排水隧洞立管栽管施工装置及方法与流程

本发明涉及一种排水隧洞工程，特别涉及一种垂直设置在排水隧洞头部且与排水隧洞连通，用作排水口、排污口和取水口的栽管施工装置及方法，属于水工工程技术领域。

背景技术：

栽管技术引申自栽桩技术，所述栽桩技术是指港口水工或桥梁工程中将管桩底部固定在海底岩石中的技术，所述“桩”其实都是内有通孔的钢管或预制管，因为其用途为桩，所以叫“栽桩”；“桩”与本工程的“立管”的结构基本一致，因此将“栽桩”技术应用到立管的施工中，称之为“栽管”。

现有的隧洞工程以及排水头部垂直设置的的排水口、排污口和取水口的施工均采用在隧洞内侧顶部向上垂直顶升的施工方法,这种施工方法的垂直顶升洞口施工与水平的隧洞施工的工序交替复杂，互相影响制约，需要占用关键线路的工期。同时受季节气候的影响较大，安全方面受到影响，为了确保施工安全，海况较差时只能停工。另外，隧洞预留的垂直顶升洞口与海上冲孔部位精准对位的难度大，在隧洞内将竖管进行垂直顶升的施工方法的工期较长，施工安全性低，施工中常遇到如顶升阻力过大、出洞口封盖卡壳、隧洞底座承受力不足等故障，严重影响排水隧洞立管栽管的正常施工。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构较为简单、施工成本较低的排水隧洞立管栽管施工装置及方法，将现有的垂直顶升在水平隧洞施工后进行的方法改为垂直顶升在水平隧洞施工前或同时施工的方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种排水隧洞立管栽管施工装置，包括采用四根可升降液压支柱支撑的船舶平台，所述船舶平台一侧水平间隔设有数个冲孔桩定位导向架，所述冲孔桩定位导向架为两根平行设置的钢管桁架，所述钢管桁架包括上层框架和下层框架，所述上层框架和下层框架两侧分别通过多根筋杆固定连接成矩形横截面的钢管桁架，钢管桁架的一端固定在船舶平台一侧上；垂直设置的数个钢护筒上端分别支撑锁定在对应的两个钢管桁架中。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。

前述的排水隧洞立管栽管施工装置，其中所述上层框架和下层框架之间的距离a不小于2.25m。

一种使用排水隧洞立管栽管施工装置的方法，包括以下步骤：

1）排水口冲孔施工，包括以下2个分步骤：

1.1）钢护筒的运输和定位

驳船将钢护筒运输至沉桩现场的船舶平台一侧，通过船舶平台上自有的履带吊机将钢护筒吊至平台船舷一侧的导向架内，导向装置内设有钢护筒定位、施沉过程中纠偏、调整和锁定装置；

1.2）钢护筒的沉桩施工

钢护筒沉放前先采取抛填2m厚碎石形成找平基床；采用船舶平台上自有的吊机加液压震动锤对钢护筒进行沉桩施工，直至钢护筒下端嵌入强风化花岗岩下1m，或与冲孔底标高相同，钢护筒的上部端口伸入船舶平台定位导向架，逐个完成船舶平台定位区域内所有钢护筒的沉桩施工；

2）冲击钻孔或旋挖钻钻孔

将船舶平台作为海上施工平台，船舶平台上的冲击钻机或旋挖钻机的钻头伸进钢护筒底部对海底钻孔，逐个完成船舶平台定位区域内所有桩孔的冲击钻孔；

3）排水口的立管施工，包括以下5个分步骤：

3.1）孔底粗平

对钻孔孔底进行整平，首先向孔底均匀抛填抛洒一层粗砂，避免孔底形成沙堆，然后采用冲击钻锤夯实孔底进行粗平，冲击钻锤的底面需要临时加焊钢板找平；

3.2）孔底细平

粗平后多点测量孔底深度，检查孔底的平整度和平均标高，若达不到设计标高，精确计算出剩余抛砂量后，对孔底再次进行均匀地抛砂，并再次采用冲击钻锤压实孔底；检查孔底的平整度和标高，若还达不到设计要求，则由潜水员在水下采用刮尺找平；

3.3）立管的预制及运输

在预制厂预制，立管顶部用钢板制成的封盖封堵，封盖内侧配有密封橡胶垫；立管上下端部用外壁钢板包封，基座混凝土里面预埋用于检查立管内部是否有水渗入的pvc管，通过预制厂的起重设备将预制好的立管装上自航驳船，海上运输至施工现场；

3.4）立管的栽管施工

采用起重船吊起自航驳船上的立管，并将预制好的立管及其基座吊入钢护筒内并沉放到设计标高；

3.5）水下混凝土浇筑

立管安装后，即采用导管法进行桩孔的混凝土浇筑固定立管；混凝土罐车运送到海岸边，泵送到普通小货船的集料斗中，然后水上运输到船舶平台边，由履带吊机吊起集料斗，将集料斗中的混凝土卸至导管上端的混凝土料斗中，再通过导管将混凝土浇筑到立管底部；

在浇筑水下混凝土的同时，需要随浇随拔除钢护筒；采取静力上拔的方法，由千斤顶配合吊机上拔；若采用一个导管浇筑立管的外包混凝土，混凝土必须具有足够的流动性和初凝时间，确保混凝土能完全充填满立管和孔壁之间的空间，同时保证混凝土具备水下自密实并满足设计抗渗等级的要求；

4）立管与隧洞的连接，包括以下7个分步骤：

先进行立管的栽管施工，后进行隧洞的盾构掘进施工；盾构机正常掘进通过立管位置，无需采取任何措施，在隧洞顶部与立管下端的对应位置处开孔，完成立管与隧洞的贯通连接；

4.1)洞内注浆止水

隧洞掘进通过以后，打开人孔之前根据立管的定位结合该段地质资料，在隧洞内部通过在钢管片上钻孔对立管底部的岩土体进行注浆止水，尤其注意加强砂层段的注浆，并通过打设检查孔的方式来检查堵水效果;

4.2）安装密封罐

在隧洞内顶部对应立管的位置安装一个密封罐，密封罐罐体上端与隧洞钢管片内侧顶部焊连，密封罐的罐体下端底板安装密封门；

4.3）完成预开孔

打开密封门，在隧洞钢管片和盾构钢管片上分别割出直径小于罐体下端底板的孔，形成直通立管底部内混凝土的通道，然后在立管底部内混凝土凿出一个直径大于1.2m,高度为2m～2.2m的操作空间；

4.4）完成立管下端外壁与隧洞钢管片外壁的临时密封

沿着立管下端圆周，进一步凿出立管内的混凝土，直至露出立管下端的外壁钢管，采用钢板搭接的方法将外壁钢管的底部与隧洞外壁钢管的上部焊接密封；

4.5）完成开孔

在立管外壁与隧洞外壁钢管完全焊接密封后，割除密封罐；顺着立管下端的外壁钢管向下凿出立管下端与隧洞顶部之间的其余混凝土，将隧洞顶部切割出与立管外径一致的孔口通道；

4.6）完成立管下端与隧洞二次内衬的混凝土现浇连接

孔口通道开孔完成以后，将立管下端暴露出的钢筋与将进行的隧洞二次内衬的钢筋焊连，然后将立管下端与隧洞二次内衬同时现浇混凝土；并在隧洞通水前，全部凿除立管内的水下混凝土;

4.7)形成排水通道

为防止海水倒灌，待排水隧洞及立管内部充满水后，打开立管顶部封盖，形成排水通道。

前述的使用排水隧洞立管栽管施工装置的方法，其中分步骤3.1）中冲击钻锤的锤头上升下落的高度差为20cm～30cm。

前述的使用排水隧洞立管栽管施工装置的方法，其中分步骤4.2）所述的密封罐体采用低碳钢板焊成的直径为1.15m～1.25m、高度为0.7m～0.9m的圆桶，所述密封门的尺寸60cm×60cm。

前述的使用排水隧洞立管栽管施工装置的方法，其中分步骤4.3）所述预开孔时，首先打开立管基座预埋的pvc管检查立管内部是否有海水渗入，如有海水渗入立即停止凿除，封闭密封罐；然后分别在隧洞钢管片和盾构钢管片割出直径小于罐体下端底板的孔；施工过程中，需要随时观察隧洞外的渗漏水现象，一旦出现渗漏水现象，操作工人必须立即退出密封罐，迅速关闭密封门；然后向密封罐内注满水泥浆止水，检查确认再无渗漏后，打开密封门重新开始作业。

前述的使用排水隧洞立管栽管施工装置的方法，其中分步骤4.4）所述完成立管外壁下端与隧洞钢管片外壁的临时密封时，密切观察立管下端有无渗漏水现象，只要出现明显的水滴现象，操作工人必须立即退出密封罐，迅速关闭密封门；在密封罐内无人作业的时间段，必须关闭好密封门。

本发明的排水隧洞立管栽管施工装置安装在能抗拒恶劣海况和气候的船舶平台上，使得立管的栽管施工不受冬季季风的影响能连续进行，缩短了施工工期。在船舶平台一侧水平间隔设有数个钢管桁架，垂直设置的数个钢护筒上端分别支撑锁定在对应的两个钢管桁架中。这种结构可以同时进行多个冲孔桩的施工，提高了钢护筒沉桩和立管的栽管施工效率，并能确保施工安全。本发明的立管栽管方法采用冲击钻孔或旋挖钻钻孔，立管的栽管和立管与隧洞的连接等施工方法解决了顶管施工中常见的顶管阻力过大、出洞口封盖卡壳、隧洞底座承受力不足等问题。与搭设钢结构施工平台以及垂直顶升施工的方法相比，本发明的立管栽管可以和排水隧洞的掘进同时进行或立管栽管先于排水隧洞的掘进，两者施工互不干扰，因而大大缩短了施工周期，不会影响总工期目标，避免产生施工过程中工序交替复杂，互相影响制约干扰的问题，使得施工能连续进行，提高了施工质量。

本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明

图1是本发明船舶平台的结构图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明实施例的多根立管栽管的示意图；

图4是本发明施工方法的分步骤4.1）～4.7）的示意图。

具体实施方案

下面结合附图和陆丰核电厂1、2号机组排水工程的排水口立管栽管的实施例对本发明作进一步说明。如图3所示，陆丰核电厂1、2号机组排水头部共有8根立管40，“长旭号”船舶平台10一次锚泊定位能依次完成4根立管40的定位固定，在“长旭号”船舶平台10移动一次船位后，完成另外4根立管40的定位固定。

如图1和图2所示，本发明的施工装置包括采用四根可升降液压支柱101支撑的“长旭号”船舶平台10，“长旭号”船舶平台10的排水量为1510t，其抗风能力工作时15m/s(7级)，非工作时44m/s(12级)。其抗浪能力降作业时小于0.5m浪高；停泊驻守时“长旭号”船舶平台10底高于最高波峰1.5m，小于6m浪高，其上的履带吊机30的起重能力为180t，能在较为恶劣的海况下连续作业，确保作业的安全。

“长旭号”船舶平台10一侧水平间隔设有数个冲孔桩定位导向架1，所述冲孔桩定位导向架为两根平行设置的钢管桁架11，钢管桁架11包括上层框架111和下层框架112，上层框架111和下层框架112两侧分别通过多根筋杆113焊接成矩形横截面的钢管桁架11，垂直设置的4个钢护筒20上端分别支撑锁定在对应的两个钢管桁架11中。上层框架111和下层框架112之间的距离a不小于2.25m。

如图3所示，一种使用排水隧洞立管栽管施工装置的方法，包括以下步骤：

1）排水口冲孔施工，包括以下2个分步骤：

1.1）钢护筒20的运输和定位

本实施例的钢护筒20的直径3.8m长度39m，牌号为q345，驳船将钢护筒20运输至沉桩现场的“长旭号”船舶平台10一侧，通过“长旭号”船舶平台10的自有的履带吊机30将钢护筒20吊至平台船舷一侧的导向架内，并将垂直的钢护筒20中部支撑锁定在一对冲孔桩定位导向架1中。

1.2）钢护筒20的沉桩施工

在钢护筒20沉放前先采取抛填2m厚碎石形成找平基床；采用“长旭号”船舶平台10上的自有的履带吊机30加液压震动锤对钢护筒20进行沉桩施工，直至钢护筒20钢护筒下端嵌入强风化花岗岩下1m，或与冲孔底标高相同，上部端口伸入船舶平台定位导向架1，逐个完成“长旭号”船舶平台10定位区域内4个钢护筒20的沉桩施工。

2）冲击钻孔或旋挖钻钻孔

将“长旭号”船舶平台10作为海上施工平台，长旭号”船舶平台10上的冲击钻机或旋挖钻机的钻头伸进钢护筒20底部对海底冲击钻孔，逐个完成船舶平台定位区域内所有桩孔的冲击钻孔；钻孔直径3.5m，钻孔深度大约13m。

3）排水口的立管40施工包括以下5个分步骤：

3.1）孔底粗平

对钻孔孔底进行整平，首先向孔底均匀抛填抛洒一层粗砂，避免孔底形成沙堆，然后采用冲击钻锤夯实孔底进行粗平，冲击钻锤的底面需要临时加焊钢板找平；冲击钻锤的锤头上升下落的高度差为20cm～30cm，便于锤平孔底。

3.2）孔底细平

粗平后多点测量孔底深度，检查孔底的平整度和平均标高，若达不到设计标高，精确计算出剩余抛砂量后，对孔底再次进行均匀地抛砂，并再次采用冲击钻锤压实孔底；检查孔底的平整度和标高，若还达不到设计要求，则由潜水员在水下采用刮尺找平。

3.3）立管40的预制及运输

在预制厂预制，立管40顶部用钢板制成的封盖401封堵，封盖401内侧配有密封橡胶垫，立管上下端部用外壁钢板402包封，基座混凝土里面预埋pvc管（后续检查立管内部是否有水渗入）的立管40通过预制厂的起重设备将预制好的立管40装上自航驳船，海上运输至施工现场；

3.4）立管40的栽管施工

采用起重船吊起自航驳船上的立管40，并将预制好的立管40及其基座精确吊入钢护筒20内并沉放到设计标高；

3.5）水下混凝土浇筑

立管40安装后，即采用导管法进行桩孔的混凝土浇筑固定立管40；混凝土罐车运送到海岸边，混凝土泵送到普通小货船的集料斗中，然后水上运输到“长旭号”船舶平台10边，由履带吊机30吊起集料斗，将集料斗中的混凝土卸至导管上端的混凝土料斗中，再通过导管将混凝土浇筑到立管40底部。

在浇筑水下混凝土的同时，需要随浇随拔除钢护筒20；采取静力上拔的方法，由千斤顶配合履带吊机30上拔；若采用一个导管浇筑立管40的外包混凝土，混凝土必须具有足够的流动性和初凝时间，确保混凝土能完全充填满立管40和孔壁之间的空间，同时保证混凝土具备水下自密实并满足设计抗渗等级的要求；

如图4所示，4）立管40与隧洞50的连接，包括以下7个分步骤：

先进行立管40的栽管施工，后进行隧洞50的盾构掘进施工；盾构机正常掘进通过立管40位置，无需采取任何措施，在隧洞50顶部与立管40下端的对应位置处开孔，完成立管40与隧洞50的贯通连接。

4.1)洞内注浆止水

如图4的图4-1）所示，隧洞50掘进通过以后，打开人孔之前根据立管40的定位结合该段地质资料，在隧洞50内部通过在隧洞钢管片501钻孔对立管底部的岩土体进行注浆止水（尤其注意加强砂层段的注浆），并通过打设检查孔的方式来检查堵水效果。

4.2）安装密封罐60

在隧洞50内顶部对应立管40的位置安装一个密封罐60，密封罐罐体601上端与隧洞钢管片501内侧顶部焊连，密封罐60的罐体下端底板602安装密封门603。本实施例的密封罐体601采用q235钢板焊成的直径为1.2m、高度为0.8m、壁厚10mm的圆桶，密封门603的尺寸60cm×60cm。

4.3）完成预开孔

如图4的图4-2）所示，打开密封门603，在隧洞钢管片501和盾构钢管片502分别割出直径大约1.2m的孔，形成直通立管40底部内混凝土的通道，然后在立管40底部内混凝土凿出一个直径大于1.2m,高度为2m～2.2m的操作空间。首先在隧洞钢管片501和盾构钢管片502开一个直径2.5cm～5cm的观察孔，确认隧洞50外土层无渗漏水现象；然后分别在隧洞钢管片501和盾构钢管片502割出直径小于罐体下端底板602的孔。施工过程中，需要随时观察隧洞50外的渗漏水现象，一旦出现渗漏水现象，操作工人必须立即退出密封罐60，迅速关闭密封门603。然后向密封罐60内注满水泥浆止水，检查确认再无渗漏后，打开密封门603重新开始作业。

4.4）完成立管40下端外壁与隧洞钢管片501外壁的临时密封

如图4的图4-3和图4-4所示，沿着立管40下端圆周，进一步凿出立管40内的混凝土，直至露出立管40下端的外壁钢管402，采用钢板搭接的方法将外壁钢管402的底部与隧洞钢管片501外壁的上部焊接密封。完成立管40下端外壁与隧洞钢管片501外壁的临时密封时，密切观察立管40下端有无渗漏水现象，只要出现明显的水滴现象，操作工人必须立即退出密封罐60，迅速关闭密封门603。在密封罐60内无人作业的时间段，必须关闭好密封门603。

4.5）完成开孔

如图4的图4-5所示，在立管40外壁与隧洞钢管片501完全焊接密封后，割除密封罐60；顺着立管40下端的外壁钢管402向下凿出立管40下端与隧洞50顶部之间的其余混凝土，将隧洞50顶部切割出与立管外径一致的孔口通道70。

4.6）完成立管下端与隧洞二次内衬的混凝土现浇连接

孔口通道60开孔完成以后，将立管40下端暴露出的钢筋与将进行的隧洞二次内衬的钢筋焊连，然后将立管40下端与隧洞二次内衬同时现浇混凝土；并在隧洞50通水前，全部凿除立管40内的水下混凝土。

4.7)形成排水通道

为防止海水倒灌，待排水隧洞及立管内部充满水后，打开立管顶部封盖，形成排水通道。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。