CN110565740B - 海底隧洞与立管的开孔连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海底隧洞与立管的开孔连接方法，其包括以下步骤：1)预制立管，在立管底部浇筑低标号封堵素混凝土，并在指定位置将立管竖直栽种于海底指定标高；2)进行海底隧洞的施工，使海底隧洞在水平方向垂直于立管并通过立管底部；3)在海底隧洞位于立管正下方连接位置的钢管片上开孔，并凿除立管底部的管下封堵素混凝土；4)采用连接钢板将立管底部的外包钢管与海底隧洞开孔处的钢管片焊接在一起，实现海底隧洞与立管的连接；5)凿除填充在立管底部的管内封堵素混凝土，实现海底隧洞与立管的连通。与现有技术相比，本发明能够使海底隧洞与立管可靠连接，实现通过海底隧洞进行取排水，满足国家海洋环境保护要求。

Description

海底隧洞与立管的开孔连接方法

技术领域

本发明属于土木工程隧道盾构施工与海上取排水口生产领域，更具体地说，涉及一种海底隧洞与立管的开孔连接方法。

背景技术

沿海核电站通常以海水作为最终热阱，现有核电站一般采用明水明渠的方式实现取排水，但是根据国家海洋环境保护要求，国家监管部门对沿海电站取排水设施的审核将日趋严格，传统的明取明排的方式将不复存在，暗取暗排将成为电站取排水的主流方向。

在之前的施工中，未曾遇到过在海底实现隧洞与立管开孔连接的施工场景，与之相类似的是某工程水下引水隧道在长江上采用的“下插式”取水立管施工技术。该施工技术是在江底地层中先施工引水隧道，然后将钢护筒打入江底土层，并与隧道拱顶的预留开孔对接，对接时采用“冷冻技术”固结江底土层、封堵止水，最终实现钢质取水立管与隧道的连接。但是，采用“冷冻技术”在深海中施工的成本很高，成功实施的可能性却是未知数，加上其取水立管的施工处于关键路径上，不利于缩短工程工期。因此，“下插式”取水立管施工技术并不能满足核电站的取排水隧道施工。

有鉴于此，确有必要提供一种能够解决上述问题的海底隧洞与立管的开孔连接方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种常温操作、经济可靠的海底隧洞与立管的开孔连接方法，以实现通过海底隧洞进行取排水，满足国家海洋环境保护要求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种海底隧洞与立管的开孔连接方法，其包括以下步骤：

1)预制立管，在立管底部浇筑低标号封堵素混凝土，并在指定位置将立管竖直栽种于海底指定标高；所述立管包括立管主体结构和预埋在立管主体结构底部外围的外包钢管，立管底部浇筑的封堵素混凝土包括填充在立管底部的管内封堵素混凝土和位于立管下方的管下封堵素混凝土；

2)进行海底隧洞的施工，使海底隧洞在水平方向垂直于立管并通过立管底部；

3)在海底隧洞位于立管正下方连接位置的钢管片上开孔，并凿除立管底部的管下封堵素混凝土；

4)采用连接钢板将立管底部的外包钢管与海底隧洞开孔处的钢管片焊接在一起，实现海底隧洞与立管的连接；

5)凿除填充在立管底部的管内封堵素混凝土，实现海底隧洞与立管的连通。

作为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一种改进，所述步骤1)中，还在立管底部外围浇筑用于阻挡立管外部地下水的圆环混凝土；在步骤2)海底隧洞在水平方向垂直于立管并通过立管底部时，隧洞掘进后通过注浆使圆环混凝土底部与隧洞连接，以保证立管和隧洞连接部位的止水。

作为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一种改进，所述步骤1)中在立管底部外围浇筑用于阻挡立管外部地下水的圆环混凝土，是在将立管竖直栽种于海底前进行，或是在将立管竖直栽种于海底后进行的；所述圆环混凝土的强度满足盾构隧洞掘进通过的要求，且混凝土强度等级高于封堵素混凝土的强度等级。

作为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一种改进，所述圆环混凝土包裹住管下封堵素混凝土和外包钢管，其高度为2000～2500mm，厚度为300～400mm。

作为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一种改进，所述步骤1)将立管竖直栽种于海底前，还需沿立管外周壁等间距预埋多根注浆管，注浆管的注浆范围包括立管外周的整环土层；在将立管竖直栽种于海底后，通过注浆管对立管底部外围土层注入水泥浆以固结该范围土层，起到封堵止水作用。

作为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一种改进，所述注浆管的轴线与立管的轴线平行，注浆管的底端向外弯折形成垂直于立管外周壁的弯管；在立管的高度方向上，弯管的位置靠近但不低于立管的底面，不同注浆管的弯管所在高度不同，相邻注浆管的弯管高低交错布置。

作为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一种改进，所述弯管内设置单向注浆阀以保证浆液只从管内流向外部土层，弯管的出浆口用黄油封堵以保证出浆口不会被外部土层封堵。

作为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一种改进，所述立管主体结构为钢筋混凝土空心圆柱体，其厚度为200～300mm；外包钢管的厚度为20～30mm，高度为500～1000mm。

作为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一种改进，所述管内封堵素混凝土和管下封堵素混凝土为统一浇筑成型，二者的高度均为1000～2000mm。

作为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一种改进，将立管竖直栽种于海底指定标高后，通过在立管外周浇筑水下混凝土来固定立管。

作为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一种改进，所述海底隧洞为采用楔形管片衬砌而成的盾构隧道，其与立管连接的部位采用可开孔的楔形钢管片，楔形钢管片的尺寸与隧洞尺寸一致，并在立管正下方设有可拆卸或切除的部分，用于实现隧洞开孔。

作为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一种改进，所述连接钢板根据外包钢管与钢管片之间的实际尺寸制作，其厚度与立管的外包钢管的厚度一致；连接钢板的上部与立管的外包钢管焊接连接，下部与海底隧洞的钢管片焊接连接，实现海底隧洞与立管的连接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

1)先栽种排水立管后施工引水隧道，取排水设施的施工不占用关键路径；

2)盾构隧洞穿过的部位是立管底部的低标号素混凝土，较易实现盾构切削通过；

3)通过预埋注浆管、提前预制圆环混凝土及立管栽种后注浆加固海底地层等措施，有效保证海底隧洞与立管连接部位的止水效果，常温下即可实现海底隧洞与立管的可靠连接。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法及其有益技术效果进行详细说明。

图1为本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的一个实施方式的流程图。

图2为本发明的立管底部的结构示意图。

图3为本发明在立管底部浇筑圆环混凝土的结构示意图。

图4为本发明沿立管外周壁预埋注浆管的结构示意图。

图5为图4中的A-A剖面图。

图6为图4中的B-B剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

请参阅图1-2，本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法包括以下步骤：

S1、预制立管10，在立管10底部浇筑低标号封堵素混凝土，并在指定位置将立管10竖直栽种于海底指定标高。

本发明的立管10属于取/排水构筑物，用于实现海底隧洞与海水的连通，具体尺寸根据实际工程需求(取/排水能力)确定。请参阅图2，立管10包括立管主体结构11和预埋在立管主体结构11底部外围的外包钢管12。立管主体结构11为钢筋混凝土空心圆柱体，外包钢管12预埋在立管主体结构11底部的外围，并具有一定厚度和高度。在隧洞开孔后，通过在外包钢管12与隧洞之间焊接连接钢板60实现立管10与隧洞50的连接。

立管主体结构11的厚度优选为200～300mm，外包钢管12的厚度优选为20～30mm，高度优选为500～1000mm。在本发明的实施例一中，立管主体结构11的尺寸为：外径2700mm，内径2260mm，壁厚220mm，高9800mm。外包钢管12的尺寸为：厚度20mm，高度500mm。

立管10底部浇筑有低标号封堵素混凝土，低标号封堵素混凝土充满了立管主体结构底部并具有一定高度，用于封堵立管底部，防止地下水进入立管。为了便于凿除，封堵素混凝土的强度等级需低于立管10的强度等级，例如立管10的强度等级为C50，封堵素混凝土的强度等级可选择C15。

在立管底部浇筑的封堵素混凝土包括填充在立管10底部的管内封堵素混凝土20和位于立管下方的管下封堵素混凝土22，两部分混凝土均为圆筒状，二者统一浇筑成型。管内封堵素混凝土20封堵在立管底部，用于防止外部地下水进入立管10，并防止立管10内部存在的水影响立管10和隧洞50的连接空间，管内封堵素混凝土20的直径与立管10内径一致，高度视封堵要求而定，宜取1000～2000mm。管下封堵素混凝土22可供盾构隧洞轻易切削通过，隧洞50开孔后也可轻易凿除，以便为立管外包钢管12与隧洞钢管片之间的连接钢板60提供空间(实际施工中，连接钢板60焊接时，管下封堵素混凝土22即已经被凿除，图2中同时示出管下封堵素混凝土22和连接钢板60只是对二者的位置关系进行示意，并不表示实际操作时二者会同时存在)；管下封堵素混凝土22的直径与立管的外包钢管12的外径相同，高度根据盾构隧洞通过区域及适当的连接空间确定，优选为1000～2000mm。在本发明的实施例一中，管内封堵素混凝土20的高度为2000mm，管下封堵素混凝土22的高度为1300mm。

将立管10竖直栽种于海底指定标高后，可通过在立管10外周浇筑水下混凝土等形式固定立管。

S2、进行海底隧洞50的施工，使海底隧洞50在水平方向垂直于立管10并通过立管10底部。

本发明中海底隧洞50属于盾构法施工隧道，作为海水流动通道用于实现陆域与海域的连通，具体尺寸应根据实际工程需求(取/排水能力)确定。在本发明的实施例一中，海底隧洞50的外径为7400mm，内径为6700mm，系采用六块通用楔形管片衬砌而成。海底隧洞50与立管10连接的部位采用可开孔的楔形钢管片衬砌而成，钢管片的尺寸与隧洞尺寸一致，并在立管10正下方设有可拆卸或切除的部分，用于实现隧洞开孔。

S3、在海底隧洞50位于立管10正下方连接位置的钢管片上开孔，并凿除立管10底部的管下封堵素混凝土22。

S4、采用连接钢板60将立管10底部的外包钢管12与海底隧洞50开孔处的钢管片焊接在一起，实现海底隧洞50与立管10的连接。

连接钢板60根据外包钢管12与钢管片之间的实际尺寸制作，其厚度与立管10的外包钢管12的厚度一致。连接钢板60的上部与立管10的外包钢管12焊接连接，下部与海底隧洞50的钢管片焊接连接，焊接完成后即可实现海底隧洞50与立管10的连接。

S5、凿除填充在立管10底部的管内封堵素混凝土20，实现海底隧洞50与立管10的连通。

在本发明海底隧洞50与立管10的开孔连接方法的上述步骤中，在步骤S3凿除立管10底部的管下封堵素混凝土22后，若无法保证海底隧洞50与立管10连接部位(即图2中虚线圈出的部位)的止水，步骤S4将难以完成连接钢板60的焊接连接。海底隧洞50与立管10连接部位的止水虽然可通过现有技术实现，但是效果有待提高。

请参阅图3-4，为了确保海底隧洞50与立管10连接部位的止水，本发明进一步研发出了海底隧洞50与立管10开孔连接的止水措施，包括在立管10底部外围浇筑圆环混凝土40和沿立管10外周壁等间距预埋注浆管30两种措施，上述两种措施可以单独或者结合使用，结合使用时止水效果最佳。以下分别对二者进行说明。

请参阅图3，在立管10底部外围浇筑圆环混凝土40的相关步骤如下：

S20、在步骤S1将立管10竖直栽种于海底前，在立管10底部外围浇筑用于阻挡立管外部地下水的圆环混凝土40，以保证立管10和隧洞连接部位的止水。若能保证水下现浇混凝土的浇筑质量，圆环混凝土40也可以在立管10栽种后再行浇筑。

圆环混凝土40的内径与管下封堵素混凝土22的直径相同，包裹住管下封堵素混凝土22和外包钢管12。圆环混凝土40的底面与管下封堵素混凝土22的底面齐平，高度不低于管下混凝土22和外包钢管12的高度总和，厚度根据实际工程作用确定。作为优选，圆环混凝土40的整体高度为2000～2500mm，厚度为300～400mm。圆环混凝土40的强度应满足盾构隧洞掘进通过的要求，同时混凝土强度等级应高于封堵素混凝土的强度等级，以防止凿除封堵素混凝土时损坏圆环混凝土40。

在本发明的实施例一中，圆环混凝土40的强度等级为C30，整体高度为2000mm，外径为3400mm，厚度为330mm。

S22、在步骤S2海底隧洞50在水平方向垂直于立管10并通过立管10底部时，盾构隧洞掘进后通过注浆(同步注浆、二次注浆等)使圆环混凝土40底部与隧洞50连接，以保证立管和隧洞连接部位的止水。

沿立管10外周壁等间距预埋注浆管30的相关步骤如下：

S30、在步骤S1将立管10竖直栽种于海底前，沿立管10外周壁等间距预埋多根注浆管30，注浆管30的注浆范围包括立管10外周的整环土层。

请参阅图4-6，注浆管30的轴线与立管10的轴线平行，多根注浆管30等间距布置在立管10的外周壁。注浆管30的作用是在立管10栽种后，通过注浆管30向立管10底部外围土层注入水泥浆以固结该范围土层，起到封堵止水作用。注浆管30的底端向外弯折形成垂直于立管10外周壁的弯管32，弯管32内设置单向注浆阀34以保证浆液只从管内流向外部土层，弯管32的出浆口用黄油36封堵以保证出浆口不会被外部土层封堵。在立管10的高度方向上，弯管32的位置靠近但不低于立管10的底面，不同注浆管30的弯管32所在高度不同，相邻注浆管30的弯管32高低交错布置。

注浆管30要求具有一定的直径、长度、数量和承压性能。具体来说：注浆管30的直径根据注浆需求确定，一般为φ32mm的无缝钢管；注浆管30的长度依据注浆深度确定，以立管高度加上预留的弯管及接头长度为宜(在本发明的实施例一中，为实现立管10底部土层的注浆加固，注浆管30需从立管10底部延伸至顶部并伸出一定距离，总长度不小于11000mm)；注浆管30的数量以达到注浆范围为准，注浆范围应包括立管10外周的整环土层(在本发明的实施例一中，需要等间距布置8根注浆管才可覆盖立管外周的整环土层)；注浆管30的承压性能以注浆压力为准，在本发明的实施例一中，因为需要在海面以下约40米位置进行注浆，注浆压力不小于0.4MPa，因此注浆管30的承压能力不小于0.4MPa。

S32、在将立管10竖直栽种于海底后，通过注浆管30对立管10底部外围土层注入水泥浆以固结该范围土层，起到封堵止水作用。

此步骤中，注浆浆液宜采用纯水泥浆，水灰比以实现立管10底部外围土层固结效果为准，一般取0.6-1.0；注浆压力视注浆深度而定，以浆液能渗入土层为准，注浆量以达到浆液充分填充土层为准。

将在立管10底部外围浇筑圆环混凝土40和沿立管10外周壁等间距预埋注浆管30两种措施同时应用于海底隧洞50与立管10的开孔连接时，本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法的步骤为：

S41、预制混凝土立管10，并在立管10底部浇筑封堵素混凝土。立管10包括立管主体结构11和预埋在立管主体结构11底部的外包钢管12，立管10底部浇筑的封堵素混凝土包括填充在立管10底部的管内封堵素混凝土21和位于立管下方的管下封堵素混凝土22。

S42、沿立管10外周壁等间距预埋多根注浆管30。

S43、在立管10底部外围浇筑用于阻挡立管外部地下水的圆环混凝土40。此步骤要求圆环混凝土40的厚度不大于弯管32的长度，确保圆环混凝土40包裹住注浆管30的弯管根部但不堵塞弯管32的注浆口。

在本发明的一个实施例中，圆环混凝土40的厚度为330mm，注浆管30的弯管32长度为350mm。

S44、在指定位置将立管10竖直栽种于海底指定标高，通过在立管10外周浇筑水下混凝土等形式固定立管。

S45、通过注浆管30对立管10底部外围土层注入水泥浆以固结该范围土层。

S46、海底隧洞50在水平方向垂直于立管10并通过立管10底部，盾构隧洞掘进后通过注浆(同步注浆、二次注浆等)使圆环混凝土40底部与隧洞50连接，以保证立管和隧洞连接部位的止水。

S47、在海底隧洞50位于立管10正下方的钢管片上开孔，并凿除立管10底部的管下封堵素混凝土22。

S48、采用连接钢板60将立管10底部的外包钢管12与海底隧洞50开孔处的钢管片焊接在一起，实现海底隧洞50与立管10的连接。

S49、凿除填充在立管10底部的管内封堵素混凝土21，实现海底隧洞50与立管10的连通。

本发明海底隧洞与立管的开孔连接方法可用于海上栽桩、取排水设施等海上取排水施工现场，能够使海底隧洞与立管可靠连接，实现通过海底隧洞进行取排水，满足国家海洋环境保护要求。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

1)先栽种排水立管后施工引水隧道，取排水设施的施工不占用关键路径；

2)盾构隧洞穿过的部位是立管底部的低标号素混凝土，较易实现盾构切削通过；

3)通过预埋注浆管、提前预制圆环混凝土及立管栽种后注浆加固海底地层等措施，有效保证海底隧洞与立管连接部位的止水效果，常温下即可实现海底隧洞与立管的可靠连接。

根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (11)

1.一种海底隧洞与立管的开孔连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)预制立管，在立管底部浇筑低标号封堵素混凝土，沿立管外周壁等间距预埋多根注浆管，在立管底部外围浇筑用于阻挡立管外部地下水的圆环混凝土，并在指定位置将立管竖直栽种于海底指定标高；所述立管包括立管主体结构和预埋在立管主体结构底部外围的外包钢管，立管底部浇筑的封堵素混凝土包括填充在立管底部的管内封堵素混凝土和位于立管下方的管下封堵素混凝土；在将立管竖直栽种于海底后，通过注浆管对立管底部外围土层注入水泥浆以固结该范围土层，起到封堵止水作用；

2)进行海底隧洞的施工，使海底隧洞在水平方向垂直于立管并通过立管底部；隧洞掘进后通过注浆使圆环混凝土底部与隧洞连接，以保证立管和隧洞连接部位的止水；

3)在海底隧洞位于立管正下方连接位置的钢管片上开孔，并凿除立管底部的管下封堵素混凝土；

4)采用连接钢板将立管底部的外包钢管与海底隧洞开孔处的钢管片焊接在一起，实现海底隧洞与立管的连接；

5)凿除填充在立管底部的管内封堵素混凝土，实现海底隧洞与立管的连通。

2.根据权利要求1所述的海底隧洞与立管的开孔连接方法，其特征在于：所述圆环混凝土的强度满足盾构隧洞掘进通过的要求，且混凝土强度等级高于封堵素混凝土的强度等级。

3.根据权利要求1所述的海底隧洞与立管的开孔连接方法，其特征在于：所述圆环混凝土包裹住管下封堵素混凝土和外包钢管，其高度为2000～2500mm，厚度为300～400mm。

4.根据权利要求1所述的海底隧洞与立管的开孔连接方法，其特征在于：所述注浆管的注浆范围包括立管外周的整环土层。

5.根据权利要求4所述的海底隧洞与立管的开孔连接方法，其特征在于：所述注浆管的轴线与立管的轴线平行，注浆管的底端向外弯折形成垂直于立管外周壁的弯管；在立管的高度方向上，弯管的位置靠近但不低于立管的底面，不同注浆管的弯管所在高度不同，相邻注浆管的弯管高低交错布置；所述圆环混凝土的厚度不大于弯管的长度，确保圆环混凝土包裹住注浆管的弯管根部但不堵塞弯管的注浆口。

6.根据权利要求5所述的海底隧洞与立管的开孔连接方法，其特征在于：所述弯管内设置单向注浆阀以保证浆液只从管内流向外部土层，弯管的出浆口用黄油封堵以保证出浆口不会被外部土层封堵。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的海底隧洞与立管的开孔连接方法，其特征在于：所述立管主体结构为钢筋混凝土空心圆柱体，其厚度为200～300mm；外包钢管的厚度为20～30mm，高度为500～1000mm。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的海底隧洞与立管的开孔连接方法，其特征在于：所述管内封堵素混凝土和管下封堵素混凝土为统一浇筑成型，二者的高度均为1000～2000mm。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的海底隧洞与立管的开孔连接方法，其特征在于：将立管竖直栽种于海底指定标高后，通过在立管外周浇筑水下混凝土来固定立管。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的海底隧洞与立管的开孔连接方法，其特征在于：所述海底隧洞为采用楔形管片衬砌而成的盾构隧道，其与立管连接的部位采用可开孔的楔形钢管片，楔形钢管片的尺寸与隧洞尺寸一致，并在立管正下方设有可拆卸或切除的部分，用于实现隧洞开孔。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的海底隧洞与立管的开孔连接方法，其特征在于：所述连接钢板根据外包钢管与钢管片之间的实际尺寸制作，其厚度与立管的外包钢管的厚度一致；连接钢板的上部与立管的外包钢管焊接连接，下部与海底隧洞的钢管片焊接连接，实现海底隧洞与立管的连接。

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