玻璃鋼夾砂管管材接口的保護(hù)技術(shù)

丁玉龍

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018）

管道工程中應(yīng)用的管材，除了需要考慮滿足運(yùn)行階段的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求和管道接口的密封性要求外，還要考慮管道在施工階段的相應(yīng)要求[1-6]。

對(duì)于頂管管材的保護(hù)技術(shù)，一些專家和學(xué)者做過(guò)不少的研究和探索[7-9]，但由于實(shí)際工程中，將復(fù)合管材應(yīng)用于有壓頂管隧道的情況尚屬首次[10-11]，因此對(duì)于其接口的保護(hù)有著更高的要求，應(yīng)當(dāng)從多個(gè)角度進(jìn)行研究和分析。

1 管口形式的設(shè)計(jì)

青草沙凌橋支線C3標(biāo)J26-J29頂管施工段，是國(guó)內(nèi)頂管施工領(lǐng)域第一次將復(fù)合管材應(yīng)用于長(zhǎng)距離壓力曲線頂管施工，標(biāo)段自海高路J26井起，沿高橋港，在外環(huán)線與高橋港交叉處穿越高橋港，到港城路東側(cè)J29井。管線包括直線段和曲線段兩個(gè)部分，其中直線段長(zhǎng)度為124.97 m，曲線段長(zhǎng)度為666.06 m，曲率半徑為R=1 200 m，管線總長(zhǎng)791.03 m，見(jiàn)圖 1。頂管中心設(shè)計(jì)標(biāo)高為-6.6 m，覆土10 m，主要穿越土層為③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與③夾層灰色粘質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

圖1 工程平面示意圖Fig.1 Engineering Sketch Map

復(fù)合管材采用的材料為玻璃纖維增強(qiáng)塑料與石英砂，該種復(fù)合管材道的管壁結(jié)構(gòu)通常被制成夾層結(jié)構(gòu)的形式，而且內(nèi)外玻璃纖維增強(qiáng)塑料層厚度基本相同，當(dāng)該厚度越接近，夾層結(jié)構(gòu)的剛度就越高，但抗彎強(qiáng)度差。所以這種結(jié)構(gòu)形式的管道與接口通常應(yīng)用于污水等無(wú)壓直線管道施工。而凌橋支線為壓力管道，必須保證管道有足夠的強(qiáng)度，更要保證接口能夠承受閉水試驗(yàn)壓力及運(yùn)營(yíng)階段的內(nèi)水壓，為此該工程對(duì)復(fù)合管材接口進(jìn)行了研究應(yīng)用。

1.1 管壁結(jié)構(gòu)形式

通過(guò)估算，確定管材在曲線頂進(jìn)過(guò)程中需要的允許頂力為8 000 kN，而本管線的工作壓力為0.80 MPa，通過(guò)管道工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定管材的壓力等級(jí)1.0 MPa（即PN1.0），管道的環(huán)向拉伸強(qiáng)度應(yīng)不小于6 300 kN／m。根據(jù)管壁中的玻璃纖維增強(qiáng)塑料層（GRP層）的環(huán)向拉伸強(qiáng)度和軸向壓縮強(qiáng)度值，確定管壁中玻璃纖維增強(qiáng)塑料層厚度約在40 mm左右，最終選擇了如圖2所示的不對(duì)稱夾層管壁結(jié)構(gòu)形式，總厚度為73 mm，其中的內(nèi)玻璃纖維增強(qiáng)塑料層為40 mm（包含內(nèi)襯層），樹(shù)脂砂漿層（RM層）厚度約33 mm。圖3為最后確定的管壁結(jié)構(gòu)剖面的實(shí)拍照片。

圖2 管壁結(jié)構(gòu)（mm)Fig.2 Structure of Pipe(mm)

圖3 管壁結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.3 Photo of Pipe Structure

1.2 管口結(jié)構(gòu)形式

為保證壓力管的的密閉性，選擇了套筒式接口，套筒壓縮厚度為33 mm。而套筒與管壁外徑一致的情況下，在接口處管壁結(jié)構(gòu)只能剩余40 mm厚度，即為玻璃纖維增強(qiáng)塑料層厚度。管壁結(jié)構(gòu)中，由于玻璃纖維增強(qiáng)塑料層的抗壓強(qiáng)度（標(biāo)準(zhǔn)值在120 MPa以上）明顯高于樹(shù)脂砂漿層（65 MPa～75 MPa），通過(guò)計(jì)算，此40 mm厚純玻璃纖維增強(qiáng)層能夠保證管口連接區(qū)管壁的抗壓強(qiáng)度，滿足施工要求。最終確定管口處管壁厚度為40 mm。見(jiàn)圖4。

圖4 接口詳圖Fig.4 Detailing of Pipe Joint

在試安裝測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，端口直角外棱會(huì)對(duì)密封膠圈產(chǎn)生不同程度的損壞，導(dǎo)致連接處密封性能下降。為此對(duì)接口進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，對(duì)管口端面外棱進(jìn)行倒角處理。倒角半徑成為問(wèn)題的關(guān)鍵，倒角半徑太大會(huì)影響端面的強(qiáng)度，不能滿足施工要求。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，倒角半徑小于3 mm，管端軸向壓縮強(qiáng)度下降較小，倒角半徑再大，壓縮強(qiáng)度下降過(guò)大，結(jié)果見(jiàn)表1。因此規(guī)定管口的倒角半徑為3 mm。

表1 管口區(qū)管壁軸向壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Axial Compressive Strength Test Data of Pipe Joint

2 管口有限元模型分析

在曲線頂管施工過(guò)程中，管口為傳力的薄弱環(huán)節(jié)。管口在節(jié)間轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到止水套環(huán)的約束，使得管口受到彎矩應(yīng)力、剪應(yīng)力和軸向壓應(yīng)力共同作用下，受力狀態(tài)復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)常規(guī)計(jì)算方法得到其實(shí)際應(yīng)力分布狀態(tài)。該工程通過(guò)有限元分析來(lái)模擬復(fù)合管曲線頂管過(guò)程中管口的實(shí)際受力情況，有效地為施工提供參考依據(jù)，保證頂管施工的順利進(jìn)行。

2.1 計(jì)算模型

由于管材厚度與管材直徑、長(zhǎng)度差異較大，選擇厚殼單元進(jìn)行建模計(jì)算。整個(gè)模型的計(jì)算關(guān)鍵位置在于管口，故在管口處單元?jiǎng)澐志燃用?，而管身處的單元?jiǎng)澐志冗m當(dāng)放寬。實(shí)際劃分單元時(shí)，管口單元最大邊長(zhǎng)為50 mm，管身單元最大邊長(zhǎng)為100 mm。圖5為單節(jié)管節(jié)的結(jié)構(gòu)模型，單元?jiǎng)澐旨用芴帪楣芸诮孛?，余為管身截面?/p>

圖5 單管節(jié)結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Structure Model of Single Pipe

圖6 止水套環(huán)與管節(jié)結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Structure Model of Pipe and Sealing Ring

止水套環(huán)也采用厚殼單元模擬，厚度為30 mm，單元最大尺寸為50 mm。圖6為止水套環(huán)與單節(jié)管節(jié)的模型。

為了合理模擬套環(huán)與管口間的共同作用，建模過(guò)程中在套環(huán)與管口之間設(shè)置滑動(dòng)摩擦接觸面，即套環(huán)與管口之間存在一定量的滑移的同時(shí)不失去套環(huán)對(duì)管口的環(huán)向約束作用。無(wú)套環(huán)側(cè)管節(jié)邊界無(wú)約束。

曲線頂管管節(jié)之間傳力宜采用不張口接頭的受力模式，為防止管節(jié)集中應(yīng)力破壞管材，在管節(jié)間連接處用墊木墊圈，厚度15 mm，其內(nèi)徑應(yīng)比管道內(nèi)徑大2 mm，外徑應(yīng)等于接頭的最小內(nèi)徑。

接頭處轉(zhuǎn)折角 θ＝arctan［（L+a）／R］=0.144°，張口尺寸 ΔL＝2×D外sin（θ／2）＝5.15 mm。見(jiàn)圖 7。

圖7 曲線張口示意圖Fig.7 Open of Pipe

計(jì)算中取頂管管節(jié)間夾角為0.15°，計(jì)算工況按照規(guī)范規(guī)定的管節(jié)間夾角0.3°計(jì)算。管節(jié)頂力考慮6 000 kN（600 t）。通過(guò)幾何關(guān)系可以計(jì)算得到加載截面上側(cè)中點(diǎn)的張開(kāi)量ΔL=6 mm，進(jìn)而施加到模型上，模擬管節(jié)的偏轉(zhuǎn)。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

（1）管節(jié)發(fā)生0.3°轉(zhuǎn)角（不考慮頂力作用）

從圖8可以看出，當(dāng)發(fā)生管節(jié)偏轉(zhuǎn)后，套環(huán)受到管節(jié)偏轉(zhuǎn)作用發(fā)生環(huán)向變形（膨脹）。

圖8 發(fā)生0.3°偏轉(zhuǎn)后管節(jié)側(cè)視圖Fig.8 Side View of Pipe after 0.3°Deflection Occurs

發(fā)生0.30°偏轉(zhuǎn)時(shí)，管口受到套環(huán)約束作用而產(chǎn)生較大彎曲應(yīng)力，該應(yīng)力為拉應(yīng)力最大值位于上部開(kāi)口處，管口最大縱向拉應(yīng)力約為25 MPa，接近管身位置的縱向拉應(yīng)力約為10 MPa，低于管材強(qiáng)度。

在0.30°轉(zhuǎn)角時(shí)，管口環(huán)向壓應(yīng)力分布如圖10所示，開(kāi)口側(cè)為上側(cè)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，受到套環(huán)的約束管口的環(huán)向壓應(yīng)力值較高，且離管口50 mm范圍內(nèi)的應(yīng)力接近了100 MPa，已接近材料的抗壓強(qiáng)度。

圖9 發(fā)生0.30°偏轉(zhuǎn)時(shí)管口縱向應(yīng)力Fig.9 Longitudinal Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

圖10 發(fā)生0.30°偏轉(zhuǎn)時(shí)管口環(huán)向應(yīng)力Fig.10 Radial Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

（2）管節(jié)發(fā)生0.3°轉(zhuǎn)角（考慮頂力作用）

圖11 發(fā)生0.3度偏轉(zhuǎn)時(shí)管口縱向應(yīng)力Fig.11 Longitudinal Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

施加頂力后，管口位置既存在縱向拉應(yīng)力又存在壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力約為12.5 MPa，最大壓應(yīng)力約為50 MPa。無(wú)頂力工況下管節(jié)間為下部點(diǎn)接觸，施加頂力后，管節(jié)間的接觸面增加，以傳遞更多頂力，從而在一定程度上降低了管口縱向的拉應(yīng)力。

圖12 發(fā)生0.30度偏轉(zhuǎn)時(shí)管口環(huán)向應(yīng)力Fig.12 Radial Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

管口的最大環(huán)向壓應(yīng)力約為85 MPa，隨著頂力的施加，使得管口的開(kāi)口角度略有減小，從而使得計(jì)算環(huán)向壓應(yīng)力小于無(wú)頂力的工況。環(huán)向壓應(yīng)力最大值發(fā)生在開(kāi)口處，該應(yīng)力分布在距離管口邊沿約100 mm范圍內(nèi)，且沿截面高度向下減小。

從計(jì)算結(jié)果可知，管口為最薄弱的環(huán)節(jié)，需要采取合理的保護(hù)措施，以保證工程施工的質(zhì)量。

3 管口保護(hù)技術(shù)措施

3.1 襯墊選擇

（1）材質(zhì)選擇

盡管應(yīng)用于該工程的復(fù)合管材在結(jié)構(gòu)上對(duì)接口處進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，但復(fù)合管材相對(duì)其他管材而言其允許頂力偏小，尤其在管段接口處最為薄弱，局部受力不均會(huì)導(dǎo)致接口破損。尤其曲線段，每?jī)晒?jié)管道外側(cè)張角都是0.144°，管端面不是均勻受力，主要是單側(cè)受力，受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖13。

圖13 曲線管段傳力圖Fig.13 Force of Curve Section of Pipe

為防止管節(jié)處應(yīng)力集中破壞管材，同時(shí)有效的傳遞后方頂力，兩管節(jié)之間設(shè)置襯墊材料，使端面整體均勻受力。根據(jù)多年對(duì)襯墊的研究，一般選用的襯墊材料的性能應(yīng)該符合圖14中應(yīng)力應(yīng)變要求：

圖14 襯墊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.14 Stress-Strain Curve of Pad

該工程選擇了彈性較好的人工芯木板，并通過(guò)試驗(yàn)確定其物理性能，判定可以作為木襯墊使用。

（2）厚度確定

圖15 曲線張口示意圖Fig.15 Open of Curve

材質(zhì)確定后，木墊圈厚度的選擇成為問(wèn)題的關(guān)鍵。首先明確下列各管口的數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖15。

張口計(jì)算：

式中：R為曲線半徑（m）；D為管外徑（m）；L為管節(jié)長(zhǎng)度（m）；t為管壁厚度（m）；S為襯墊被壓縮后的厚度（m）。

根據(jù)以上公式和J26-J29段曲線頂管中已知：

計(jì)算可得：

根據(jù)管節(jié)承插口的尺寸（圖16）可以看出，當(dāng)S1+S0=30 mm時(shí)，止水橡膠圈的外沿已退至接口的外沿，為保證止水橡膠圈生效必須有S1+S0≤30 mm，當(dāng) S1=5.12 mm 時(shí)，S0≤14.82 mm，考慮到木墊圈裝入管縫，開(kāi)始頂進(jìn)時(shí)就會(huì)壓縮，選用15 mm厚的木墊圈，要應(yīng)用中的木墊圈見(jiàn)圖17。

圖16 管節(jié)插口尺寸Fig.16 Size of Pipe Socket

圖17 木墊圈Fig.17 Wooden Washer

3.2 采用特殊頂鐵

針對(duì)復(fù)合管承插式管口特點(diǎn)，設(shè)計(jì)專用“O”型頂鐵進(jìn)行頂進(jìn)，具體見(jiàn)圖18。“O”型頂鐵的關(guān)鍵是與復(fù)合管材的接口部分，與復(fù)合管材正對(duì)部分，接觸面比復(fù)合管材的端面40 mm寬6 mm，為46 mm，可以防止端頭插入時(shí)的誤差。開(kāi)口處內(nèi)邊有個(gè)坡度，最外端比里面單邊寬5 mm，整體加寬1 cm，方便復(fù)合管材插入，避免直角棱角破壞管材。

圖18 “O”型頂鐵Fig.18 “O”Type Top Iron

3.3 防止錯(cuò)臺(tái)預(yù)案

在曲線頂管過(guò)程中，曲線形成轉(zhuǎn)角后，前后兩節(jié)管子會(huì)發(fā)生少量的錯(cuò)臺(tái)，即前后管內(nèi)表面不在一個(gè)平面上，管子接觸面由40 mm寬急劇下降，管端有可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，甚至出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。針對(duì)這種情況制作出內(nèi)撐圈，用足夠厚度的鋼板，加工成弧形，分為四段，通過(guò)螺栓連接，在應(yīng)急情況下可以起到阻止管道錯(cuò)臺(tái)繼續(xù)增大和斷裂處繼續(xù)擴(kuò)張的作用，見(jiàn)圖19。而在實(shí)際頂管過(guò)程中經(jīng)監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)管節(jié)錯(cuò)口較大情況，如果有這種情況發(fā)生，我標(biāo)段計(jì)劃采用該項(xiàng)措施，避免外側(cè)套管受力過(guò)大而破損，如圖20。

圖19 管口發(fā)生破壞斷裂示意圖Fig.19 Damage of Pipe Joint

圖20 內(nèi)撐圈示意圖Fig.20 Internal Support Ring

4 張口監(jiān)測(cè)數(shù)值

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)值Tab.2 Monitoring Data

表2為施工中部分曲線段張口的監(jiān)測(cè)數(shù)值，從表中可以看出，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值與設(shè)計(jì)值非常接近，說(shuō)明施工過(guò)程及所采取的保護(hù)措施等是合理的。

5 結(jié)論

（1）結(jié)合青草沙凌橋支線C3標(biāo)J26-J29復(fù)合管材施工，闡述了復(fù)合管材管口形式的設(shè)計(jì)，選定了管壁結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)管口結(jié)構(gòu)形式做了改進(jìn)。

（2）用大型有限元計(jì)算軟件ABAQUS建立了管節(jié)的三維模型，對(duì)頂力及管口張開(kāi)角度條件下，管節(jié)的環(huán)向和徑向受力進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果表明，管節(jié)及管口的受力均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，是安全的。

（3）制定了詳細(xì)的管口保護(hù)技術(shù)措施，包括襯墊的選擇制作、采用特殊頂鐵、防止錯(cuò)臺(tái)預(yù)案等。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，施工過(guò)程及采用的管口保護(hù)措施是合理的。

（4）青草沙凌橋支線復(fù)合管施工已經(jīng)順利完工，頂進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生管口損壞的情況，目前該段管道已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)，狀況良好。工程的成功實(shí)施表明，玻璃纖維增強(qiáng)塑料管的管壁結(jié)構(gòu)形式、接口形式等滿足本工程曲線壓力頂管的要求。只要針對(duì)工程實(shí)際情況，合理地確定復(fù)合管材的管道與管口結(jié)構(gòu)形式，保證制造質(zhì)量，同時(shí)頂管施工過(guò)程中采取有效的技術(shù)措施，復(fù)合管材可廣泛的應(yīng)用于曲線壓力管道施工。

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