垂直頂升法在電廠取排水隧道工程中的應用

董勝憲，羅樹青

(華東電力設計院，上海 200063)

1 概述

電廠取排水工程采用的盾構法隧道內徑一般Φ4000mm左右，現在最大內徑已經做到Φ6200mm。取排水管隧道采用盾構法施工，隧道終端用鋼筋混凝土墻永久封堵。

每根隧道端部根據工程需要設置多個取排水立管，采用垂直頂升法施工。鋼筋混凝土垂直頂升管為矩形斷面。每根垂直頂升管由多節管節組成；頂升管頂部安裝鋼格柵取水頭，采用Q235B級鋼。

為防止水流沖刷的影響，根據設計要求，在取排水頭部位應及時采用水下挖泥拋石保護。

2 垂直頂升法施工

在20世紀70年代中后期，經過工程技術人員的不斷研究和實踐，創造了取排水口垂直頂升的施工技術，施工人員在隧道內部由隧道頂部預留位置向上頂出矩形立管，穿破土層，隨后在水下揭去頂蓋形成取排水口。

垂直頂升法施工的原理與水平頂管相似，使用液壓油缸將各種斷面的管節逐步垂直頂入土中。垂直頂升法施工工藝適用于飽和含水的粘性土或砂性土等不同軟土地層中進行施工，主要用于沿海、沿江的取排水隧道工程中。

垂直頂升法施工在已建好的隧道內部，將預制管節連接在隧道頂升特定部位(即帽蓋，也可稱開孔環GDK塊)，將帽蓋與管節采用特殊螺栓連接好，在管節就位并做好各項準備工作后，拆去帽蓋與隧道襯砌的連接螺栓，依靠液壓油缸把管節垂直向上頂出。在每節的頂升過程中，管節之間采用螺栓連接，使管節垂直頂入土中或水中。待工程全部完成后，在水下揭去帽蓋，換成正常的出口，形成取排水通道。

這種施工工藝與其他傳統工藝相比，具有如下特點：

(1)垂直頂升法施工處于已建隧道內施工，施工時不受潮汐、風浪、氣候變化等自然條件的影響，使垂直頂升能夠“全天候”施工。

(2)施工設備簡單，不需要水上作業的大型機具和施工設備，避免了大量水上作業的難度。

(3)施工工藝較其他方法簡便，施工工期短。扣除準備工作時間，基本上兩天就能完成一只8～12m高的取排水口。

(4)施工成本低，造價大大低于其他施工方法，經濟效益高。

3 施工工藝流程及順序安排

施工工藝流程：

隧道底部加固→隧道清理及施工準備→聯系梁、止水框安裝→頂升裝置安裝→止水裝置安裝→管節頂升→頂部管節與隧道接口永久處理→陰極保護安裝→水下吸泥→水下拋石→隧道滿水→摘除臨時帽蓋→安裝鋼取排水頭→水下保護拋石整平。

圖1 垂直頂升施工流程圖

3.1 隧道底部加固

由于垂直頂升，在立管處隧道將受集中荷載，該處荷載組以電氣施工設備荷載、管節自重、正面土壓力、管壁摩阻力、水壓力等組成。為防止垂直頂升引起隧道破壞，根據施工經驗和設計圖紙要求，在垂直頂升區域底部需通過壓漿孔預先對隧道外側進行劈裂注漿加固，漿液配合比為水泥：水 =1∶0.5，初始壓力為1MPa，注漿壓力控制在0.3MPa～0.5MPa。漿液注入率為20%即每立方米加固土體水泥用量為150kg左右。劈裂注漿采用洞內注漿方式，從管片內側向外注漿。

隧道特殊段外圍劈裂注漿加固范圍：為增加隧道特殊段底部土體強度，沿盾構周長向外2.5m的圓環，下部局部部位加強。垂直頂升前先進行下半部隧道圍巖注漿加固，垂直頂升完畢后進行隧道上半部圍巖劈裂注漿。

3.2 隧道內清理及施工準備

垂直頂升時，盾構機可拆設備及臺車、高壓電纜應已拆除外運，施工前隧道需進行一次集中清理，即將隧道特殊段清理干凈，保證頂升車架與內弧面有一個良好的接觸面。

所有特殊環的拼裝孔和附加注漿孔用專用悶頭擰緊。

每條垂直頂升管節由1節底座管節、1節頂頭管節和多節標準管節組成，并配有一個轉向法蘭。

管節在運至工作面之前，應事先在地面進行試拼裝。為避免施工中混淆，試拼裝后在堆放區進行油漆編號，下井前由施工員、質量員檢查后按順序下井。 對管節還需進行防水處理，防水處理主要包括：管節上法蘭面的止水橡膠條粘貼、及管節外壁防水涂料施工等。頂頭管節先在地面上安裝轉向法蘭。有犧牲陽極塊的管節在下井前需按設計要求安裝好犧牲陽極塊。

3.3 止水框和聯系梁安裝

3.3.1 止水框安裝

止水框是頂升止水裝置的重要組成部件，每個頂升管配一個止水框，止水框上部與GDB法蘭板和環板焊接，焊縫高度為10mm，施工時止水框下部法蘭與下止水扎蘭采用螺栓連接。

圖2 止水框和聯系梁平面布置圖

止水框根據設計圖紙加工制作，尺寸誤差、防腐油漆等需滿足施工和設計要求。止水框與管片焊接時止水框上口配合面若有太大間隙，可在現場局部配置。

安裝步驟：止水框運輸到位后，先由測量人員初步定位，起重工將止水框頂升到位，位置準確無誤后由電焊工焊接固定，最后進行焊接部位防腐。

具體施工中測量工和起重工應在施工員指揮下協調配合，調整止水框中心與頂升口中心一致，然后調整止水框水平度，調整好后頂升至GD塊管片法蘭邊，焊接固定。

施工中須注意的要點是：①使止水框與帽蓋管片GD塊保持相對水平；②定位準確，保證管節頂升時四周間隙均勻；③焊接牢固。

3.3.2 聯系梁安裝

聯系梁是連接特殊段各環管片和止水框，防止頂升時出現變形和結構失穩的重要構件，應根據設計圖紙要求制作安裝，焊接牢固。特殊管節聯系梁連接體系包括縱向聯系梁、縱向加勁板和橫向加勁板，采用電焊與頂升塊環向相鄰鋼管片和止水框連接，焊接質量要達到加強頂升段整體剛度的要求。聯系梁全部安裝到位后方可進行垂直頂升法施工。

具體結構形式見圖4。

圖4 結構形式

施工時具體安裝步驟與止水框安裝相似：聯系梁運輸到位后，由測量人員初步定位，起重工將聯系梁頂升到位，位置準確無誤后由電焊工焊接固定，焊接完畢后應對電焊部位進行防腐作業。

3.4 頂升裝置安裝

3.4.1 某工程垂直頂升受力狀況分析

設計參數：垂直頂升區域海底面標高為-15m，設計帽蓋GD塊頂標高為-23.45m，取水隧道垂直頂升管底標高為-24.325m，覆蓋土厚約8.5m，按9m考慮，1%高潮位為+4.94m。

取水口區域盾構隧道坐落在⑥粘土層和局部④粉砂層上， 取水頭垂直頂升涉及地層自下而上為③-1粘土層、②淤泥層、①-4流泥層。頂升設計計算時取③-1粘土層參數，重度γ土=17.9kN/m3，粘聚力C=24.2kPa，摩擦角φ=10.9°；

根據朗肯土壓力理論，粘性土的被動土壓力(含水壓力)：

其中：Kp為被動土壓力系數；

σ = γ土H土，為土的自重應力；

帽蓋頂升區域被動土壓力

根據經驗垂直頂升初始啟動時，頂升力最大。此時頂升力包含被動土壓力、2節管節重量、轉向法蘭重量、啟動時帽蓋GD塊與四周管片間的摩阻力。

頂升力及頂升反力F=η×E

根據以往施工經驗，經驗系數為

F=η×E=(1.3～1.5)×295=383.5～442.5T，計算得設計頂升力按450T考慮，根據施工經驗，正常情況下實際最大頂升力應不會超過500T。

頂升裝置設計裝備8個千斤頂，2個千斤頂為一組，分四組油路單獨控制，可進行糾偏操作。最大額定頂升力120t×8=960T，富余量充足。

3.4.2 垂直頂升裝置制作、安裝

頂升裝置由底座擴散塊，剛性頂升架、千斤頂、油泵車、運輸小車等組成。千斤頂采用120t×8(兩個備用)。垂直頂升反力架必須是一個剛性整體，頂升裝置安裝時，首先要求平整、墊實、對中，確保立管的準確度。垂直頂升反力區擴散到20m2以上。

3.5 止水裝置安裝

由于立管管節斷面尺寸比兩塊頂升塊組成的頂升口小約10mm，在頂升過程中隨著管節不斷上升，會有泥水沿著管節壁從縫隙中滲入隧道，因此，在頂升前必須在頂升口安裝止水裝置，防止泥水滲入隧道。止水系統裝置包括頂升口外側止水橡皮、止水框(含上止水扎蘭)、下止水扎蘭、油浸盤根等。止水框在頂升前與聯系梁已安裝完畢，施工時只需進行下止水扎蘭和油浸盤根安裝。

3.6 豎管頂升施工

3.6.1 管節井下運輸及就位

管節在隧道內水平運輸時，放置在專用小車上，固定牢固，由電瓶車運輸至隧道頭部。預先在GD塊上設置一道起重單梁，單梁固定在GD塊舉重臂螺栓孔內，在垂直頂升時，采用電動葫蘆將一節管節吊運至頂升架上小車，由頂升架上的小車移動至頂升位置就位。

前期安裝止水裝置時將頂頭管節和轉向法蘭運輸至隧道內工作面，與頂升帽蓋GD塊連接成整體，隨后按編號將管節送至工作面，頂升第二節標準管節，與首節管節用螺栓連接后開始正常頂升施工。

3.6.2 正常頂升施工

用千斤頂微頂第二節標準管節，拆除開口環與相鄰閉口環的連接螺栓，并將兩者螺栓孔用悶頭封住，用快速水泥在悶頭外面再封一圈。防止頂升過程中泥水從孔中滲入。

初始頂升時應控制頂力，逐漸加大頂力，在啟動后可適當減少油壓，盡量使四組千斤頂均勻受力。頂升施工過程中，千斤頂四組同步頂升。千斤頂的行程在允許條件下盡可能長，以減少操作的往返次數。

當糾偏操作時，垂直頂升立管的管節方向均由各個方向的千斤頂進行調整，因此，設計每組千斤頂均能單獨動作，互不干擾。

當管節行程末端用龍門架(豎頂支撐)支撐管節底部，退回油缸安裝就位次管節，螺栓連接后，再行頂升。管節間凹槽要用快硬防水水泥粉平，填料要光滑平整，以防損壞盤根和橡膠止水 。

管節連接時，必須重視防水措施。嚴格按照設計要求墊好法蘭間橡膠止水橡膠框，螺栓孔處遇水膨脹橡膠墊圈，發現破損及時更換，頂升過程中要多次復緊螺栓，管片對接時，由專人對稱地將管節上的螺栓擰緊。

按上述方法逐節頂升，直至頂升底座管節。

3.6.3 施工中注意要點

①開始頂升時由于鋼封門與管節之間有一定摩阻力，頂力可能較大，此時應鎖定溢流閥將總頂力控制在限制范圍內，若超出設計頂力，需進行采取措施后方可頂升。

②在初頂階段應密切注意，若發現豎管垂直度略有偏差應及時調整總頂力作用點，確保豎管垂直度。

③初頂階段頂升速度控制在2cm/min～3cm/min，正常頂升階段頂升速度控制在6cm/min～8cm/min。

④當管節頂升一定高度，須注意垂直頂升頂力，若反力大于一定數值應繼續頂升10cm～20cm，靜止5分鐘后，回縮千斤頂10cm～20cm，此時靜止反力會降下來。當靜止反力小于一定數值時，再用鋼支撐固定豎管下法蘭，回縮千斤頂，安裝下一節管節。

當頂力很大，頂升困難時，可通過核算和采取管片加固措施后，調高油壓，增加頂升力；水上根據GPS精確定位挖出豎管處上部土體和塊石；減小上部土壓力；頂升完畢應及時回填。

3.6.4 底座管節連接處理

① 當底座管節頂升至設計高度時，從底部壓漿孔向止水框外壓入快凝止水泥漿液，底座立管與隧道管片采用螺栓連接固定，具體數量需滿足受力要求。

② 待漿液凝固后，拆除下止水扎蘭，進行制動壓板和撐板焊接，撐板可根據施工時壓力增加數量。在這過程中必須至少保證有龍門架頂住末節管，防止垂下跌落。

③ 最后回縮千斤頂。

單個取排水口垂直頂升基本完成，隨后移動車架到下一個取排水口繼續施工。

3.6.5 頂升時滲漏處理

① 增大盤根直徑和纏繞數量；

② GDK塊之間環縫采用電焊填充封閉；

③ 止水框側面留置壓漿孔，頂升時安裝好凡爾，滲漏嚴重時可壓入聚氨酯堵漏劑；

3.7 施工中的沉降監測

垂直頂升法施工過程管片受力復雜，為確保隧道安全，在垂直頂升法施工前后及過程中，需對隧道沉降進行觀測。沉降觀測點設置在環向連接螺栓上，既不易被破壞，又便于觀測。擬每隔五環設置一個觀測點，通過穩定的工作點來測定觀測點的沉降情況。若頂升時沉降單次超過5mm，累計超過2cm應停止頂升施工，采取加固措施。

3.8 安裝犧牲陽極保護塊

拆裝頂升裝置后，進行垂直頂升鋼結構的焊接部位的防腐，具體按照設計圖紙要求處理。并開始犧牲陽極保護塊的安裝，管節保護塊已在頂升前安裝，頂升完畢后即在管節內和縱向聯系梁上間隔一定距離，安裝鋅-鋁-銦-鉻合金犧牲陽極塊來保護鋼結構。

3.9 取排水頭安裝施工

取排水立管在垂直頂升法結束后，按照通水要求進行上部鋼格柵取排水頭的安裝。鋼格柵采用現場加工，安裝時采用施工方駁配拖輪浮運至施工現場。60T浮吊吊放安裝。取排水頭與立管頂頭管節通過法蘭連接，取排水頭四周10m范圍內采用挖泥拋石防沖刷保護。

4 結語

垂直頂升法施工在電廠取排水隧道工程中已經應用的相當廣泛，電廠取排水隧道工程采用的盾構法隧道內徑一般Φ4000 mm左右，現在最大內徑已經做到Φ6200 mm。每根盾構法隧道頭部根據工程需要設置多個取排水立管，采用垂直頂升法施工。對垂直頂升法施工工藝工藝做了較為詳細地介紹，為今后類似工程提供借鑒。

[1]劉建航，侯學淵.盾構法隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[2]GB50446-2008，盾構法隧道施工與驗收規范 [S].

[3]GB50208-2002，地下防水工程施工質量驗收規范[S].

[4]GB50268-2008，給水排水管道工程施工及驗收規范[S].

[5]GB50141-2008，給水排水構筑物工程施工及驗收規范 [S].

[6]DL/T5339-2006 ，火力發電廠水工設計規范 [S].

[7]《三門核電廠一期取水涵管工程盾構法隧道垂直頂升施工方案》[C]上海市基礎工程有限公司.2011.

[8]董勝憲.盾構法施工在電廠取排水工程中的應用[J].電力勘測設計，2004，(4).

[9]董勝憲，尤雪娣.大直徑盾構法施工在三門核電廠取水工程中的應用[J].電力建設，2011，(5).