垂直顶升工艺在核电大型取水工程应用中的优化

邓 前 锋

(上海市基础工程集团有限公司，上海 200002)

1 垂直顶升工艺介绍

垂直顶升工艺是在已施工完成的水平隧道上部预留顶升口，并用液压设备将立管逐节向上顶升穿过土层，顶部封盖板由潜水员水下拆除后，再安装取、排水头的取排水施工工艺。

随着我国核电建设进一步发展，部分滨海核电站开始选用盾构隧道取排水，取水量增大要求垂直顶升立管与取水口尺寸也相应增大。因此，垂直顶升工艺需要进一步发展和优化，以满足取、排水口大型化的趋势。

2 背景工程概况及技术难点分析

三门核电一期取水工程，是盾构隧道与垂直顶升工艺相结合在核电工程施工中的首次成功运用，即在外径7 100 mm的取水隧道中垂直顶升国内最大口径取水口，立管外尺寸达2.44 m×2.44 m(如图1所示)。

该工程取水口垂直顶升施工技术难点分析如下：

1)施工前需建立合理的计算模型，对超大尺寸取水口垂直顶升施工工况进行准确地受力分析。

2)取水隧道直径和顶升立管的尺寸大幅增大，需重新研制适用于本工程的专用垂直顶升施工装置。

3)立管尺寸增大，外界水土进入隧道的通道周长和区域增加，需对垂直顶升止水系统一级防渗漏应急处理措施进一步优化。

4)现有厂址海域淤积情况严重，原设计取水头高程需进行抬高，需提出新的设计施工方案。

3 超大尺寸取水口垂直顶升工况受力分析

1)地质水文条件及相关计算参数。

垂直顶升区域海底泥面标高约-15 m，覆盖土厚约9 m；海平面水位按1%高潮位+4.94 m作为计算水面高程。取水隧道顶升口帽盖顶标高约为-23.5 m，垂直顶升管底标高为-24.3 m。

取水头垂直顶升涉及地层物理力学参数见表1。

表1 土层参数表

2)顶升力分析与计算。

当垂直顶升立管上部土体剪切破坏时需要的顶升力后，结合管节重量、转向法兰重量、止水框之间摩阻力后算得最大顶升力Fmax=5 763 kN(管节与土体间摩阻力较小可忽略)。

4 核电超大尺寸取水口技术优化措施

4.1 专用垂直顶升装置研制

依据计算所得最大顶升力，同时考虑顶升过程中纠偏及顶力富裕量要求，确定其额定顶升力和最大顶升力分别为9 600 kN和12 000 kN。

在通用顶升装置结构的基础上，针对本工程特点进行系统性改进，研制专用垂直顶升装置。采用BIM等软件进行施工模拟，验证结构合理性，对参数进行优化。复核在4 000 kN～8 000 kN顶力下其结构变形、节点受力状况，利用钢结构计算和有限元分析软件进行验算，重点对支撑底部基座、竖顶下托支撑等薄弱部位进行核算后强化设计。

该装置由弧形扩散基座，顶升架本体、液压顶升系统(千斤顶和油泵车)、竖顶下托支撑等组成，全部由型钢组装焊接，为整体刚性结构，配备8个额定顶力为1 200 kN的千斤顶，液压系统分八组油路单独控制，可承受超过8 000 kN设计荷载。其弧形扩散基座为整体钢结构，设计与下部管片接触面积大于24 m2，接触面上铺设橡胶垫板，以控制隧道变形量、螺栓和管片的受力(如图2所示)。

4.2 垂直顶升止水系统改进及应急防渗漏措施

垂直顶升立管外壁与预留顶升口管片间设计预留约1 cm的间隙，与止水框之间预留约3 cm间隙(如图3所示)。

由于取水口尺寸增大，止水框与立管间渗漏通道间隙及长度均显著增加，顶升过程中的立管姿态变化、顶升完毕后注浆效果不佳等原因易导致顶进过程中、底座管节处理时发生严重的渗漏现象。

总结以往经验，本次施工前对止水系统进行设计改进如下：

1)增设顶升口外侧止水橡皮。

顶升口四周相邻的六块管片拼装前，在管片外弧上面安装止水橡胶板，橡胶板伸出管片环面7 cm～10 cm，类似于水平顶管洞口橡胶止水，可有效阻止泥水涌入隧道内。

2)采用调节压板和调节螺栓设计，可根据立管姿态分区域调整油浸盘根的位置和松紧，止水效果更好，且盘根过程中不易损坏。

3)用四道直径40 mm油浸盘根替代原设计的三道直径30 mm的油浸盘根止水，提高止水效果。

4)设置双道止水系统，即止水框盘根上方增设一道橡皮圈止水(如图4所示)。这一改进设计还可有效避免顶升完毕后拆除油浸盘根止水后漏水影响焊接施工。

5)做好渗漏应急处理预案：考虑渗漏严重时可进行双液注浆或压入聚氨酯堵漏，顶升施工前在止水框四个侧面均留置压浆孔，安装好注浆阀。

6)顶升口处(帽盖)两块开口环GDK块之间安装时加贴止水橡胶条，并对环缝采用电焊填充封闭，防止从该缝隙中漏泥漏水。

4.3 增设附加管节抬高取水头防止运行期淤积措施

施工期间，1号,2号机组取水头附近海床淤积严重，原设计取水头淤积安全高度已无法满足电厂长期稳定运行的要求，故拟抬高取水头标高。顶升施工后期与海水贯通，直接增加顶升两节立管管节存在较大风险。因此，采用了原设计垂直顶升立管段施工长度不变，顶部增加的两个立管改为水下安装的方案。

该方案优化结合了垂直顶升和水下安装工艺，首次提出取水头安装之前安装若干节附加管节的设计思路，成功解决了由于淤积原因需抬高取水头的问题，并为后续更换管节和继续抬高取水头留有空间。

5 应用效果

本次施工立管最大垂直度偏差仅为0.43%H，小于0.5%H的标准值；垂直顶升施工及完成后，水平隧道及立管无变形、破损现象；管节间连接牢固；施工中无漏泥漏水现象，施工完成后无明显渗水和水珠现象，止水效果良好(如图5所示)。

水平隧道沉降、椭圆度情况：最大椭圆度变化为0.67%D；沉降数值较小，均小于5 mm。

附加管节水下安装施工便捷快速，两条隧道16个取水头均成功抬高至设计标高。

6 结语

1)针对三门核电超大口径取水口垂直顶升工况进行受力计算分析，并通过实测顶力值进行验证。实测值略低于计算最大顶升力值，分析认为主要原因可能为：顶升施工时海平面水位未达设计高潮位导致水压力小于计算值。

2)结合核电大口径隧道尺寸，参考计算分析得出的顶升力最大值，研发了超大尺寸专用垂直顶升施工装置，并成功运用于施工。

3)对关键的垂直顶升止水系统装置进行了优化改进，并做好防渗应急处理措施。整个顶升施工过程未发现漏水漏泥现象，施工完毕后止水效果依然可靠。

4)利用垂直顶升和水下安装工艺相结合，增设水下附加管节安装设计，可在降低施工风险的前提下，快捷便利地提高取水头标高，防止运行期取水口淤积；并为覆土层厚、顶力较大的垂直顶升难题提供了新思路。

结合工程实际对垂直顶升施工技术进行优化改进后，成功应用于核电取水超大尺寸取水口工程，对同等尺寸或更大口径的取、排水口垂直顶升施工具有重要的借鉴价值。