐高压、耐高温、耐腐蚀等性能要求。监测与控制系统：监测与控制系统用于对垂直顶升管段的工作状态进行实时监测和调控，确保顶升过程的安全。监测与控制系统通常包括压力、温度、流量等传感器和控制器，与生产控制室连接，实时检测预警。

2 封闭式闷板止水技术的改进与优化

2.1 新型封闭式闷板设计思路

为克服现有封闭式闷板止水技术的局限性，本文提出一种新型封闭式闷板设计，新型闷板采用优化的几何结构、高性能密封材料，以提高密封性能、耐久性和环境适应性。在闷板的几何结构方面，优化了密封槽的形状和尺寸，在增强密封材料与闷板之间的接触面积和压力分布均匀性，从而提高密封效果，同时在层间布设注浆管路，具备注浆减阻功能。同时，考虑到海底复杂环境的影响，闷板的整体结构也进行了强度和刚度的优化设计，面板加肋及多层钢板形式，在提高抗压强度的同时减少钢材使用，提高强度及经济性。在密封材料方面，选用了一种具有高耐压、耐高温、耐腐蚀性能的新型复合材料，取代了传统的橡胶或聚四氟乙烯材料，这种复合材料能够在海底极端环境下保持良好的密封性能。在连接形式上，改变传统的焊接连接形式，闷板与垂直顶升管采用高强螺栓连接，安装及拆卸简便，施工安全系数提高。

2.2 新型防渗漏结构与功能

新型封闭式闷板止水技术采用双层密封结构，内层柔性材质采用高分子聚合物橡胶，具有良好的弹性和密封性能，可有效适应管道内压力变化，结构图和效果图如图1所示。外层高强度材料采用高强度的Q355D钢，以增强整体结构的稳定性。加强肋的设计材料也采用Q355D钢，保证在顶进过程中具有足够的抗压能力。新型封闭式闷板止水技术的防渗漏原理主要体现在双层密封结构，内层柔性材质能够紧密贴合管道壁面，阻止水分进入；外层高强度材料可以承受更大的压力，防止内层柔性材质受损。此外，加强肋的设计在向上顶进时提供了强抗压作用，实际工程中抗压能力可达50MPa。通过注浆管路和泄压阀的布置，新型封闭式闷板止水技术在兼顾止水功能的同时，实现了注浆减阻、排泥卸压功能。根据实际工程数据，通过优化布置的注浆管路，对垂直顶升管外进行注浆减阻，可以降低顶升管道10.5%左右摩擦力，有效降低顶进过程中的阻力；单向泄压阀可在顶进过程中遇到土压强度过高时，顶升管顶端泄压排气，从而降低顶进过程中的卸压难度，降低管顶土压力[2]。

图1 新型防渗漏结构

2.3 改进后止水材料选用

针对现有封闭式闷板止水技术中密封材料存在的局限性，改进后的止水材料选用应符合以下要求。高耐压性能：选用的新型密封材料需要具备高耐压性能，能够在高压环境下保持良好的密封效果，有助于顶升过程中的止水密封效果，有助于在顶升过程中密封材料不因压力变化而破坏失效，提高整个垂直顶升管段的密封可靠性。耐腐蚀性能：海底顶管工程中的密封材料需具备较强的耐腐蚀性能，能够抵抗海水以及其他化学介质的侵蚀。良好的机械性能：新型密封材料需要具备良好的抗拉、抗压、抗磨损等机械性能，以满足海底顶管工程中的复杂应力环境。环境适应性：新型密封材料应具备较强的环境适应性，能够在各种复杂的海底环境（如极低温、高盐分、高压）下保持良好的密封性能。综合以上要求，选用一种新型复合材料作为改进后的止水材料，这种复合材料由高分子聚合物基体和特殊填充物（如纳米颗粒、短切纤维等）组成，具有优越的耐压、耐高温、耐腐蚀、机械性能和环境适应性[3]。

2.4 新型止水技术优化措施

通过调整密封材料与闷板之间的接触面积和压力分布，以提高密封效果，同时，在闷板的设计中考虑到不同密封材料的特性，以确保新型止水材料能够与闷板良好贴合，实现高效密封。采用高强螺栓连接，为后续海上作业喷口（鸭嘴阀）安装时，缩短拆卸及连接设备安装时间，降低施工成本，从而增强海上作业效率及安全性保障，提高海底顶管工程的运行效率。自适应密封技术能够在不同工况下自动调整密封材料的压力分布和接触面积，以保持良好的密封效果，有助于进一步提高新型封闭式闷板止水技术在复杂海底环境下的稳定性和可靠性，安装效果如图2所示。引入在线监测技术，对封闭式闷板止水系统进行实时监控，降低海底顶管工程的安全风险。

图2 安装效果图

3 改进后封闭式闷板止水技术的性能评价

3.1 止水效果评价

为验证新型封闭式闷板止水技术的性能，需要对其止水效果进行评价，评价方法主要包括实验室测试和现场应用案例分析，结合密封性能、耐久性和环境适应性等指标，对比分析新型封闭式闷板止水技术与传统技术的差异。实验室测试中，新型封闭式闷板止水技术在不同工况下的密封性能均表现出色，有效抵抗了高压、高温和腐蚀性环境的影响。在现场应用案例分析中，新型封闭式闷板止水技术在嘉兴市污水处理扩容工程外排三期（排海管扩容部分）设计施工总承包项目（EPC）海底顶管垂直顶升管工程中取得了显著的成果。与传统技术相比，新型技术具有更高的密封性能和更高的结构强度，大幅降低了海上施工风险。此外，新型封闭式闷板止水技术在安装和拆卸过程中表现出更高的效率和便捷性，为现场作业提供了更多便利[4]。

3.2 工程难度评价

在评价新型封闭式闷板止水技术的工程难度时，主要从安装、拆卸等方面进行分析。在材料性能方面，新型密封材料具有较高的抗压稳定性，能够在高强的顶管压力下保持稳定的密封效果，与传统材料相比，施工稳定性及施工安全系数更高。在安装难度方面，新型封闭式闷板止水技术引入了创新的管路综合布置，简化了现场作业流程。相较于传统技术，新型技术在安装过程中更加简便、高效。此外，新型封闭式闷板设计充分考虑了海底顶管涉及的注浆管路、卸压设施的兼容性，降低安装难度。与传统技术相比，新型技术在施工过程中能够大幅减少作业时间和成本。同时，在线监测技术的引入有助于及时发现和预防密封问题，降低海底顶管工程的安全风险[5]。

4 结束语

新型封闭式闷板止水技术在结构、材料和工艺方面得到了全面改进，提高了密封性能、安装拆卸便捷性和环境适应性。新型止水技术采用双层密封结构和高分子聚合物橡胶，可有效适应管道内压力变化，提高了密封性能和耐久性。加强肋的设计和内部管路布置，使其在顶进过程中具备强抗压作用和减阻功能。同时，引入在线监测技术，对封闭式闷板止水系统进行实时监控，降低海底顶管工程的安全风险。通过深入研究和优化，新型止水技术有望在海底顶管工程中发挥更大作用，为顶管工程施工行业提供更安全、高效的解决方案。