羅中玉 王巨濤 陳涵 白家波

　　提 要

　　本文對頂管工程中工具管進出洞口的幾項因素作了討論，對封門設計、洞口加固以及洞口止水裝置進行了分析。本文寫作過程中參閱了同濟大學張慶賀等教授的有關文章，得到了葛金科高級工程師和溫志光高級工程師的悉心指導

　　一、引言

　　經過許多建設者四十年來的工程實踐和技術研究，人們在用頂管法施工地下管道方面，已積累了豐富的理論和實踐經驗。特別是近十幾年來，隨著日本和德國等國外同行陸續參與國內市政工程建設，泥水平衡法、土壓平衡法、氣壓平衡法等先進先進掘進設備的引進、消化吸收和逐步改造，施工、設計和科研單位聯合攻關，使許多技術難題得以解決，如頂管施工工程中的地表沉降控制、管道密封和壓漿減阻技術等。但是頂管工具管進出洞技術仍然是困擾頂管施工的難題。
　　頂管工具管在工作井中安裝、調試完畢后即拆除封門，將工具管逐步推入待開挖土體。如果洞口外土體強度不夠且不采取必要的加固處理會有大量土體和地下水通過洞口涌入工作井，導致洞口周圍地表大面積沉陷，危及地下管線和附近的建筑物。相反，如果加固強度太高，又會給力盤切削和土體開挖帶來困難，引起機械故障并影響工程進度。在頂管工具管進出洞時上述兩種情況均會發生。相對而言，因各種因素而引起的前一種情況發生的更多，造成工作井內水土淤積，輕則施工條件惡化，重則會使機頭和管道叩頭或是機頭受淹，給工程建設帶來了很大困難。因此頂管進出洞技術涉及到工作井封門的設計、封門外土體的加固、洞口止水裝置的設計、測量控制等諸多技術問題，即使對頂管技術相當發達的日本、德國同行也是個棘手的難題。本文結合工程實踐，應用土力學基本原理和土體加固理論，作一探討。

　　二、概念界定

　　A、工作井：包括通常所說的以沉井、鋼板樁基坑等結構形式作為頂管施工時工具管安裝、調試以及管節吊卸、拼裝的頂管操作場所。
　　B、接收井：頂管施工目標基坑，其作用是接受并起吊工具管。
　　C、出洞：指頂管工具管由工作井內穿越封門進入待開挖土體的過程。
　　D、進洞：指頂管工具管由井外土體中穿越封門進入接收井的過程。
　　E、封門：包括工作井施工期間抵擋外部水土壓力的洞口砌筑體、洞口外鋼板樁土墻休（或洞口內鋼板）的部分或組合體。
　　F、洞口加固：采用降水方法、冷凍方法或者化學加固方法對洞口外的土體進行加固處理，使洞口周圍土體具有自立性、不透水性和一定強度的處理過程。
　　G、洞口止水裝置：在頂管工程中，為防止洞口外的泥水通過洞口流入工作井的密封止水裝置。主要由鋼法蘭、橡膠止水圈等材料組成。

　　三、封門的設計和制作

　　封門起著防水滲漏和擋土的作用，在頂管工具管在進洞或出洞時，首先穿越工作井或接收井井壁上的封門。這就要求封門能夠方便地拆除或打開。根據不同的工程地質和水文地質情況以及選用的工具管類型，可以采取不同的封門制作方案及相應的進出洞施工技術，不管采取何種方案，封門在工作井施工時，均應能支撐側向水土壓力。以D1800污水截流管穿越107國道頂管為例，其剖面圖示意如圖1：

　　按照朗金主動土壓力理論，取內摩擦角θ=13⁰ 土體的平均容重為r₁
　　γ₁=（17×1.2+7×0.8+8×6.3）/8.3=9.2KN/M^{3
　　見圖1：E1、E2為洞口上下邊緣側向主動土壓力
　　E}_k1^、E_k2^{為洞口上下邊緣土壓側壓力
　　E}_w1^、E_w2^{為洞口上下邊緣水壓力}
　　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

　　作用于封門上的水土壓力如圖1所示。

　　1、砌塊式封門
　　頂管工作井一般最常使用沉井施工法，按照頂管外徑尺寸作適當放大在井壁預留洞口，被洞口切斷的井壁受力鋼筋在洞口周圍需要做構造處理，洞口內用普通戊砌筑并做外粉刷。頂管進出洞時，首先用風鎬進行鑿除，然后頂管工具管穿越。這是比較簡單和初始的一種封門形式，結構簡便，操作容易，適合于在埋深較淺（如頂管埋深在5米以內）外部水土壓力較水時采用。
　　2、鋼板樁封門
　　在頂管工作井完成制作并準備下沉時，在井壁洞口外側設置密排的鋼板樁，并固定其上部，使鋼板樁隨沉井下沉至設計標高，使形成鋼板樁封門。用鋼板樁抵擋住側向土壓力，側向水壓力則可以在洞口內砌筑塊并做外粉刷來抵擋。如圖2：

　　在頂管出洞時，先在井內壁設置止水裝置，拆除砌筑體后工具管送入洞口（因時間較短，井外水不會大量而入），然后用起重機把鋼板樁逐根撥起。頂管進洞時則順序機反。通常按簡支梁計算鋼板樁的彎距和剪力，一般而言，埋深在10米以內時采用普通槽鋼即可滿足要求，如果埋深超過10米時，就要考慮采用拉森鋼板樁。鋼板樁封門是目前使用比較廣泛的一種封門形式，頂管埋深在15米范圍內時均可采用（有時可以達到20米深），其安全可靠，且操作簡便。值得注意的是在拔除鋼板時要及用粘土或粉煤灰將樁孔回填，以免地面明水或地下水通過樁孔直接流到管道周圍或管道周圍的觸變漿液順樁孔溢出地面。
　　3、井內鋼封門
　　這是一種較少采用的封門形式，常常在覆土較深或受周圍環境影響，采用鋼板樁等外封門不能滿足要求時采用，其結構形式多樣，原理示意圖見圖3。洞口施工時利用鋼板和粘土抵擋外部水土壓力。出洞時，頂管工具管抵住洞口，迅速拆除內部鋼板，將工具管送入洞口進行推進。一般而言，采用這種封門形式時常常覆土較深、側向水土壓力較大或周圍有建筑物等需要保護，因而都需要對洞口外土體進行有效的加固。
　　不論采取何種封門方案，都應在頂管工和井內側設置可靠的洞口止水裝置，使外部水土壓力保持平衡，維持工作井良好的工作環境以及維持工作井的穩定。

　　4、洞口土體加固
　　不論是松散的砂土，還是飽含水軟粘土，自身均缺少自立性和防水性，一旦有臨空面時，土將產生大量的滑坡南方坍塌，出現涌水、涌泥等。因此對封門外土體進行加固處理是必要的。目的是使土體具有自立性、隔水性和一定的強度。
　　4. 1、加固的方法和選擇依據
　　土體加固可以采取降水和冷凍等物理方法進行，也可以采取化學方法進行。化學加固方法是近年來發展起來的一門新技術，方法可靠、效果明顯、容易控制，其種類也較多。主要有注漿法（包括分層注漿、壓密注獎、填充注漿、劈裂注獎）、旋噴法（粉噴或液噴）和深層攪拌法等。
　　土體加固方法選擇的主要依據有：土質種類（砂土、砂性土、粉性土、粘土）、土體滲透系數、含水量和標準貫入值物理力學參數；加固的深度和范圍；加固的主要目的：工程的工期和規模。
　　4.2、洞口土體的化學加固
　　洞口土體的化學加固是利用水泥等硅膠類化學漿液，通過氣壓、液壓等方法使漿液與土顆粒膠結起來，以增加土體強度、自立性和防水性，以下以粘土為例進行說明。
含有大量水的粘土，有一定的粘聚力，其破壞特征主要表現在整體滑移失去穩定，如圖4，其中，H為頂管中心上部土體埋深；D為加固土體開挖內徑；Δ_C為注漿引起內聚力增加；T為改良土體正面必須的厚度；θ為滑移線與改良土休邊界線交點和O點連線與井壁的交角（弧度）。假定土體滑移是以O點為圓心的園弧線。

　　上部覆土引起的下滑力矩為
　　M_d1=γ×H×D×D/2 ……（1）
　　滑移園弧內土體下滑力矩
　　M_d2=γ×D³/3 ……（2）
　　土體改良以前抵抗力矩
　　M_r=C×π×D²/2 ……（3）
　　土體改良以后增加的抵抗力矩
　　ΔM_γ=ΔC×θ×D² ……（4）
　　土體平衡條件為：
　　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為安全系數

　　加固正面土體寬度，理論計算往往偏小，實際施工的工藝無法滿足，故加固時一般按管壁外側左右加固范圍不小于2米，下部不小于1米、上部不小于3米取值。
　　以圖1所示工作井洞口為例來計算出土體的加固范圍：
　　Md₁=Σ(γ_i×H_i)2.6²/2=124.6KN·M
　　Md2=γ×D3/3=104.4KN·M
　　Md=Md1+Md2=229KN·M
　　土體改良前抗滑力矩
　　Mγ=Co×π×D2/2=1×3.14×2.62/2=10.6KN·M
　　加固后增加力矩 加固寬度：
　　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
　　考慮施工工藝 取T=3M
　　加固寬度：B=D+2×2=6.6M
　　加固寬度：H=D+2+1=5.6M
　　仍以上述工程為例，施工時采取壓密注漿工藝實施，加固厚度、高度均大于上述數值，上部土體在工具管穿越時基本未出現位移和變形。

　　四、洞口止水裝置的設計

　　洞口止水裝置的設計與頂管能否順利地進出洞和保證頂進過程中的洞口密封可靠性是至關重要的。這通常是頂管施工的薄弱環節，應該引起有關設計施工人員的高度重視。
　　工作井洞口止水裝置應根據工作井的具體條件來進行。在城市排水工程中，一般管道鋪設深度較淺（H﹤10米=，因而地下水的壓力也較小。我們可以采用一種較簡單的橡膠法蘭的結構形式。這種形式又可以區分為兩種情況，一種是沉井工作井，如圖5所示，在沉井制作時就預埋了一環鋼法蘭，當沉井下沉封底后，由于洞口標高可能與設計值產生誤差，而我們又必須使管道標高盡可能符合設計標高，為此，我們在預埋鋼法蘭上再焊一圈鋼法蘭，該法蘭中心可以與原洞口中心錯位，而與實際的管道中心保持同心度要求。這環后焊的法蘭中心也就是洞口止水裝置的中心。這種橡膠法蘭的止水裝置結構簡單，成本低，安裝方便；但必須注意幾個問題：A、預埋鋼法蘭應該與沉井牢固地錨固在一起，具有足夠的錨固強度和焊縫強度。B、后焊的鋼法蘭中心，即洞口止水裝置中心應與實際管道中心保持同心。誤差盡可能小，一般不大于5毫米。C、橡膠法蘭的內徑應小于管道外徑30厘米左右，單邊翻進去15厘米。橡膠板的縱橫方向襯棉紗線和尼龍線，以提高回彈力，保持良好的止水效果。D、設置扇形壓板，可以調整徑向間隙，防止橡膠法蘭被擠翻出來。

　　另一種情況是鋼板樁工作井等，由于前墻是根據管道設計標高制作的，因此前墻上的預留孔中心就是管道的實際中心，因此不需要后焊一環鋼法蘭，只要把橡膠法蘭直接安裝在前墻端面的鋼法蘭上就可以了。其它情況與上述做法類似。
　　對于一些特殊的施工條件，如過江、出海等工程，管道埋設比較深，一般大于15米，有的情況下洞口甚至處于承壓水土層范圍內，采用一般的像膠法蘭止水裝置就不安全了。對于管理埋設深的情況，工作井洞口止水裝置的形式很多，有用齒形橡膠止水帶形式的，也有用盾尾鋼緣刷密封并壓注盾尾油脂的形式。無論設計和選用哪種形式，首先必需以安全止水為前提，其次才考慮經濟性等因素。
　　對于頂管接收井的洞口止水，由于工具管進洞的姿態難以確定，一般情況不采用止水裝置，而是對洞口采用地基加固措施，并用扇形板將首管與接收井預埋鋼法蘭焊接。首管為特殊管，外壁包一層鋼板。工具管進入接收井時，坑內應計算好標高安放引導軌。接收井為鋼性連接，不僅滿足止水要求，還能防止叩頭現象的發生。

　　五、結束語

　　頂管工程開工前，應進行技術、經濟指標的綜合評價，因地制宜選擇封門方案、土體加固方案和洞口止水方案。施工時應加強管理，使方案能得到認真的實施。
　　盡量避免采取單獨的砌筑體封門方案，進一步完善井內鋼封門施工工藝，拓寬封門制作的領域。
　　化學加固方法從經濟上、技術上統籌考慮比較適合，在化學加固方法得到保證。分層注漿工藝和深層攪拌樁工藝和深層攪拌工藝技術發展更加成熟，加固質量更容易得到保證。
　　洞口止水裝置應根據管道不同的埋沒深度選擇相應的結構形式。除了保證鋼構件的強度和剛度以及密封件材料的可靠性能以外，在安裝過程中必須確保焊縫質量、預埋件的錨固強度、洞口止水裝置與設計管中心的同心度等都符合設計質量的要求。