适用于深度较大,地下水位较高（高水位地质条件下）

摘要：北海市铁山港区污水处理厂的尾水排海管工程需要在高水头复杂地质条件下垂直顶升29根φ500 mm的竖向排污管，施工过程中面临竖管穿越中粗砂层时导致止水密封磨损大、因地质坚硬且层厚导致顶升力过大、竖向管节数量多导致顶升工效低等问题。为此，通过重新设计洞口止水装置、海上引孔降低顶升力、更新顶升平台设计以减少管节数量等方式，最终取得了较好的施工效果。

关键词：取排水工程;高水压力;复杂地质条件;竖向排污管;垂直顶升

1 工程概况

1.1 工程概况

北海市铁山港区污水处理厂排海管工程分为陆域埋管段及海域顶管段两大部分，其中，海域顶管段分2个区间施工，顶管1区间长2 180 m，顶管2区间长1 442 m，顶管管道采用钢管，管道外径2 000 mm，壁厚22 mm，管中心标高为－21.5 m。在顶管2段的前部布置有29根竖向排污管，竖管间距13 m，顶升高度12.5 m，竖管采用外径500 mm的无缝钢管，壁厚20 mm，钢管焊缝等级要求为Ⅱ级。

1.2 水文地质资料

垂直顶升施工区域位于北部湾铁山港海域内，铁山港区潮汐属不正规全日潮，潮汐作用较强，是华南沿海潮差最大的海区之一，平均潮位3.0 m，高潮位6.0 m，最大潮差6 m。由于该海域存在乱抛泥现象，海床面被抬高了5 m。竖管顶升需穿越的土层主要为⑤中粗砂层、③砂混淤泥层及①素填土，个别竖管需穿越⑧黏性土层。

2 施工难点

2.1 中粗砂对止水密封的磨损大

垂直顶升区域的地下水压力达到260 MPa，且地下水与海水贯通，同时顶升需要穿越⑤中粗砂层（图1）。在顶升的过程中，砂粒会沿着竖管外壁进入止水装置的密封内，不断磨损橡胶止水密封，导致密封与管外壁的间隙越来越大，在高水头作用下，地下水渗入水平母管管道内，最终击穿橡胶止水密封，使整个水平母管被淹没。因此，必须对垂直顶升的止水装置进行重新设计，提升橡胶止水密封的耐磨性、密封性，保证施工安全，确保焊缝质量不受止水装置渗漏水的影响[1-2]。

图1 垂直顶升管纵剖面地质示意

2.2 地质坚硬且层厚大，导致顶升力过大

地质勘探报告显示，在29根竖管中有少量竖管上方土体为⑧黏性土层，该层承载力特征值达到280 kPa，管顶以上厚度达到2 m。垂直顶升采用闷顶工艺，在实际顶力达到设计最大允许顶力时，由于实际顶力小于⑧黏性土层被动土压力，所以可能出现竖管无法顺利顶出的情况，如强行增加顶力，会引起水平母管变形、沉降等恶性现象，必须采取针对性措施保障正常的顶升施工。

2.3 管节数量多，顶升工效低

本工程顶管管道外径为2 000 mm，壁厚22 mm。传统顶升管节长度约为0.25倍水平管管径，管节长度取0.5 m，单根竖管顶升管高度为12.5 m，需要25节管节，每根竖管有25个电焊接头。顶管2段的长度为1 442 m，在管道内进行电焊作业时产生大量的烟雾，管内通风效果受长度制约，烟雾会对施工人员的健康造成很大的负面影响。因此，需要对顶升设备重新进行设计，充分利用水平管空间，增加竖向管节长度，减少管节数量，提高顶升工效，减小烟雾对施工人员的身体伤害。

3 主要施工措施

3.1 洞口止水装置设计

垂直顶升施工的难题之一，就是止水装置渗漏水。传统顶升装置采用1道止水密封，且密封有不耐磨、无法更换等劣势。在本工程高水头、地质条件复杂的特殊工况背景下，难题会被放大。针对这种特殊工况，主要采取以下几种措施对止水装置进行设计、革新（图2）：

图2 洞口止水装置示意

1）设置双道止水密封。在传统盘根止水密封前增设1道Y形橡胶止水密封，加强装置的止水性能。同时，在Y形止水密封上部设置2个油脂孔，在顶升前用盾尾油脂填充止水装置与管节外壁之间的空隙，减缓粗砂颗粒沿管外壁进入止水密封的速率，保护止水密封，增强密封的耐磨性。

2）在第1道止水密封失效后，第2道盘根止水密封将至关重要。在顶升施工过程中，竖管拼接错缝、焊缝毛刺、外壁防腐层表面细小颗粒等，会一直磨损第2道的石棉盘根密封，导致密封与管外壁之间的间隙逐渐增大。将传统油浸石棉大盘根（厚35 mm）调整为双道并列石棉小盘根（厚2 cm），通过收紧下部螺栓，将外止水推板向上推紧，双道并列小盘根受挤压后，可有效填充由磨损而产生的间隙。

3）在第1、第2道止水密封均失效的情况下，止水装置必须有应急措施来保证外界地下水不进入管内。因此，在Y形止水密封和石棉盘根密封之间设置2个聚氨酯孔，可压入水性聚氨酯（无毒）紧急止水。完成止水后，更换第2道石棉盘根密封，继续顶升施工。

3.2 海上引孔

少量竖管顶升需穿越⑧黏性土层，该层呈硬塑状且层厚达2 m。在实际顶力已达到设计最大允许顶力时，出现竖管无法顺利顶出的情况。针对此问题，采用GPS在海面上定位垂直顶升管的位置，船舶上搭设高压旋喷钻机作业平台，通过喷射触变泥浆对竖管正上方的土体进行引孔破坏。

在沉井下沉过程中，根据旋喷钻机对沉井刃脚⑧黏性土层进行引孔破坏的施工经验和实测值，在喷浆压力达到24～26 MPa，气压为0.7～0.8 MPa的情况下，在⑧黏性土层中形成的孔洞直径约为25 cm。因此，单根顶升管位置按照正方形布置了9排9列的引孔区，引孔区长度1 m、宽度1 m，旋喷引孔孔径为200 mm，搭接100 mm（图3）。

图3 海上引孔示意

3.3 顶升平台设计

传统顶升工艺是通过千斤顶作用于管节上进行顶升，而顶升平台则是起到固定和连接千斤顶的作用，大口径管道采用传统顶升平台对管节长度的影响不是很大。但是对小口径管道进行垂直顶升时，管节长度增加意味着可有效减少焊缝数量，加快施工进度，因而有必要对垂直顶升平台重新进行结构设计，充分利用管内空间（图4）。

图4 垂直顶升管节纵向剖面

按传统顶升工艺，管节坐落于环向顶铁上，环向顶铁在千斤顶的前部“蘑菇头”上（千斤顶正放）。而在本工艺中，顶升管节放置于顶升平台上，4个千斤顶放置于管节外侧（千斤顶倒放），平台与千斤顶外钢套固定连接，平台随着千斤顶的顶升一起向上，这样的平台结构可增加管节的长度，减少管节数量，提升工效。

这种平台的另一个优点是利于管节拼接，解决管节错缝的难题。垂直顶升是采用闷顶工艺施工，在施工过程中，会出现或多或少的偏斜。将管节直接放置于平台上，通过调节4个千斤顶的行程差，让平台面板的偏斜与管节偏斜一致，确保管节接缝间隙一致，同时在平台上设置2个限位卡码固定底部管节，解决管节错缝的问题[3-4]。

4 施工效果

1）在实际顶升过程中，29根竖管止水装置均没有出现渗漏水的现象，顶升施工的安全性得到保证，管节焊缝质量经过超声波无损检测全部达到Ⅱ级。

2）7#、8#、9#竖管顶升遇到⑧黏性土层，在采用旋喷引孔弱化土体措施后，竖管顶升最大顶力为1 200 kN，小于设计最大允许顶力2 500 kN，管道累积沉降量≤5 mm，符合设计及相关规范要求。

3）本工程原单根竖管需要25节管节，采用新型垂直顶升平台后增加了管节长度，现单根竖管只需要21节管节，单根竖管顶升仅需48 h，节约9 h，29根竖管共节约11 d工期。同时，减少的焊接量也有效地改善了作业环境。

5 结语

垂直顶升施工在取排水工程中的应用日趋广泛，其中越来越多的施工案例涉及超高水压、复杂土质等工况。本文针对顶升密封止水、顶力控制、一次顶升长度等关键技术，提出了相关优化措施，并在实际施工中得到有效验证，可为今后类似工程提供有益的参考依据。

参考文献

[1]陈闽,黄永富.垂直顶升技术应用探讨[J].绿色科技,2011(5):201-204.

[2]王寿生,葛春辉.垂直顶管计算方法的探讨[J].特种结构,2009,26(5):18-21.

[3]富忠权.海底隧道垂直顶升施工止水技术[J].建筑施工,2010,32(4):302-303.

[4]张贵义.钢管混凝土顶升技术应用[J].建筑,2010(7):50-51,60.