HOBAS管在原水壓力管道工程曲線中頂管的應(yīng)用

蘇 宇，蘇耀軍

（上海市水務(wù)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督中心站，上海市 200232）

1 工程背景

青草沙水源地原水工程某支線工程在J26-J29頂管施工段由于J27井與J28井位征地拆遷困難無(wú)法實(shí)施，經(jīng)調(diào)整管位后改由J26井到J29井一次頂進(jìn)，并采用曲線頂管方式頂進(jìn)以避讓沿線高壓鐵塔及過(guò)河橋樁。該段管線總長(zhǎng)791 m，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，管線布置如圖1所示，由J26井向J29井頂進(jìn)。該施工段頂管主要穿越土層為③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③夾層灰色粘質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2所示。③層土透水性較差，屬高含水量、高塑性、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性的飽和軟土，蠕變量大，土層靈敏度高；而③夾層土層不穩(wěn)定，滲透性較好。該施工區(qū)段內(nèi)地表水體豐富，管線沿線地下水受大氣降水及沿線主要河流水位漲落影響較大，且臨近高壓鐵塔、橋梁、民房等建構(gòu)筑物。

圖1 凌橋支線QLZ-C3標(biāo)J26-J29井總平面布置圖

圖2 J26-J29井工程地質(zhì)剖面圖

2 壓力管道曲線頂管技術(shù)方案的比較和選擇

該工程為輸送原水的壓力管道，原設(shè)計(jì)鋼管內(nèi)徑為DN2200，管道運(yùn)行最大工作壓力為0.80MPa。管位調(diào)整后的頂管施工屬長(zhǎng)距離曲線頂管（長(zhǎng)791 m、曲率半徑1 200 m）。因此除了常規(guī)頂管施工技術(shù)要求外，方案重點(diǎn)在于管材如何滿足內(nèi)水壓和曲線頂管施工要求。

2.1 鋼管

鋼管能夠滿足設(shè)計(jì)內(nèi)水壓要求，而曲線頂管目前有兩種方法。（1）采用接口焊接形式，利用鋼管本身的彈性敷設(shè)能力（軸向可以有一定的彎曲變形能力），進(jìn)行曲線頂管。由于該工程管徑為DN2200，其軸向抗彎剛度很大，通過(guò)頂管機(jī)進(jìn)行曲線頂管，一般要求曲率半徑大于10 000 m以上。（2）采用管道接口“先柔后剛”技術(shù)（即鋼管制作成類似“F型”柔性接口管節(jié)，待曲線頂管貫通后為保證抗內(nèi)水壓能力，再對(duì)管接縫進(jìn)行閉合焊接處理，使管道形成整體）。由于綜合成本較高、管道內(nèi)作業(yè)環(huán)境差、安全風(fēng)險(xiǎn)高，尤其是貫通后割除加勁板（環(huán)）、安裝加強(qiáng)板、角縫焊接等工后處理工作量大等原因，施工難度大。

2.2 鋼筋混凝土管

采用“F型”鋼套環(huán)柔性接口形式的鋼筋混凝土管，可以滿足曲率半徑為1 200 m的曲線頂管施工要求，但鋼筋混凝土管以及“F型”鋼套環(huán)接口無(wú)法滿足設(shè)計(jì)內(nèi)水壓的要求。

2.3 玻璃纖維增強(qiáng)夾砂管

采用企口式、套環(huán)式柔性接口的離心澆筑成型工藝的玻璃纖維增強(qiáng)夾砂管，可以滿足曲率半徑為1 200 m的曲線頂管施工要求；同時(shí)，玻璃纖維增強(qiáng)夾砂管能夠滿足設(shè)計(jì)內(nèi)水壓要求；另外，玻璃纖維增強(qiáng)夾砂管具有內(nèi)壁光滑磨阻小、不易結(jié)垢、耐腐蝕性好、能抵抗多種無(wú)機(jī)溶劑、有機(jī)溶劑的侵蝕、抗老化、重量輕等有特點(diǎn)。因此較適合該工程，但需要研究管道接口技術(shù)，以解決在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓條件下的管縫接口抗?jié)B漏能力。同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合該工程頂管施工的技術(shù)特點(diǎn)，改進(jìn)管材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足頂力要求和克服管道受軸向頂力作用而擠壓變形的影響。

綜合上述分析，該曲線頂管工程確定采用玻璃纖維增強(qiáng)夾砂管，并就頂管用管節(jié)結(jié)構(gòu)形式、管節(jié)接口形式等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

3 曲線頂管用HOBAS管管節(jié)設(shè)計(jì)與制作控制

3.1 管材制作工藝的確定

玻璃纖維增強(qiáng)夾砂管的制作工藝分為連續(xù)或定長(zhǎng)纏繞工藝、離心澆筑工藝，其成型管材均具有較大的抗內(nèi)水壓能力，因此對(duì)于該工程主要是考慮管材結(jié)構(gòu)能否滿足頂管要求，即施工性。由于纏繞工藝制作的復(fù)合結(jié)構(gòu)管壁斷面材質(zhì)分布呈環(huán)向較大差異、分層明顯和不均勻性，其軸向壓縮強(qiáng)度相對(duì)較低（小于100 MPa）、強(qiáng)度離散性較大，不是很適合該工程頂管用管。而玻璃纖維增強(qiáng)夾砂管（簡(jiǎn)稱HOBAS管)為離心澆筑工藝，其管壁密實(shí)度較高、材質(zhì)分布連續(xù)、穩(wěn)定、均勻性較好，軸向壓縮強(qiáng)度較高（不小于120 MPa）、強(qiáng)度離散性較小，因此該工程選用HOBAS管作為頂管用管。同時(shí)，由于該管材內(nèi)表面光潔，根據(jù)其粗糙系數(shù)計(jì)算，將原內(nèi)徑DN2200鋼管（水泥砂漿內(nèi)防腐層） 改為管道公稱直徑為DN2000的HOBAS管。

3.2 管壁結(jié)構(gòu)形式

該工程頂管工作井設(shè)計(jì)允許最大頂力為4500 kN，綜合考慮管材抗軸向變形能力，以及曲線頂管技術(shù)要求（管口端面受力、接口保護(hù)等） 因素，按軸向壓縮強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取120 MPa，并提高管材富裕安全頂力，將HOBAS管的設(shè)計(jì)允許頂力確定為8 000 KN，但施工允許頂力控制在4 500 kN以下；根據(jù)該工程管道運(yùn)行最大工作壓力、結(jié)合正常運(yùn)行壓力，將HOBAS管的設(shè)計(jì)壓力等級(jí)確定為1.0MPa，管材的環(huán)向拉伸強(qiáng)度應(yīng)不小于6 300 kN/m。因此根據(jù)軸向壓縮強(qiáng)度和環(huán)向拉伸強(qiáng)度值，確定管壁的玻璃纖維層（GRP層）厚度為40 mm。

另外，由于頂管管材采用柔性接口，其接口構(gòu)造形式的原因，接口范圍的壁厚較管身薄，但力學(xué)性能應(yīng)不低于管身。這就要求接口范圍的材質(zhì)和壁厚應(yīng)與管身相同，即玻璃纖維層（GRP層）、厚度為40 mm。因此，需要增加管身厚度，以滿足管節(jié)接口構(gòu)造要求。該工程接口采用套筒式，根據(jù)套筒尺寸要求，將管身壁厚分為內(nèi)壁層（40 mmGRP層）和外壁層（33 mmRM層），考慮經(jīng)濟(jì)成本并結(jié)合管材制作工藝的可行性，外壁層采用29 mm厚的樹脂砂漿層、并在其中間夾4 mm厚的玻璃纖維增強(qiáng)層（提高外壁層受彎抗裂能力）。管身管壁設(shè)計(jì)總厚度為73 mm、設(shè)計(jì)環(huán)剛度為50 000 N/m2，結(jié)構(gòu)形式如圖3、圖4所示。

圖3 管節(jié)接口與套筒連接形式示意圖

圖4 HOBAS管管壁結(jié)構(gòu)（GRP層+RM層的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)）示意圖

3.3 管道接口連接形式

頂管管道柔性接口有企口式、套筒式，鑒于鋼套環(huán)在鋼筋混凝土管頂管中的成熟應(yīng)用，加之企口式要求管壁厚進(jìn)一步增加（成本也隨之增加），該工程最終確定為套筒式接口連接形式。套筒采用純玻璃纖維增強(qiáng)層為連續(xù)玻璃纖維纏繞制成，其環(huán)向和軸向拉伸強(qiáng)度基本于管身內(nèi)壁層一致。套管內(nèi)表面覆襯倒齒形橡膠止水帶，該止水帶外型構(gòu)造上呈突起齒型，當(dāng)兩管節(jié)承插后突起頂部向管縫方向翻轉(zhuǎn)，在承受內(nèi)水壓時(shí)具有較好的壓密性，能承受較高的內(nèi)水壓力。同時(shí)，考慮曲線頂管的管縫張開角度需要0.15°（單節(jié)管長(zhǎng)取3 m），而套筒式能夠適應(yīng)這要求。套筒接頭形式見(jiàn)圖5所示。

圖5 FWC套筒接頭形式示意圖

3.4 管道接口連接形式

由于壓力管道曲線頂管用HOBAS管是首次應(yīng)用與原水輸水工程，因此在前期大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地增加、調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計(jì)，其制作標(biāo)準(zhǔn)以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《玻璃纖維增強(qiáng)塑料頂管》(GB/T 21492—2008)為主。同時(shí)，根據(jù)該工程設(shè)計(jì)和管材技術(shù)要求，就管身、接口、套環(huán)分別具體明確了制作質(zhì)量指標(biāo)，其增加、調(diào)整的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)主要為軸向壓縮強(qiáng)度、管身和套筒的環(huán)向拉伸、管身和套筒的軸向拉伸、管節(jié)水壓滲漏性能、兩管安裝后的接口偏轉(zhuǎn)0.5°水壓滲漏性能等。還有，應(yīng)嚴(yán)格產(chǎn)品出廠的檢驗(yàn)要求，其中：非破壞性檢驗(yàn)包括管道和套筒尺寸和外觀質(zhì)量，每根100%檢驗(yàn)；破壞性檢驗(yàn)包括管身和接口偏轉(zhuǎn)的水壓滲漏、環(huán)剛度、撓曲性、環(huán)向拉伸、軸向拉伸、壓縮強(qiáng)度，按1%比例檢驗(yàn)。在產(chǎn)品定性前，還進(jìn)行了擴(kuò)展性試驗(yàn)研究，其中接口偏轉(zhuǎn)水壓滲漏分別在1.0°、1.5°情況下無(wú)滲漏。

4 HOBAS管曲線頂管施工的主要技術(shù)控制要點(diǎn)

套筒式柔性接口的HOBAS管曲線頂管施工可以借鑒鋼套環(huán)柔性接口的鋼筋混凝土管道施工技術(shù)，但由于管材材性、接口形式、使用工況的不同，應(yīng)重點(diǎn)解決曲線頂管軸線的形成與控制、管節(jié)接口保護(hù)、管材保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 曲線頂管軸線的形成與控制

曲線頂管的管節(jié)接縫張開一側(cè)的接口部位管壁受土體的垂直反力較大，HOBAS管及套筒容易發(fā)生變形失穩(wěn)甚至破壞，因此允許頂力較鋼筋混凝土管小。同時(shí)，要求在曲線形成、保持過(guò)程中應(yīng)減少接口部位、套筒的集中應(yīng)力，以保證管接縫的完好。這對(duì)機(jī)頭及后續(xù)管節(jié)的“組合彎曲頂頭”提出了較高要求。該工程采用了靈敏度較好的“兩段一鉸式”大刀盤土壓平衡頂管機(jī)，其后部增設(shè)了5節(jié)特殊鋼鉸接管并配小行程糾偏油缸，通過(guò)調(diào)整螺栓與螺母位置來(lái)強(qiáng)制打開、保持鉸接管開口量，以形成較理想、穩(wěn)定的“組合彎曲頂頭”，各管節(jié)通過(guò)機(jī)頭后部鉸接段形成的通道自動(dòng)形成設(shè)計(jì)張角，完成后續(xù)HOBAS管較自由的被導(dǎo)入曲線段通道。

4.2 管節(jié)接口保護(hù)

該工程曲率半徑R=1 200 m、單節(jié)管長(zhǎng)L=3 000mm、管節(jié)外徑D=2 046mm，根據(jù)L1·D/R≤S公式，經(jīng)計(jì)算曲線段管縫張口值S應(yīng)控制在5.12 mm。在曲線頂進(jìn)和頂進(jìn)糾偏中，為使管節(jié)端面盡可能的均勻受力、減少應(yīng)力集中，除“組合彎曲頂頭”、泥漿套、最大允許頂力控制等技術(shù)運(yùn)用外，管縫木襯圈的選擇是關(guān)鍵之一。該工程根據(jù)套筒式接口止水密封構(gòu)造尺寸，結(jié)合不同木襯圈材質(zhì)和厚度的試驗(yàn)，要求管縫寬度與張口值之和控制在20.0 mm以內(nèi)，因此，選用木襯圈的厚度為15 mm的人工松木芯板。

4.3 管材保護(hù)

頂管工程不可避免地會(huì)涉及施工外力沖擊、機(jī)具摩擦等情況，對(duì)于壓力管道還涉及鋼制中繼間閉合焊接等需要。HOBAS管采用了玻璃纖維、樹脂砂漿等化工材料，其抗沖擊能力較差、耐磨性較差、且不耐高溫，因此施工期間對(duì)HOBAS管的保護(hù)也有特殊要求。為此，該工程在管道吊運(yùn)過(guò)程中要求采用采用軟式吊帶抱箍起吊，以防止管壁損傷或管道接口破損；進(jìn)入工地現(xiàn)場(chǎng)后采用定型化的表面抱覆橡膠板的存管平臺(tái)和托架，保護(hù)管節(jié)表面；管道內(nèi)出土土方運(yùn)輸采用泥漿泵系統(tǒng)，管底鋪設(shè)耐磨的木制走道板，減少施工磨損；專門設(shè)計(jì)管道內(nèi)置物托架，擱置進(jìn)水管、排泥管、電纜、中繼泵等設(shè)備，保護(hù)管材表面不被劃傷，其內(nèi)撐托架見(jiàn)圖6所示。針對(duì)頂管中繼間需采用高溫切割、焊接作業(yè)的實(shí)際情況，優(yōu)化可拆卸型式中繼間設(shè)計(jì)（僅保留一道焊縫），將中繼間承插滑動(dòng)部分加長(zhǎng)以增加高溫作業(yè)點(diǎn)與HOBAS管距離，同時(shí)在作業(yè)過(guò)程中采用噴淋降溫措施，保證HOBAS管材處于允許溫度范圍內(nèi)。

圖6 定型化管道內(nèi)撐托架實(shí)景

5 結(jié)語(yǔ)

HOBAS管頂管的順利進(jìn)洞、整體管道壓力試驗(yàn)的成功，證明了該類管材在青草沙工程中得到了成功應(yīng)用。其2 m的管口直徑、791 m的頂管頂程、1 200 m曲率的曲線頂進(jìn)在國(guó)內(nèi)均為首次運(yùn)用，也解決了傳統(tǒng)鋼管曲線頂管鉸接管后續(xù)處理工作量大的難點(diǎn)，為原水工程曲線頂管提供了新的發(fā)展方向。

[1]蘇宇，蘇耀軍.大口徑復(fù)合管材在曲線頂管壓力管道中的應(yīng)用與施工技術(shù)研究[R].上海市青草沙投資建設(shè)發(fā)展有限公司，中鐵十六局集團(tuán)有限公司，2013.