顶管进出洞设计与施工技术研究

罗中玉 王巨涛 陈涵 白家波

　　提 要

　　本文对顶管工程中工具管进出洞口的几项因素作了讨论，对封门设计、洞口加固以及洞口止水装置进行了分析。本文写作过程中参阅了同济大学张庆贺等教授的有关文章，得到了葛金科高级工程师和温志光高级工程师的悉心指导

　　一、引言

　　经过许多建设者四十年来的工程实践和技术研究，人们在用顶管法施工地下管道方面，已积累了丰富的理论和实践经验。特别是近十几年来，随着日本和德国等国外同行陆续参与国内市政工程建设，泥水平衡法、土压平衡法、气压平衡法等先进先进掘进设备的引进、消化吸收和逐步改造，施工、设计和科研单位联合攻关，使许多技术难题得以解决，如顶管施工工程中的地表沉降控制、管道密封和压浆减阻技术等。但是顶管工具管进出洞技术仍然是困扰顶管施工的难题。
　　顶管工具管在工作井中安装、调试完毕后即拆除封门，将工具管逐步推入待开挖土体。如果洞口外土体强度不够且不采取必要的加固处理会有大量土体和地下水通过洞口涌入工作井，导致洞口周围地表大面积沉陷，危及地下管线和附近的建筑物。相反，如果加固强度太高，又会给力盘切削和土体开挖带来困难，引起机械故障并影响工程进度。在顶管工具管进出洞时上述两种情况均会发生。相对而言，因各种因素而引起的前一种情况发生的更多，造成工作井内水土淤积，轻则施工条件恶化，重则会使机头和管道叩头或是机头受淹，给工程建设带来了很大困难。因此顶管进出洞技术涉及到工作井封门的设计、封门外土体的加固、洞口止水装置的设计、测量控制等诸多技术问题，即使对顶管技术相当发达的日本、德国同行也是个棘手的难题。本文结合工程实践，应用土力学基本原理和土体加固理论，作一探讨。

　　二、概念界定

　　A、工作井：包括通常所说的以沉井、钢板桩基坑等结构形式作为顶管施工时工具管安装、调试以及管节吊卸、拼装的顶管操作场所。
　　B、接收井：顶管施工目标基坑，其作用是接受并起吊工具管。
　　C、出洞：指顶管工具管由工作井内穿越封门进入待开挖土体的过程。
　　D、进洞：指顶管工具管由井外土体中穿越封门进入接收井的过程。
　　E、封门：包括工作井施工期间抵挡外部水土压力的洞口砌筑体、洞口外钢板桩土墙休（或洞口内钢板）的部分或组合体。
　　F、洞口加固：采用降水方法、冷冻方法或者化学加固方法对洞口外的土体进行加固处理，使洞口周围土体具有自立性、不透水性和一定强度的处理过程。
　　G、洞口止水装置：在顶管工程中，为防止洞口外的泥水通过洞口流入工作井的密封止水装置。主要由钢法兰、橡胶止水圈等材料组成。

　　三、封门的设计和制作

　　封门起着防水渗漏和挡土的作用，在顶管工具管在进洞或出洞时，首先穿越工作井或接收井井壁上的封门。这就要求封门能够方便地拆除或打开。根据不同的工程地质和水文地质情况以及选用的工具管类型，可以采取不同的封门制作方案及相应的进出洞施工技术，不管采取何种方案，封门在工作井施工时，均应能支撑侧向水土压力。以D1800污水截流管穿越107国道顶管为例，其剖面图示意如图1：

　　按照朗金主动土压力理论，取内摩擦角θ=13⁰ 土体的平均容重为r₁
　　γ₁=（17×1.2+7×0.8+8×6.3）/8.3=9.2KN/M^{3
　　见图1：E1、E2为洞口上下边缘侧向主动土压力
　　E}_k1^、E_k2^{为洞口上下边缘土压侧压力
　　E}_w1^、E_w2^{为洞口上下边缘水压力}
　　Ek1=γ1×Hk1×tg2(450-θ/2)=48.3KPa
　　Ew1=γw×Hw1=71KPa
　　E1=Ek1+Ew1=119.3kPa
　　γ2=(17×1.2+7×0.8+8×8.9) /10.9=8.9KN/m3
　　Ek2=γ2×Hk2×tg2(45o-θ/2)=61.4Kpa
　　Ew2=γw×Hw2=109Kpa
　　E2=Ek2+Ew2=170.4KPa

　　作用于封门上的水土压力如图1所示。

　　1、砌块式封门
　　顶管工作井一般最常使用沉井施工法，按照顶管外径尺寸作适当放大在井壁预留洞口，被洞口切断的井壁受力钢筋在洞口周围需要做构造处理，洞口内用普通戊砌筑并做外粉刷。顶管进出洞时，首先用风镐进行凿除，然后顶管工具管穿越。这是比较简单和初始的一种封门形式，结构简便，操作容易，适合于在埋深较浅（如顶管埋深在5米以内）外部水土压力较水时采用。
　　2、钢板桩封门
　　在顶管工作井完成制作并准备下沉时，在井壁洞口外侧设置密排的钢板桩，并固定其上部，使钢板桩随沉井下沉至设计标高，使形成钢板桩封门。用钢板桩抵挡住侧向土压力，侧向水压力则可以在洞口内砌筑块并做外粉刷来抵挡。如图2：

　　在顶管出洞时，先在井内壁设置止水装置，拆除砌筑体后工具管送入洞口（因时间较短，井外水不会大量而入），然后用起重机把钢板桩逐根拨起。顶管进洞时则顺序机反。通常按简支梁计算钢板桩的弯距和剪力，一般而言，埋深在10米以内时采用普通槽钢即可满足要求，如果埋深超过10米时，就要考虑采用拉森钢板桩。钢板桩封门是目前使用比较广泛的一种封门形式，顶管埋深在15米范围内时均可采用（有时可以达到20米深），其安全可靠，且操作简便。值得注意的是在拔除钢板时要及用粘土或粉煤灰将桩孔回填，以免地面明水或地下水通过桩孔直接流到管道周围或管道周围的触变浆液顺桩孔溢出地面。
　　3、井内钢封门
　　这是一种较少采用的封门形式，常常在覆土较深或受周围环境影响，采用钢板桩等外封门不能满足要求时采用，其结构形式多样，原理示意图见图3。洞口施工时利用钢板和粘土抵挡外部水土压力。出洞时，顶管工具管抵住洞口，迅速拆除内部钢板，将工具管送入洞口进行推进。一般而言，采用这种封门形式时常常覆土较深、侧向水土压力较大或周围有建筑物等需要保护，因而都需要对洞口外土体进行有效的加固。
　　不论采取何种封门方案，都应在顶管工和井内侧设置可靠的洞口止水装置，使外部水土压力保持平衡，维持工作井良好的工作环境以及维持工作井的稳定。

　　4、洞口土体加固
　　不论是松散的砂土，还是饱含水软粘土，自身均缺少自立性和防水性，一旦有临空面时，土将产生大量的滑坡南方坍塌，出现涌水、涌泥等。因此对封门外土体进行加固处理是必要的。目的是使土体具有自立性、隔水性和一定的强度。
　　4. 1、加固的方法和选择依据
　　土体加固可以采取降水和冷冻等物理方法进行，也可以采取化学方法进行。化学加固方法是近年来发展起来的一门新技术，方法可靠、效果明显、容易控制，其种类也较多。主要有注浆法（包括分层注浆、压密注奖、填充注浆、劈裂注奖）、旋喷法（粉喷或液喷）和深层搅拌法等。
　　土体加固方法选择的主要依据有：土质种类（砂土、砂性土、粉性土、粘土）、土体渗透系数、含水量和标准贯入值物理力学参数；加固的深度和范围；加固的主要目的：工程的工期和规模。
　　4.2、洞口土体的化学加固
　　洞口土体的化学加固是利用水泥等硅胶类化学浆液，通过气压、液压等方法使浆液与土颗粒胶结起来，以增加土体强度、自立性和防水性，以下以粘土为例进行说明。
含有大量水的粘土，有一定的粘聚力，其破坏特征主要表现在整体滑移失去稳定，如图4，其中，H为顶管中心上部土体埋深；D为加固土体开挖内径；Δ_C为注浆引起内聚力增加；T为改良土体正面必须的厚度；θ为滑移线与改良土休边界线交点和O点连线与井壁的交角（弧度）。假定土体滑移是以O点为圆心的园弧线。

　　上部覆土引起的下滑力矩为
　　M_d1=γ×H×D×D/2 ……（1）
　　滑移园弧内土体下滑力矩
　　M_d2=γ×D³/3 ……（2）
　　土体改良以前抵抗力矩
　　M_r=C×π×D²/2 ……（3）
　　土体改良以后增加的抵抗力矩
　　ΔM_γ=ΔC×θ×D² ……（4）
　　土体平衡条件为：
　　K×(Md₁+Md₂)=M_γ+ΔM_γ ……（5）
　　令Md₁+Md₂=Md解上式可得
　　θ=（K×Md-Mr）/(ΔC×D2) (rad)……（6）
　　T=D×sinθ
　　K为安全系数

　　加固正面土体宽度，理论计算往往偏小，实际施工的工艺无法满足，故加固时一般按管壁外侧左右加固范围不小于2米，下部不小于1米、上部不小于3米取值。
　　以图1所示工作井洞口为例来计算出土体的加固范围：
　　Md₁=Σ(γ_i×H_i)2.6²/2=124.6KN·M
　　Md2=γ×D3/3=104.4KN·M
　　Md=Md1+Md2=229KN·M
　　土体改良前抗滑力矩
　　Mγ=Co×π×D2/2=1×3.14×2.62/2=10.6KN·M
　　加固后增加力矩 加固宽度：
　　ΔMγ=ΔC×θ×D2=30×2.62θ=202.8θ
　　K取1.4得θ=1.53(rad)=87.66o
　　T=D×sinθ=2.6M
　　考虑施工工艺 取T=3M
　　加固宽度：B=D+2×2=6.6M
　　加固宽度：H=D+2+1=5.6M
　　仍以上述工程为例，施工时采取压密注浆工艺实施，加固厚度、高度均大于上述数值，上部土体在工具管穿越时基本未出现位移和变形。

　　四、洞口止水装置的设计

　　洞口止水装置的设计与顶管能否顺利地进出洞和保证顶进过程中的洞口密封可靠性是至关重要的。这通常是顶管施工的薄弱环节，应该引起有关设计施工人员的高度重视。
　　工作井洞口止水装置应根据工作井的具体条件来进行。在城市排水工程中，一般管道铺设深度较浅（H﹤10米=，因而地下水的压力也较小。我们可以采用一种较简单的橡胶法兰的结构形式。这种形式又可以区分为两种情况，一种是沉井工作井，如图5所示，在沉井制作时就预埋了一环钢法兰，当沉井下沉封底后，由于洞口标高可能与设计值产生误差，而我们又必须使管道标高尽可能符合设计标高，为此，我们在预埋钢法兰上再焊一圈钢法兰，该法兰中心可以与原洞口中心错位，而与实际的管道中心保持同心度要求。这环后焊的法兰中心也就是洞口止水装置的中心。这种橡胶法兰的止水装置结构简单，成本低，安装方便；但必须注意几个问题：A、预埋钢法兰应该与沉井牢固地锚固在一起，具有足够的锚固强度和焊缝强度。B、后焊的钢法兰中心，即洞口止水装置中心应与实际管道中心保持同心。误差尽可能小，一般不大于5毫米。C、橡胶法兰的内径应小于管道外径30厘米左右，单边翻进去15厘米。橡胶板的纵横方向衬棉纱线和尼龙线，以提高回弹力，保持良好的止水效果。D、设置扇形压板，可以调整径向间隙，防止橡胶法兰被挤翻出来。

　　另一种情况是钢板桩工作井等，由于前墙是根据管道设计标高制作的，因此前墙上的预留孔中心就是管道的实际中心，因此不需要后焊一环钢法兰，只要把橡胶法兰直接安装在前墙端面的钢法兰上就可以了。其它情况与上述做法类似。
　　对于一些特殊的施工条件，如过江、出海等工程，管道埋设比较深，一般大于15米，有的情况下洞口甚至处于承压水土层范围内，采用一般的像胶法兰止水装置就不安全了。对于管理埋设深的情况，工作井洞口止水装置的形式很多，有用齿形橡胶止水带形式的，也有用盾尾钢缘刷密封并压注盾尾油脂的形式。无论设计和选用哪种形式，首先必需以安全止水为前提，其次才考虑经济性等因素。
　　对于顶管接收井的洞口止水，由于工具管进洞的姿态难以确定，一般情况不采用止水装置，而是对洞口采用地基加固措施，并用扇形板将首管与接收井预埋钢法兰焊接。首管为特殊管，外壁包一层钢板。工具管进入接收井时，坑内应计算好标高安放引导轨。接收井为钢性连接，不仅满足止水要求，还能防止叩头现象的发生。

　　五、结束语

　　顶管工程开工前，应进行技术、经济指标的综合评价，因地制宜选择封门方案、土体加固方案和洞口止水方案。施工时应加强管理，使方案能得到认真的实施。
　　尽量避免采取单独的砌筑体封门方案，进一步完善井内钢封门施工工艺，拓宽封门制作的领域。
　　化学加固方法从经济上、技术上统筹考虑比较适合，在化学加固方法得到保证。分层注浆工艺和深层搅拌桩工艺和深层搅拌工艺技术发展更加成熟，加固质量更容易得到保证。
　　洞口止水装置应根据管道不同的埋没深度选择相应的结构形式。除了保证钢构件的强度和刚度以及密封件材料的可靠性能以外，在安装过程中必须确保焊缝质量、预埋件的锚固强度、洞口止水装置与设计管中心的同心度等都符合设计质量的要求。