摘要 結(jié)合汕頭市火力發(fā)電廠取水口垂直頂升工程（海域段）施工實際，文章詳細闡述了大斷面矩形預(yù)制管節(jié)垂直頂升技術(shù)的頂力估算、關(guān)鍵技術(shù)、控制措施及注意事項，經(jīng)過優(yōu)化技術(shù)方案，對大斷面矩形預(yù)制管節(jié)垂直頂升法在海底取水隧道中應(yīng)用的適應(yīng)性進行了分析，總結(jié)了該技術(shù)快速施工的重難點及關(guān)鍵控制技術(shù)，以期為今后類似工程提供一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞 海底取水隧道；矩形管節(jié)，垂直頂升；頂力估算；止水裝置

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0105-03

0 引言

垂直頂升法相較傳統(tǒng)的施工工藝（如筑島圍堰法、浮運沉井法及海上鉆井法等），具有加快施工進度、避免對航道的影響，以及大量節(jié)省工程投資等優(yōu)勢，是水利工程施工中的常用方法之一[1-3]。同時，由于其施工所需周期較短，對環(huán)境的污染較小、工費相對低等特點，在沿海、沿江（河）地區(qū)大型工程中備受青睞，如核電廠、火力發(fā)電廠、城市取排水、污水處理廠及石油化工、天然氣管道等[4-6]。垂直頂升法不僅常用于盾構(gòu)隧道工程，也適用于頂管工程[7]，用此法建成的進排水管道比傳統(tǒng)的要長得多，可伸入海域較遠處，以取得較為潔凈的水源或排污水于遠海之中[8]。所謂垂直頂升法，簡單地說是在已建好的隧道內(nèi)部，采用相關(guān)機械設(shè)備，通過把豎直管道或管節(jié)垂直朝上頂出，將土層穿破的一種施工技術(shù)手段，孫德山等人[1-4]對不同直徑的圓形金屬管節(jié)垂直頂升法進行了闡述，董勝憲等人[5-6]對預(yù)制矩形管節(jié)垂直頂升法進行了闡述。目前對小斷面圓形金屬管垂直頂升技術(shù)的研究和應(yīng)用較為普遍，而對大斷面矩形預(yù)制管節(jié)垂直頂升技術(shù)的研究和應(yīng)用甚少，該文將結(jié)合汕頭市火力發(fā)電廠取水口垂直頂升工程（海域段）施工，對大斷面矩形預(yù)制管節(jié)在海底隧道中快速垂直頂升施工技術(shù)進行研究和應(yīng)用，這在我國水域資源豐富的華南地區(qū)尚屬首次，可供今后類似工程借鑒。

1 工程概況

工程位于廣東省汕頭市潮陽區(qū)海門鎮(zhèn)，為華電豐盛汕頭電廠“上大壓小”新建項目配套取水的構(gòu)筑物工程，該項目由汕頭華電發(fā)電有限公司規(guī)劃建設(shè)，總投資68億元，是廣東省“十四五”能源重點建設(shè)項目，也是華電集團在粵唯一的港電一體化電廠。取水構(gòu)筑物由海底自流引水的取水隧道和取水頭工程組成。取水隧道為單線單洞，內(nèi)徑為5 340 mm，壁厚330 mm，外徑為6 000 mm，隧道總長312 m，最大的平面曲線為1 500 m，長度約74.9 m，最大縱坡為5%，長度為160.7 m。隧道采用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌管片尺寸為φ6 000 mm×φ5 340 mm×

1 500 mm，取水口段隧道拱頂采用Q235鋼結(jié)構(gòu)并填充C50混凝土制作的特殊管片，特殊管片尺寸為φ6 000 mm×

φ5 340 mm×1 105 mm。取水隧道使用一臺土壓平衡盾構(gòu)進行施工，從始發(fā)井始發(fā)，下穿東護岸后進入海域，推進至取水口位置后進行盾構(gòu)機拆解，拆解完成做端頭封堵，然后進行取水頭工程的施工。取水頭工程在隧道大里程端55.25 m范圍內(nèi)設(shè)置7個豎向取水口，取水口依次采用從隧道內(nèi)向上垂直頂升鋼筋混凝土預(yù)制管節(jié)，每個取水口由11節(jié)管節(jié)組成，每節(jié)管節(jié)為2 200 mm×2 200 mm的矩形斷面，壁厚200 mm，混凝土強度為C50，抗?jié)B等級為P12，上下管節(jié)之間采用鋼板法蘭、螺栓連接，管節(jié)間設(shè)置止水框，頂頭管節(jié)頂安裝φ4 500 mm×4 000 mm的鋼結(jié)構(gòu)取水格。

2 垂直頂升力估算

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由于取水口垂直頂升管經(jīng)過的地層為⑤1礫質(zhì)黏性土和⑤2粉質(zhì)黏土兩種，現(xiàn)根據(jù)地勘報告查得，這兩種地層所對應(yīng)巖土層的主要物理參數(shù)推薦值和地基承載力特征值分別見表1和表2所示，管節(jié)外壁與地層的摩阻力系數(shù)取值見表3所示，頂升管節(jié)與管片重量見表4所示。

2.2 垂直頂升力估算

根據(jù)以上地質(zhì)參數(shù)和管節(jié)重量，垂直頂升法采用悶頂式由下至上頂進，不需要掘削出土，最大頂升力出現(xiàn)在管道上的覆土層破壞前，主要來源于破壞范圍內(nèi)海水、土重力和沿破壞面的剪切力，參照董勝憲[5]等相關(guān)學術(shù)資料，建立了土體剪切破壞的計算模型，按土體的剪切破壞進行垂直頂升力估算。

P=α1·（A·B·fak+2（A+B）·qu·Hs）+A·B·H·r+G （1）

式中：P——垂直頂升的最大頂力（kN）；α1——垂直頂力的折減系數(shù)，取α1=1.5～2.5；A—— 頂升管節(jié)的悶板長度（m）；B——頂升管節(jié)的悶板寬度（m），頂升管節(jié)斷面為2.2 m×2.2 m，A與B均為2.2 m；fak——頂升管節(jié)頂面土體地基承載力極限值（kPa），取250 kPa；qu——頂升管節(jié)側(cè)面的土體抗剪應(yīng)力，qu=c+σtanΦ=15.7+18×0.488=24.484，取24.48，其中：c——土的黏聚力15.7 kPa；Φ——內(nèi)摩擦角26°；σ——土重度18 kN/m3；Hs——頂升管節(jié)頂面覆土厚度，取8.6 m；H——頂升管節(jié)頂面水的深度，取16.0 m；r——水的重度（kN/m3），取9.8 kN/m3；G——最大混凝土管節(jié)重量和特殊管片重量（kN）。

最大的頂力估算：P=1.5×2.2×2.2×250+2×（2.2+2.2） ×

24.48×8.6+2.2×2.2×16.0×9.8+42.828×9.8=6 361.91 kN。

因此，經(jīng)式（1）計算，最大頂升力為6 361.91 kN，現(xiàn)場采用4只2 000 kN油缸，根據(jù)施工經(jīng)驗，安全系數(shù)考慮取值為0.8，4只千斤頂頂力：2 000×4×0.8=6 400 kNgt;

6 361.91 kN，頂力滿足頂升要求。

3 垂直頂升施工

3.1 取水口垂直頂升工藝綜述

海底隧道大里程端設(shè)7孔取水口，中心間距為7 735 mm，每個取水口由11節(jié)2 200 mm×2 200 mm的鋼筋混凝土矩形管節(jié)和取水格柵組成，分為1節(jié)頂頭管節(jié)、1節(jié)特殊管節(jié)、8節(jié)標準管節(jié)、1節(jié)底座管節(jié)，單節(jié)管節(jié)約長1 m。出海床后，海上吊入取水格柵與鋼筋混凝土管節(jié)連接，并將取水格柵用拋石填筑牢固，打開頂頭管節(jié)頂帽，將海水引入取水隧道內(nèi)，從而達到取水目的。

3.2 垂直頂升工藝流程

3.2.1 垂直頂升底座及頂升設(shè)備的安裝

隧道底部設(shè)有鋼底梁支撐的平臺，鋼底梁下部與隧道管片之間用C30混凝土填實。鋼支撐平臺設(shè)置墊板，墊板上安裝有千斤頂和支撐架，4只千斤頂?shù)淖畲箜斄? 000×4=8 000 kN，最大行程為1 500 mm，最大頂升速度為200 mm/min。千斤頂布置在四角并準確定位。垂直頂升裝置安裝時，首先要平整、墊實、強制對中，以保證豎向頂力均勻擴散至基座。

3.2.2 首節(jié)管節(jié)與特殊管片連接

預(yù)制管節(jié)采用10 t叉車運輸?shù)巾斏恢?。叉車將首?jié)（頂頭）管節(jié)定位到千斤頂上方的頂鐵上，固定好橡膠墊，并用千斤頂將首節(jié)（頂頭）管節(jié)頂升至隧道頂部，與拱頂特殊管片緊貼，采用螺栓將首節(jié)（頂頭）管節(jié)和特殊管片進行連接。

3.2.3 止水裝置安裝

垂直頂升對止水要求非常高[4]，為確保頂升過程中強水壓下的海水不滲入頂升管內(nèi)，提高安全性和生產(chǎn)效率，需要采用高效可靠的止水技術(shù)[6]。頂頭管節(jié)安裝好后，在管節(jié)四周安裝止水框，使止水框正好與取水管節(jié)穿過隧道管片預(yù)留方孔口的四個邊相結(jié)合，并焊接牢固。采用橡膠圈、橡膠圈擋塊、瀝青油膏、油浸盤根、盤根壓條將取水管節(jié)外壁與止水框內(nèi)邊之間的縫隙嵌塞密實，再用鋼壓板壓緊，并用螺栓與鋼法蘭座連接在一起，構(gòu)成止水框架的止水裝置，利用調(diào)節(jié)螺栓壓緊盤根，從而起到止水作用。

3.2.4 垂直頂升過程

（1）采用4支千斤頂將管節(jié)托起，與頂頭管節(jié)底部栓接牢固，檢查止水盤根及調(diào)節(jié)螺栓，準備工作就緒后，拆除特殊管片與周邊管片之間的連接螺栓，并封堵螺栓孔，一切就位后將4個千斤頂同時頂升。

（2）頂升時，千斤頂慢慢加大頂力，當頂力超過350 t而管節(jié)沒有升進時應(yīng)停止頂進，檢查情況，分析原因。在上一管節(jié)頂升到位后，將止退裝置安裝就位，確認管節(jié)穩(wěn)定后，緩慢回收頂升千斤頂，在千斤頂脫離管節(jié)2 cm后停止回收，靜置并檢查止退葫蘆和止退鋼柱，確認未發(fā)現(xiàn)異常情況后將頂升千斤頂收回至原位，放置下一管節(jié)并栓接牢固，填充管節(jié)間的凹槽，繼續(xù)頂升工作，以此類推，直至頂?shù)阶詈笠还?jié)底座管節(jié)連接固定。在頂升過程中，每頂升1節(jié)管節(jié)，測量1～2次，以確保頂升管節(jié)的垂直度，如與設(shè)計軸線發(fā)生偏差，通過調(diào)整千斤頂行程、改變千斤頂合力的中心位置進行糾偏。

3.2.5 止退裝置安裝

當上一管節(jié)頂升到位后，采用隧道管片頂部安裝4只10 t的手拉葫蘆和4根止退鋼柱，沿預(yù)留的鋼制凹槽對管節(jié)進行臨時固定，防止頂升油缸回縮（管節(jié)換步）時管節(jié)后退。

3.2.6 管節(jié)頂升到位加固

底座管節(jié)頂升到位后，完成所有管節(jié)頂升，依托止水框，在管節(jié)底部采用20 mm厚的鋼板加工止退裝置，與止水框焊接形成整體，并作永久處理，檢查符合要求后，拆除頂升設(shè)備裝置進行下一個取水口的施工。

4 垂直頂升施工注意事項

（1）在盾構(gòu)達到設(shè)計里程后，立即組織對管片背后進行二次注漿，確保管片背后密實堅固，為后期頂升工作提供先決條件。

（2）管節(jié)加工必須標準，尤其是外包尺寸，做到上、下面水平，立面垂直，防止因加工誤差導(dǎo)致的管節(jié)連接錯位，導(dǎo)致頂升卡頓，進而出現(xiàn)頂力增大、構(gòu)件破壞、漏水漏沙等次生災(zāi)害的出現(xiàn)。

（3）對頂升部位拱頂?shù)?塊特殊管片GD1和GD2拼裝錯臺進行預(yù)先處理，可以通過加焊薄鋼板，以確保與頂頭管節(jié)結(jié)合面的緊密連接。

（4）在首節(jié)管節(jié)頂升過程中，如出現(xiàn)達到計算的最大頂升力時，不得持續(xù)加壓，及時停止頂升，檢查油壓表、頂升油缸、油管及隧道結(jié)構(gòu)。在確保頂升安全時，可間斷進行頂升，以便將覆土地層擾動后的順利頂升。

（5）在頂升施工過程中，管片受力復(fù)雜，為確保隧道安全，加強對主隧道沉降、橢圓度及其管片拼縫的監(jiān)測，每隔5環(huán)設(shè)置一個觀測點。同時，持續(xù)監(jiān)測管節(jié)垂直度，如發(fā)現(xiàn)偏斜超限，應(yīng)停止頂升，制定糾偏方案后緩慢調(diào)整。

（6）在頂升過程中，如果止水框與管節(jié)接觸面出現(xiàn)漏水、漏沙現(xiàn)象，通過增大盤根直徑和纏繞數(shù)量，擰緊調(diào)節(jié)螺栓以擠壓盤根，起到止水效果；如不奏效，可通過預(yù)留球閥注入聚氨酯進行止水。

（7）止退措施在油缸換步時，起到支撐上部所有管節(jié)重量的作用，是整個頂升工作的重點，根據(jù)該工程經(jīng)驗總結(jié)，對立柱及立柱自由端固定裝置采用螺旋千斤頂進行改進，可起到加大安全系數(shù)和提高施工效率的作用。

（8）當?shù)鬃芄?jié)頂?shù)轿缓?，管?jié)與管片之間用螺栓連接，基座底部焊接制動壓板，并作永久處理。管節(jié)與管片之間的縫隙采用水泥漿填充，以確保管節(jié)的整體穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

在施工過程中，為了確保頂升的順利進行，選擇取水口地質(zhì)條件較好、特殊管片安裝質(zhì)量較高的2號取水口開始首次頂升，然后依次頂升其余6孔。通過對垂直頂升力的估算和現(xiàn)場施工過程中的反復(fù)驗證，為海底隧道內(nèi)管節(jié)的垂直頂升施工提供了有力的科學依據(jù)，現(xiàn)場施工中采用合理的頂升設(shè)備和止水材料，7孔取水口垂直頂升施工43 d順利完成，比預(yù)期提前了27 d。該項目已于2023年5月底投入商運，在安全、質(zhì)量、工期、效益等各方面均取得了良好的效果。

參考文獻

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