1· 工程概况
    江苏常熟发电有限公司2 × 1 000 MW 机组扩建工程取水系统主要包括循环水泵房一座、取水隧道2 条及14 根垂直顶升立管，取水隧道始于循环水泵房北侧进水间，穿越长江大堤后延伸至长江水道内870 m，隧道内径4．2 m，外径4．8 m，采用盾构法施工，单条取水隧道长度为943．2 m。垂直顶升立管为矩形钢筋混凝土方管，截面尺寸为1． 79 m × 1．79 m，壁厚180 mm。每根立管由13 节管节组成，其中顶节管节1 节，底座管节1 节，标准管节11 节，立管顶标高－ 7．664 m，取水钢格栅顶标高－ 4．00 m，取水头中心间距为6．3 m。
    2· 垂直顶升法施工技术概述
    垂直顶升法施工的原理与水平顶管相似，施工人员在隧道内部由隧道顶部预留位置使用液压油缸将管节逐步垂直顶入土中，继续穿破土层，达到设计顶进高程后，在水下揭去顶盖形成取水口。垂直顶升施工工艺适用于饱和含水的粘性土或砂性土等软土地层，主要用于沿海、沿江的取水隧道工程中。
    垂直顶升法基本的施工工艺流程是: 隧道特殊段地基加固→隧道内部清理及施工准备→顶升装置安装→立管管节内牺牲阳极安装→止水装置安装→管节顶升→底座管节与隧道接口永久处理→隧道特殊段牺牲阳极安装→水下吸泥→水下抛石→隧道内注水。
    3· 施工技术措施
    1) 隧道底部劈裂注浆加固。
    立管顶升时，隧道底部将受集中荷载，荷载值在不考虑顶部钢管片间的摩擦力情况下为剪切土体最大顶升力和台车重量之和。
    按照土体剪切破坏的计算模型，顶管头部宽为D，剪切破坏线内土体最上端按1． 2D ～ 1． 5D 计算。顶管由下而上顶进，千斤顶的顶力F 需克服上方的水重Gw、管节自重Gs、剪切破坏线范围内的土体自重Ge、管道与土体间的剪切力V 和管节四周与土体的摩擦阻力Fs五种阻力( 如图1 所示) 。
                   
    故可得出垂直顶管顶力计算公式为:
    F = Gw + Gs + Ge + V + Fs。
    以上各项的计算公式分述如下:
    水重:
    Gw = γw × hw × As = 10 × 21．1 × 1．8 × 1．8 = 683．64 kN = 68．4 t。
    管节自重:
    Gs = γs × Vs = 1．042 + 1．677 = 2．719 t。
    土体重:
    Ge = Σγi × Vi = 8．5 × 9．8 × 1．82 = 151． 6 kN = 15．2 t。
    剪切力:
    初顶时α 接近于0:
    故σ = Σγi × hi
    ( sinα + K0·cosα ) = 8．5 × 9．8 × 0．57 =47．48 kN。
    V = Στf·ΔS = Σ( c + σ·tanΦ) ·ΔS = ( 31．8 + 47．48 ×tan1．4°) × ( 3．14 × 1．32 × 44．4 － 3．14 × 1．016 × 33．4 ) =2 553．6 kN = 255．4 t。
    摩擦阻力:
    初顶时Δh 的高度为0，故Fs = ΣπD·Δh·qs = 0 kN。
    故总顶力为: F = Gw + Gs + Ge + V + Fs = 68． 4 + 2． 719 + 15．2 +255． 4 + 0 = 341．7 t。
    现考虑顶升台车的自重为15 t，故在不考虑钢管片间摩擦力的情况下管片所受顶力为千斤顶总顶力与台车自重之和，即:F总= 341．7 + 15 = 356．7 t。
    以上式中: γw为水重度; hw为水头高度; As为管道截面面积;γi为土体浮重度; Vi为土体体积; τf为平均剪应力; σ 为剪切滑动面上的法向应力; K0为静止土压力系数; α 为剪切滑动面与竖直线的夹角; qs为土极限侧摩阻力; c 为粘聚力; Φ为内摩擦角。
    经分析，在顶升时纵向管片间不存在摩擦力，环向管片间因受水土压力的作用应考虑其摩擦力，计算公式如下:
    f = q × Δs × k = 30 t /m2 × ( 2． 4 × 1． 8) m2 × 0． 15 = 19． 44 t。
    其中，q 为水土压力; Δs 为有效受力面积; k 为钢管片间摩擦系数。
    考虑到环向管片存在两个接触面，故顶升过程中所受摩擦力f = 19．44 × 2 = 39 t。
    综合上述计算分析，顶升过程中管片所受最大反力为356．7 +39 = 395．7 t。
    鉴于取水隧道盾构推进施工时发现江底地质的复杂性，为防止垂直顶升对特殊段隧道的破坏，确保顶升段地基承载力满足顶升施工需要，将设计图纸要求的特殊段地基劈裂注浆加固范围从隧道周围2．5 m 增加到3．0 m，根据设计要求在竖顶区域底部通过压浆孔预先对隧道外侧进行劈裂注浆加固，浆液配合比为水泥∶ 水= 1∶ 0．5，初始压力为1．0 MPa，注浆压力控制在0． 3 MPa ～0．5 MPa。浆液注入率为20%，即每立方米加固土体水泥用量为150 kg 左右。劈裂注浆采用洞内注浆方式，从管片内侧向外注浆。
    据设计要求，隧道外围进行劈裂注浆加固，加固范围为取水盾构端部从1 000 环～ 1 048 环，沿盾构周长向外3．0 m 的圆环，加固施工分两部分实施，顶升前对隧道底部180°范围内进行加固，顶升施工完成后再对上部进行注浆加固( 加固区域如图2 所示) 。
                
    2) 特殊段整体稳定性加强措施。
    鉴于取水隧道地质情况复杂，为加强取水隧道垂直顶升段管片的整体刚度，提高垂直顶升施工的安全可靠性，除按设计要求进行劈裂注浆外，施工中还增加以下措施:
    a． 底部管片浇筑钢筋混凝土板。
    在特殊段底部管片上浇筑30 cm 厚钢筋混凝土板，长度约为47 m( 覆盖盾构机头部1 m 及标准环2 环) ，如图3 所示。
                 
    b． 在开口处相邻的环缝和纵缝位置增加12 块U 形钢板卡用于锁扣管片接缝( 见图4) 。
    c． 在顶升前转向法兰底焊接兜底钢板，以防止GD1，GD2 之间接缝出现渗漏泥水现象( 见图5) 。
              
    d． 特殊环与标准环管片连接处加焊“L”形钢板，增强特殊环与标准环之间的联系( 见图6) 。
              
    3) 顶升架安装。
    顶升装置由底座扩散块、刚性顶升架、千斤顶、油泵车等组成。千斤顶采用100 t × 6( 两个备用) ，在顶升装置安装时，首先要平整、垫实、对中，确保立管的准确度。竖顶反力架是一个刚性整体，竖顶反力扩散区在25 m2 以上。
    4) 止水框安装。
    止水框与管片焊接时，止水框上口配合面若有太大间隙，可在现场局部配置。
    5) 垂直顶升设备安装。
    将垂直顶升设备整体移位到垂直顶升止水框下方，调整垂直顶升反力架与止水框中心一致，然后调整垂直顶升反力架水平度，调整好后的反力架应适当固定。
    6) 联系梁安装。
    联系梁用于连接特殊段管片，防止顶升时出现变形和结构失稳的情况，应根据设计图纸要求安装，焊接牢固。
    7) 止水轧兰安装。
    止水轧兰分内外两部分，外止水轧兰为临时止水框的一部分，内外止水轧兰之间压入3 道直径40 mm 油浸盘根止水，内轧兰与止水框法兰用M20 螺栓连接。
    8) 管节就位。
    管节采用小车运输就位，在垂直顶升时，管节通过电瓶车运输到隧道末端垂直顶升位置以后，利用千斤顶使管节与已顶升管节连接。
    9) 顶升施工。
    a． 首节管定位后，向上顶升与管片临时封堵连接后，解除钢封门( GD1，GD2) 与隧道管片的联系，控制顶力并逐渐加大顶力，当顶升至油缸行程末端时，用龙门架支撑管节底部，缩回油缸并安装就位下节管节，螺栓连接后，用早强防水填料封堵法兰格腔，再进行顶升。管节间外表面凹槽要用快硬防水水泥找平，填料要光滑平整，以防损坏止水轧内油浸盘根。
    b． 开始顶升时由于钢封门与相邻管片之间有一定摩阻力，顶力可能较大，此时应调好溢流阀将总顶力控制在1 000 kN ～1 200 kN，在顶升过程中，逐步调高油压。
    c． 初顶阶段应密切注意，若发现竖管垂直度略有偏差应及时调整油缸，确保竖管垂直度。
    10) 底座管节与隧道接口永久处理。
    a． 当底座管节顶升至设计高度时，从底部管节压浆孔向止水框外压入快凝止水浆液( 水泥60%、水35%、水玻璃5%) ，立管与隧道管片采用螺栓连接固定。
    b． 待浆液凝固后，进行制动压板和撑板焊接，撑板可根据施工时压力增加数量。在这过程中必须保证有龙门架顶住底座节管，防止坠落。
    c． 焊接完毕后回缩千斤顶。
    4· 施工监测
    1) 垂直顶升施工过程中管片受力复杂，为确保隧道安全，在垂直顶升前后及过程中，须对隧道沉降进行监测，防止过大变形。
    2) 委托上海法兰建筑设计咨询有限公司对部分顶升口附近管片螺栓应力及拼装缝张开情况进行实时监测，为顶升施工提供数据支持。
    5 ·施工注意事项
    1) 在立管顶升施工过程中，对隧道进行沉降监测，如发现变化量过大，及时停止顶升作业，待采取加固措施后再进行施工。
    2) 顶升时渗漏处理。
    a． 增大盘根直径和缠绕数量，在每个管节接缝的对接螺栓处增加Φ20 油浸盘根一圈，在止水轧兰内增加缠绕Φ40 油浸盘根1 圈，共4 圈。 
    b． 转向法兰内焊接6 mm 钢板起水密作用，能够有效解决GD1 与GD2 接缝处渗漏问题。
    c． 止水框侧面留置压浆孔，顶升时安装好阀门，渗漏严重时可压入聚氨酯堵漏剂。
    3) 当顶力很大，顶升困难时，可通过核算和采取管片加固措施后，调高油压，增加顶升力; 如仍无法正常施工，可在水上根据GPS 精确定位挖出竖管处上部土体，减小上部土压力，顶升完毕后及时回填。
    6 ·牺牲阳极安装施工
    隧道特殊段及立管管节采用阴极保护，特殊段牺牲阳极安装施工在立管顶升完成后进行施工，取水立管管节内的牺牲阳极安装工作在立管顶升施工前进行。牺牲阳极材料选用锌—铝—镉合金。在焊接前，阳极背面( 紧贴被保护体的表面) 涂2 度环氧沥青漆，阳极工作面严禁涂漆。如果工作面被油污染，应清除干净才可使用，避免与酸、碱接触。牺牲阳极采用平贴焊接法安装，将阳极两端的外露铁芯直接焊接在指定位置上，阳极铁芯每端两侧的焊缝长度不小于80 mm，焊缝高度不小于10 mm。钢格栅的牺牲阳极安装应在制作完毕后预先焊好。安装后电焊部分应彻底清除焊渣，并涂环氧沥青漆2 度。施工步骤为:
    1) 清洁牺牲阳极表面;
    2) 在安装部位焊支架;
    3) 将牺牲阳极焊接到支架上;
    4) 连接的法兰两端应进行连接，本连接采用联系横梁。
    7· 隧道内注水
    为减小后续施工对隧道的影响，确保取水隧道安全，在隧道垂直顶升施工完成后，即开始对取水隧道进行注水，以尽早平衡隧道内外压力，保护隧道安全。
    8· 结语
    江底取水隧道立管垂直顶升法，已经在江苏常熟发电有限公司2 × 1 000 MW 机组扩建工程取水隧道施工中得到了成功应用，这在同类工程中尚属首例，填补了中国铁建在该施工领域的空白，可为今后类似工程的施工提供参考。