大断面矩形取水口垂直顶升技术在海底隧道中的应用

摘要 结合汕头市火力发电厂取水口垂直顶升工程（海域段）施工实际，文章详细阐述了大断面矩形预制管节垂直顶升技术的顶力估算、关键技术、控制措施及注意事项，经过优化技术方案，对大断面矩形预制管节垂直顶升法在海底取水隧道中应用的适应性进行了分析，总结了该技术快速施工的重难点及关键控制技术，以期为今后类似工程提供一定的借鉴意义。

关键词 海底取水隧道；矩形管节，垂直顶升；顶力估算；止水装置

中图分类号 U455 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）22-0105-03

0 引言

垂直顶升法相较传统的施工工艺（如筑岛围堰法、浮运沉井法及海上钻井法等），具有加快施工进度、避免对航道的影响，以及大量节省工程投资等优势，是水利工程施工中的常用方法之一[1-3]。同时，由于其施工所需周期较短，对环境的污染较小、工费相对低等特点，在沿海、沿江（河）地区大型工程中备受青睐，如核电厂、火力发电厂、城市取排水、污水处理厂及石油化工、天然气管道等[4-6]。垂直顶升法不仅常用于盾构隧道工程，也适用于顶管工程[7]，用此法建成的进排水管道比传统的要长得多，可伸入海域较远处，以取得较为洁净的水源或排污水于远海之中[8]。所谓垂直顶升法，简单地说是在已建好的隧道内部，采用相关机械设备，通过把竖直管道或管节垂直朝上顶出，将土层穿破的一种施工技术手段，孙德山等人[1-4]对不同直径的圆形金属管节垂直顶升法进行了阐述，董胜宪等人[5-6]对预制矩形管节垂直顶升法进行了阐述。目前对小断面圆形金属管垂直顶升技术的研究和应用较为普遍，而对大断面矩形预制管节垂直顶升技术的研究和应用甚少，该文将结合汕头市火力发电厂取水口垂直顶升工程（海域段）施工，对大断面矩形预制管节在海底隧道中快速垂直顶升施工技术进行研究和应用，这在我国水域资源丰富的华南地区尚属首次，可供今后类似工程借鉴。

1 工程概况

工程位于广东省汕头市潮阳区海门镇，为华电丰盛汕头电厂“上大压小”新建项目配套取水的构筑物工程，该项目由汕头华电发电有限公司规划建设，总投资68亿元，是广东省“十四五”能源重点建设项目，也是华电集团在粤唯一的港电一体化电厂。取水构筑物由海底自流引水的取水隧道和取水头工程组成。取水隧道为单线单洞，内径为5 340 mm，壁厚330 mm，外径为6 000 mm，隧道总长312 m，最大的平面曲线为1 500 m，长度约74.9 m，最大纵坡为5%，长度为160.7 m。隧道采用预制钢筋混凝土管片衬砌，衬砌管片尺寸为φ6 000 mm×φ5 340 mm×

1 500 mm，取水口段隧道拱顶采用Q235钢结构并填充C50混凝土制作的特殊管片，特殊管片尺寸为φ6 000 mm×

φ5 340 mm×1 105 mm。取水隧道使用一台土压平衡盾构进行施工，从始发井始发，下穿东护岸后进入海域，推进至取水口位置后进行盾构机拆解，拆解完成做端头封堵，然后进行取水头工程的施工。取水头工程在隧道大里程端55.25 m范围内设置7个竖向取水口，取水口依次采用从隧道内向上垂直顶升钢筋混凝土预制管节，每个取水口由11节管节组成，每节管节为2 200 mm×2 200 mm的矩形断面，壁厚200 mm，混凝土强度为C50，抗渗等级为P12，上下管节之间采用钢板法兰、螺栓连接，管节间设置止水框，顶头管节顶安装φ4 500 mm×4 000 mm的钢结构取水格。

2 垂直顶升力估算

2.1 基础数据

由于取水口垂直顶升管经过的地层为⑤1砾质黏性土和⑤2粉质黏土两种，现根据地勘报告查得，这两种地层所对应岩土层的主要物理参数推荐值和地基承载力特征值分别见表1和表2所示，管节外壁与地层的摩阻力系数取值见表3所示，顶升管节与管片重量见表4所示。

2.2 垂直顶升力估算

根据以上地质参数和管节重量，垂直顶升法采用闷顶式由下至上顶进，不需要掘削出土，最大顶升力出现在管道上的覆土层破坏前，主要来源于破坏范围内海水、土重力和沿破坏面的剪切力，参照董胜宪[5]等相关学术资料，建立了土体剪切破坏的计算模型，按土体的剪切破坏进行垂直顶升力估算。

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

式中：P——垂直顶升的最大顶力（kN）；α1——垂直顶力的折减系数，取α1=1.5～2.5；A—— 顶升管节的闷板长度（m）；B——顶升管节的闷板宽度（m），顶升管节断面为2.2 m×2.2 m，A与B均为2.2 m；fak——顶升管节顶面土体地基承载力极限值（kPa），取250 kPa；qu——顶升管节侧面的土体抗剪应力，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——内摩擦角26°；σ——土重度18 kN/m3；Hs——顶升管节顶面覆土厚度，取8.6 m；H——顶升管节顶面水的深度，取16.0 m；r——水的重度（kN/m3），取9.8 kN/m3；G——最大混凝土管节重量和特殊管片重量（kN）。

最大的顶力估算：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，经式（1）计算，最大顶升力为6 361.91 kN，现场采用4只2 000 kN油缸，根据施工经验，安全系数考虑取值为0.8，4只千斤顶顶力：2 000×4×0.8=6 400 kNgt;

6 361.91 kN，顶力满足顶升要求。

3 垂直顶升施工

3.1 取水口垂直顶升工艺综述

海底隧道大里程端设7孔取水口，中心间距为7 735 mm，每个取水口由11节2 200 mm×2 200 mm的钢筋混凝土矩形管节和取水格栅组成，分为1节顶头管节、1节特殊管节、8节标准管节、1节底座管节，单节管节约长1 m。出海床后，海上吊入取水格栅与钢筋混凝土管节连接，并将取水格栅用抛石填筑牢固，打开顶头管节顶帽，将海水引入取水隧道内，从而达到取水目的。

3.2 垂直顶升工艺流程

3.2.1 垂直顶升底座及顶升设备的安装

隧道底部设有钢底梁支撑的平台，钢底梁下部与隧道管片之间用C30混凝土填实。钢支撑平台设置垫板，垫板上安装有千斤顶和支撑架，4只千斤顶的最大顶力为2 000×4=8 000 kN，最大行程为1 500 mm，最大顶升速度为200 mm/min。千斤顶布置在四角并准确定位。垂直顶升装置安装时，首先要平整、垫实、强制对中，以保证竖向顶力均匀扩散至基座。

3.2.2 首节管节与特殊管片连接

预制管节采用10 t叉车运输到顶升位置。叉车将首节（顶头）管节定位到千斤顶上方的顶铁上，固定好橡胶垫，并用千斤顶将首节（顶头）管节顶升至隧道顶部，与拱顶特殊管片紧贴，采用螺栓将首节（顶头）管节和特殊管片进行连接。

3.2.3 止水装置安装

垂直顶升对止水要求非常高[4]，为确保顶升过程中强水压下的海水不渗入顶升管内，提高安全性和生产效率，需要采用高效可靠的止水技术[6]。顶头管节安装好后，在管节四周安装止水框，使止水框正好与取水管节穿过隧道管片预留方孔口的四个边相结合，并焊接牢固。采用橡胶圈、橡胶圈挡块、沥青油膏、油浸盘根、盘根压条将取水管节外壁与止水框内边之间的缝隙嵌塞密实，再用钢压板压紧，并用螺栓与钢法兰座连接在一起，构成止水框架的止水装置，利用调节螺栓压紧盘根，从而起到止水作用。

3.2.4 垂直顶升过程

（1）采用4支千斤顶将管节托起，与顶头管节底部栓接牢固，检查止水盘根及调节螺栓，准备工作就绪后，拆除特殊管片与周边管片之间的连接螺栓，并封堵螺栓孔，一切就位后将4个千斤顶同时顶升。

（2）顶升时，千斤顶慢慢加大顶力，当顶力超过350 t而管节没有升进时应停止顶进，检查情况，分析原因。在上一管节顶升到位后，将止退装置安装就位，确认管节稳定后，缓慢回收顶升千斤顶，在千斤顶脱离管节2 cm后停止回收，静置并检查止退葫芦和止退钢柱，确认未发现异常情况后将顶升千斤顶收回至原位，放置下一管节并栓接牢固，填充管节间的凹槽，继续顶升工作，以此类推，直至顶到最后一节底座管节连接固定。在顶升过程中，每顶升1节管节，测量1～2次，以确保顶升管节的垂直度，如与设计轴线发生偏差，通过调整千斤顶行程、改变千斤顶合力的中心位置进行纠偏。

3.2.5 止退装置安装

当上一管节顶升到位后，采用隧道管片顶部安装4只10 t的手拉葫芦和4根止退钢柱，沿预留的钢制凹槽对管节进行临时固定，防止顶升油缸回缩（管节换步）时管节后退。

3.2.6 管节顶升到位加固

底座管节顶升到位后，完成所有管节顶升，依托止水框，在管节底部采用20 mm厚的钢板加工止退装置，与止水框焊接形成整体，并作永久处理，检查符合要求后，拆除顶升设备装置进行下一个取水口的施工。

4 垂直顶升施工注意事项

（1）在盾构达到设计里程后，立即组织对管片背后进行二次注浆，确保管片背后密实坚固，为后期顶升工作提供先决条件。

（2）管节加工必须标准，尤其是外包尺寸，做到上、下面水平，立面垂直，防止因加工误差导致的管节连接错位，导致顶升卡顿，进而出现顶力增大、构件破坏、漏水漏沙等次生灾害的出现。

（3）对顶升部位拱顶的2块特殊管片GD1和GD2拼装错台进行预先处理，可以通过加焊薄钢板，以确保与顶头管节结合面的紧密连接。

（4）在首节管节顶升过程中，如出现达到计算的最大顶升力时，不得持续加压，及时停止顶升，检查油压表、顶升油缸、油管及隧道结构。在确保顶升安全时，可间断进行顶升，以便将覆土地层扰动后的顺利顶升。

（5）在顶升施工过程中，管片受力复杂，为确保隧道安全，加强对主隧道沉降、椭圆度及其管片拼缝的监测，每隔5环设置一个观测点。同时，持续监测管节垂直度，如发现偏斜超限，应停止顶升，制定纠偏方案后缓慢调整。

（6）在顶升过程中，如果止水框与管节接触面出现漏水、漏沙现象，通过增大盘根直径和缠绕数量，拧紧调节螺栓以挤压盘根，起到止水效果；如不奏效，可通过预留球阀注入聚氨酯进行止水。

（7）止退措施在油缸换步时，起到支撑上部所有管节重量的作用，是整个顶升工作的重点，根据该工程经验总结，对立柱及立柱自由端固定装置采用螺旋千斤顶进行改进，可起到加大安全系数和提高施工效率的作用。

（8）当底座管节顶到位后，管节与管片之间用螺栓连接，基座底部焊接制动压板，并作永久处理。管节与管片之间的缝隙采用水泥浆填充，以确保管节的整体稳定。

5 结束语

在施工过程中，为了确保顶升的顺利进行，选择取水口地质条件较好、特殊管片安装质量较高的2号取水口开始首次顶升，然后依次顶升其余6孔。通过对垂直顶升力的估算和现场施工过程中的反复验证，为海底隧道内管节的垂直顶升施工提供了有力的科学依据，现场施工中采用合理的顶升设备和止水材料，7孔取水口垂直顶升施工43 d顺利完成，比预期提前了27 d。该项目已于2023年5月底投入商运，在安全、质量、工期、效益等各方面均取得了良好的效果。

参考文献

[1]孙德山.垂直顶升法在水利工程中的施工应用[J].中国科技投资，2017（27）：29.

[2]苏战军.垂直顶升法在水利工程中的施工应用[J].水利建设与管理，2015（5）：19-21.

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

[4]方华.长距离小直径隧道垂直顶升施工技术[J].建筑施工，2021（8）：1589-1591+1594.

[5]董胜宪.垂直顶升法在电厂取排水隧道工程中的应用[J].电力勘测设计，2012（6）：47-51+69.

[6]尤雪娣.大口径垂直顶升取水构筑物在三门核电工程中的运用[J].电力勘测设计，2012（5）：48-52.