垂直頂升工藝在核電大型取水工程應用中的優化

鄧 前 鋒

(上海市基礎工程集團有限公司，上海 200002)

1 垂直頂升工藝介紹

垂直頂升工藝是在已施工完成的水平隧道上部預留頂升口，并用液壓設備將立管逐節向上頂升穿過土層，頂部封蓋板由潛水員水下拆除后，再安裝取、排水頭的取排水施工工藝。

隨著我國核電建設進一步發展，部分濱海核電站開始選用盾構隧道取排水，取水量增大要求垂直頂升立管與取水口尺寸也相應增大。因此，垂直頂升工藝需要進一步發展和優化，以滿足取、排水口大型化的趨勢。

2 背景工程概況及技術難點分析

三門核電一期取水工程，是盾構隧道與垂直頂升工藝相結合在核電工程施工中的首次成功運用，即在外徑7 100 mm的取水隧道中垂直頂升國內最大口徑取水口，立管外尺寸達2.44 m×2.44 m(如圖1所示)。

該工程取水口垂直頂升施工技術難點分析如下：

1)施工前需建立合理的計算模型，對超大尺寸取水口垂直頂升施工工況進行準確地受力分析。

2)取水隧道直徑和頂升立管的尺寸大幅增大，需重新研制適用于本工程的專用垂直頂升施工裝置。

3)立管尺寸增大，外界水土進入隧道的通道周長和區域增加，需對垂直頂升止水系統一級防滲漏應急處理措施進一步優化。

4)現有廠址海域淤積情況嚴重，原設計取水頭高程需進行抬高，需提出新的設計施工方案。

3 超大尺寸取水口垂直頂升工況受力分析

1)地質水文條件及相關計算參數。

垂直頂升區域海底泥面標高約-15 m，覆蓋土厚約9 m；海平面水位按1%高潮位+4.94 m作為計算水面高程。取水隧道頂升口帽蓋頂標高約為-23.5 m，垂直頂升管底標高為-24.3 m。

取水頭垂直頂升涉及地層物理力學參數見表1。

表1 土層參數表

2)頂升力分析與計算。

當垂直頂升立管上部土體剪切破壞時需要的頂升力后，結合管節重量、轉向法蘭重量、止水框之間摩阻力后算得最大頂升力Fmax=5 763 kN(管節與土體間摩阻力較小可忽略)。

4 核電超大尺寸取水口技術優化措施

4.1 專用垂直頂升裝置研制

依據計算所得最大頂升力，同時考慮頂升過程中糾偏及頂力富裕量要求，確定其額定頂升力和最大頂升力分別為9 600 kN和12 000 kN。

在通用頂升裝置結構的基礎上，針對本工程特點進行系統性改進，研制專用垂直頂升裝置。采用BIM等軟件進行施工模擬，驗證結構合理性，對參數進行優化。復核在4 000 kN～8 000 kN頂力下其結構變形、節點受力狀況，利用鋼結構計算和有限元分析軟件進行驗算，重點對支撐底部基座、豎頂下托支撐等薄弱部位進行核算后強化設計。

該裝置由弧形擴散基座，頂升架本體、液壓頂升系統(千斤頂和油泵車)、豎頂下托支撐等組成，全部由型鋼組裝焊接，為整體剛性結構，配備8個額定頂力為1 200 kN的千斤頂，液壓系統分八組油路單獨控制，可承受超過8 000 kN設計荷載。其弧形擴散基座為整體鋼結構，設計與下部管片接觸面積大于24 m2，接觸面上鋪設橡膠墊板，以控制隧道變形量、螺栓和管片的受力(如圖2所示)。

4.2 垂直頂升止水系統改進及應急防滲漏措施

垂直頂升立管外壁與預留頂升口管片間設計預留約1 cm的間隙，與止水框之間預留約3 cm間隙(如圖3所示)。

由于取水口尺寸增大，止水框與立管間滲漏通道間隙及長度均顯著增加，頂升過程中的立管姿態變化、頂升完畢后注漿效果不佳等原因易導致頂進過程中、底座管節處理時發生嚴重的滲漏現象。

總結以往經驗，本次施工前對止水系統進行設計改進如下：

1)增設頂升口外側止水橡皮。

頂升口四周相鄰的六塊管片拼裝前，在管片外弧上面安裝止水橡膠板，橡膠板伸出管片環面7 cm～10 cm，類似于水平頂管洞口橡膠止水，可有效阻止泥水涌入隧道內。

2)采用調節壓板和調節螺栓設計，可根據立管姿態分區域調整油浸盤根的位置和松緊，止水效果更好，且盤根過程中不易損壞。

3)用四道直徑40 mm油浸盤根替代原設計的三道直徑30 mm的油浸盤根止水，提高止水效果。

4)設置雙道止水系統，即止水框盤根上方增設一道橡皮圈止水(如圖4所示)。這一改進設計還可有效避免頂升完畢后拆除油浸盤根止水后漏水影響焊接施工。

5)做好滲漏應急處理預案：考慮滲漏嚴重時可進行雙液注漿或壓入聚氨酯堵漏，頂升施工前在止水框四個側面均留置壓漿孔，安裝好注漿閥。

6)頂升口處(帽蓋)兩塊開口環GDK塊之間安裝時加貼止水橡膠條，并對環縫采用電焊填充封閉，防止從該縫隙中漏泥漏水。

4.3 增設附加管節抬高取水頭防止運行期淤積措施

施工期間，1號,2號機組取水頭附近海床淤積嚴重，原設計取水頭淤積安全高度已無法滿足電廠長期穩定運行的要求，故擬抬高取水頭標高。頂升施工后期與海水貫通，直接增加頂升兩節立管管節存在較大風險。因此，采用了原設計垂直頂升立管段施工長度不變，頂部增加的兩個立管改為水下安裝的方案。

該方案優化結合了垂直頂升和水下安裝工藝，首次提出取水頭安裝之前安裝若干節附加管節的設計思路，成功解決了由于淤積原因需抬高取水頭的問題，并為后續更換管節和繼續抬高取水頭留有空間。

5 應用效果

本次施工立管最大垂直度偏差僅為0.43%H，小于0.5%H的標準值；垂直頂升施工及完成后，水平隧道及立管無變形、破損現象；管節間連接牢固；施工中無漏泥漏水現象，施工完成后無明顯滲水和水珠現象，止水效果良好(如圖5所示)。

水平隧道沉降、橢圓度情況：最大橢圓度變化為0.67%D；沉降數值較小，均小于5 mm。

附加管節水下安裝施工便捷快速，兩條隧道16個取水頭均成功抬高至設計標高。

6 結語

1)針對三門核電超大口徑取水口垂直頂升工況進行受力計算分析，并通過實測頂力值進行驗證。實測值略低于計算最大頂升力值，分析認為主要原因可能為：頂升施工時海平面水位未達設計高潮位導致水壓力小于計算值。

2)結合核電大口徑隧道尺寸，參考計算分析得出的頂升力最大值，研發了超大尺寸專用垂直頂升施工裝置，并成功運用于施工。

3)對關鍵的垂直頂升止水系統裝置進行了優化改進，并做好防滲應急處理措施。整個頂升施工過程未發現漏水漏泥現象，施工完畢后止水效果依然可靠。

4)利用垂直頂升和水下安裝工藝相結合，增設水下附加管節安裝設計，可在降低施工風險的前提下，快捷便利地提高取水頭標高，防止運行期取水口淤積；并為覆土層厚、頂力較大的垂直頂升難題提供了新思路。

結合工程實際對垂直頂升施工技術進行優化改進后，成功應用于核電取水超大尺寸取水口工程，對同等尺寸或更大口徑的取、排水口垂直頂升施工具有重要的借鑒價值。