高水頭地質條件下的垂直頂升施工技術應用與探索

施 雨

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200002

1 工程概況

1.1 工程概況

北海市鐵山港區污水處理廠排海管工程分為陸域埋管段及海域頂管段兩大部分，其中，海域頂管段分2個區間施工，頂管1區間長2 180 m，頂管2區間長1 442 m，頂管管道采用鋼管，管道外徑2 000 mm，壁厚22 mm，管中心標高為－21.5 m。在頂管2段的前部布置有29根豎向排污管，豎管間距13 m，頂升高度12.5 m，豎管采用外徑500 mm的無縫鋼管，壁厚20 mm，鋼管焊縫等級要求為Ⅱ級。

1.2 水文地質資料

垂直頂升施工區域位于北部灣鐵山港海域內，鐵山港區潮汐屬不正規全日潮，潮汐作用較強，是華南沿海潮差最大的海區之一，平均潮位3.0 m，高潮位6.0 m，最大潮差6 m。由于該海域存在亂拋泥現象，海床面被抬高了5 m。豎管頂升需穿越的土層主要為⑤中粗砂層、③砂混淤泥層及①素填土，個別豎管需穿越⑧黏性土層。

2 施工難點

2.1 中粗砂對止水密封的磨損大

垂直頂升區域的地下水壓力達到260 MPa，且地下水與海水貫通，同時頂升需要穿越⑤中粗砂層（圖1）。在頂升的過程中，砂粒會沿著豎管外壁進入止水裝置的密封內，不斷磨損橡膠止水密封，導致密封與管外壁的間隙越來越大，在高水頭作用下，地下水滲入水平母管管道內，最終擊穿橡膠止水密封，使整個水平母管被淹沒。因此，必須對垂直頂升的止水裝置進行重新設計，提升橡膠止水密封的耐磨性、密封性，保證施工安全，確保焊縫質量不受止水裝置滲漏水的影響[1-2]。

2.2 地質堅硬且層厚大，導致頂升力過大

圖1 垂直頂升管縱剖面地質示意

地質勘探報告顯示，在29根豎管中有少量豎管上方土體為⑧黏性土層，該層承載力特征值達到280 kPa，管頂以上厚度達到2 m。垂直頂升采用悶頂工藝，在實際頂力達到設計最大允許頂力時，由于實際頂力小于⑧黏性土層被動土壓力，所以可能出現豎管無法順利頂出的情況，如強行增加頂力，會引起水平母管變形、沉降等惡性現象，必須采取針對性措施保障正常的頂升施工。

2.3 管節數量多，頂升工效低

本工程頂管管道外徑為2 000 mm，壁厚22 mm。傳統頂升管節長度約為0.25倍水平管管徑，管節長度取0.5 m，單根豎管頂升管高度為12.5 m，需要25節管節，每根豎管有25個電焊接頭。頂管2段的長度為1 442 m，在管道內進行電焊作業時產生大量的煙霧，管內通風效果受長度制約，煙霧會對施工人員的健康造成很大的負面影響。因此，需要對頂升設備重新進行設計，充分利用水平管空間，增加豎向管節長度，減少管節數量，提高頂升工效，減小煙霧對施工人員的身體傷害。

3 主要施工措施

3.1 洞口止水裝置設計

垂直頂升施工的難題之一，就是止水裝置滲漏水。傳統頂升裝置采用1道止水密封，且密封有不耐磨、無法更換等劣勢。在本工程高水頭、地質條件復雜的特殊工況背景下，難題會被放大。針對這種特殊工況，主要采取以下幾種措施對止水裝置進行設計、革新（圖2）：

圖2 洞口止水裝置示意

1）設置雙道止水密封。在傳統盤根止水密封前增設1道Y形橡膠止水密封，加強裝置的止水性能。同時，在Y形止水密封上部設置2個油脂孔，在頂升前用盾尾油脂填充止水裝置與管節外壁之間的空隙，減緩粗砂顆粒沿管外壁進入止水密封的速率，保護止水密封，增強密封的耐磨性。

2）在第1道止水密封失效后，第2道盤根止水密封將至關重要。在頂升施工過程中，豎管拼接錯縫、焊縫毛刺、外壁防腐層表面細小顆粒等，會一直磨損第2道的石棉盤根密封，導致密封與管外壁之間的間隙逐漸增大。將傳統油浸石棉大盤根（厚35 mm）調整為雙道并列石棉小盤根（厚2 cm），通過收緊下部螺栓，將外止水推板向上推緊，雙道并列小盤根受擠壓后，可有效填充由磨損而產生的間隙。

3）在第1、第2道止水密封均失效的情況下，止水裝置必須有應急措施來保證外界地下水不進入管內。因此，在Y形止水密封和石棉盤根密封之間設置2個聚氨酯孔，可壓入水性聚氨酯（無毒）緊急止水。完成止水后，更換第2道石棉盤根密封，繼續頂升施工。

3.2 海上引孔

少量豎管頂升需穿越⑧黏性土層，該層呈硬塑狀且層厚達2 m。在實際頂力已達到設計最大允許頂力時，出現豎管無法順利頂出的情況。針對此問題，采用GPS在海面上定位垂直頂升管的位置，船舶上搭設高壓旋噴鉆機作業平臺，通過噴射觸變泥漿對豎管正上方的土體進行引孔破壞。

在沉井下沉過程中，根據旋噴鉆機對沉井刃腳⑧黏性土層進行引孔破壞的施工經驗和實測值，在噴漿壓力達到24～26 MPa，氣壓為0.7～0.8 MPa的情況下，在⑧黏性土層中形成的孔洞直徑約為25 cm。因此，單根頂升管位置按照正方形布置了9排9列的引孔區，引孔區長度1 m、寬度1 m，旋噴引孔孔徑為200 mm，搭接100 mm（圖3）。

圖3 海上引孔示意

3.3 頂升平臺設計

傳統頂升工藝是通過千斤頂作用于管節上進行頂升，而頂升平臺則是起到固定和連接千斤頂的作用，大口徑管道采用傳統頂升平臺對管節長度的影響不是很大。但是對小口徑管道進行垂直頂升時，管節長度增加意味著可有效減少焊縫數量，加快施工進度，因而有必要對垂直頂升平臺重新進行結構設計，充分利用管內空間（圖4）。

圖4 垂直頂升管節縱向剖面

按傳統頂升工藝，管節坐落于環向頂鐵上，環向頂鐵在千斤頂的前部“蘑菇頭”上（千斤頂正放）。而在本工藝中，頂升管節放置于頂升平臺上，4個千斤頂放置于管節外側（千斤頂倒放），平臺與千斤頂外鋼套固定連接，平臺隨著千斤頂的頂升一起向上，這樣的平臺結構可增加管節的長度，減少管節數量，提升工效。

這種平臺的另一個優點是利于管節拼接，解決管節錯縫的難題。垂直頂升是采用悶頂工藝施工，在施工過程中，會出現或多或少的偏斜。將管節直接放置于平臺上，通過調節4個千斤頂的行程差，讓平臺面板的偏斜與管節偏斜一致，確保管節接縫間隙一致，同時在平臺上設置2個限位卡碼固定底部管節，解決管節錯縫的問題[3-4]。

4 施工效果

1）在實際頂升過程中，29根豎管止水裝置均沒有出現滲漏水的現象，頂升施工的安全性得到保證，管節焊縫質量經過超聲波無損檢測全部達到Ⅱ級。

2）7#、8#、9#豎管頂升遇到⑧黏性土層，在采用旋噴引孔弱化土體措施后，豎管頂升最大頂力為1 200 kN，小于設計最大允許頂力2 500 kN，管道累積沉降量≤5 mm，符合設計及相關規范要求。

3）本工程原單根豎管需要25節管節，采用新型垂直頂升平臺后增加了管節長度，現單根豎管只需要21節管節，單根豎管頂升僅需48 h，節約9 h，29根豎管共節約11 d工期。同時，減少的焊接量也有效地改善了作業環境。

5 結語

垂直頂升施工在取排水工程中的應用日趨廣泛，其中越來越多的施工案例涉及超高水壓、復雜土質等工況。本文針對頂升密封止水、頂力控制、一次頂升長度等關鍵技術，提出了相關優化措施，并在實際施工中得到有效驗證，可為今后類似工程提供有益的參考依據。