預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管結(jié)構(gòu)性能研究

張成軍

（山西省禹門口水利工程管理局 山西太原030002）

近年來，我國水資源緊缺矛盾日益突出，水利工程建設(shè)重點已很大程度地轉(zhuǎn)向了引調(diào)水工程。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管得到廣泛應(yīng)用，而輸水管線幾乎都要多次穿越建筑物（鐵路、公路、房建等），PCCP頂管則是解決管線交叉穿越建筑物的理想方案，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土頂管內(nèi)穿壓力管道方案相比具有成本低、進(jìn)度快、施工簡單的優(yōu)點，對解決管線穿越建筑物問題具有很強的針對性和優(yōu)勢。山西省禹門口提水東擴工程試驗性采用了預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管，簡稱PCCP頂管或JPCCP（英文jacking-prestressed concrete cylinder pipe縮寫），本文就PCCP頂管的施工性能、工作性能和結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行分析研究。

1 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管方案分析

1.1 PCCP頂管（JPCCP）結(jié)構(gòu)特點

PCCP頂管是根據(jù)PCCP結(jié)構(gòu)特點和頂管特點開發(fā)的一種新型頂管，兼有壓力管道和頂管功能，可直接進(jìn)行頂進(jìn)施工，并在施工完成后作為壓力管道與上下游PCCP直接對接。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土頂管內(nèi)穿壓力管道方案相比具有成本低、進(jìn)度快、施工簡單的優(yōu)點，對解決管線穿越建筑物問題具有很強的針對性和優(yōu)勢。

JPCCP是一種預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土與非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土復(fù)合而成的新型管材，其中預(yù)應(yīng)力部分負(fù)責(zé)承擔(dān)內(nèi)水壓力、外部荷載及部分軸向頂力，非預(yù)應(yīng)力部分負(fù)責(zé)承擔(dān)部分軸向頂力、預(yù)應(yīng)力鋼絲防腐保護(hù)和減少頂進(jìn)磨擦力。JPCCP制造工藝：先按PCCP的要求制作一帶鋼筒的混凝土管芯，然后按設(shè)計要求纏繞高強鋼絲，再在其外按構(gòu)造要求制作鋼筋骨架，最后澆筑外層混凝土。與PCCP不同之處是用鋼筋混凝土替換了PCCP外部的砂漿保護(hù)層，單節(jié)管道長度由5～6m減小為2.5～3.0 m，以適應(yīng)頂管特性要求。

1.2 PCCP頂管方案優(yōu)點

PCCP頂管除具有PCCP全部特性外，還具有如下優(yōu)點：

（1）施工簡單。PCCP頂管與傳統(tǒng)頂管加套管工藝相比，頂管內(nèi)徑減小、省去穿管工序（管材和施工費用）和管道間空腔回填混凝土工序，土體開挖量減少50%～60%，施工難度大大減小。

（2）基礎(chǔ)受力條件改善。PCCP頂管直接作為壓力管道，管道加水重比所開挖的土體重量減小40%～60%。減小了基礎(chǔ)荷載，不會增加基礎(chǔ)承載力，比傳統(tǒng)頂管受力情況改善。

（3）成本低。直接采用頂管作為壓力管道可大大減小成本。一是省去內(nèi)部穿管的全部管材費和安裝費用；二是減少頂管的管材費用，頂管內(nèi)徑減小，管材費用減小40%～50%；三是減少土體開挖量50%以上。

（4）縮短工期。由于施工工藝簡化，施工難度大大減小，頂管施工進(jìn)度大大加快。

2 PCCP頂管的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

2.1 JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝管頂管是一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)復(fù)合而成的管道，主要依據(jù)的設(shè)計規(guī)范是AWWA C304《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝管結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和CECS143:2002《給水排水工程埋地預(yù)制混凝土圓形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》。設(shè)計時先按AWWA C301規(guī)范進(jìn)行預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計，再按CECS143進(jìn)行外圈非預(yù)應(yīng)力混凝管結(jié)構(gòu)設(shè)計。進(jìn)行預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計時，先按外圈保護(hù)層凈厚度25mm進(jìn)行計算，再按外圈混凝土總厚度80 mm進(jìn)行設(shè)計，選取兩種外圈壁厚預(yù)應(yīng)力配筋量較多的一種配筋量，按此配筋面積再校核另一種外圈厚度下所有指標(biāo)是否符合C301要求，如符合則作為預(yù)應(yīng)力鋼絲最終的配筋量。外圈非預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時不考慮內(nèi)壁的預(yù)應(yīng)力鋼絲的作用，也不考慮內(nèi)水壓的影響（即管芯內(nèi)部由內(nèi)水壓力和外荷載導(dǎo)致的拉應(yīng)變由預(yù)應(yīng)力鋼絲承擔(dān)），控制截面為管側(cè)，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計算，兩種狀態(tài)下各種荷載作用采用相應(yīng)的分項系數(shù)，設(shè)計理論按剛性管道計算，管道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析按彈性體系計算。主要計算對象是外壁配筋量和混凝土強度，管側(cè)的內(nèi)力按CECS143:2002附錄D所列內(nèi)力系數(shù)進(jìn)行計算。上述兩個計算過程中的管自重承載角度根據(jù)頂進(jìn)作業(yè)的特點可以按120°～135°考慮。

2.2 JPCCP的結(jié)構(gòu)性能分析

2.2.1 收縮性能分析

JPCCP是一種分兩次成型的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土和非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，現(xiàn)就混凝土收縮和徐變性能對其接合面進(jìn)行分析。首先從預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理以及JPCCP的結(jié)構(gòu)形式看，導(dǎo)致接合面產(chǎn)生拉應(yīng)力以致產(chǎn)生間隙、分離的因素有管芯混凝土的收縮和徐變造成的管芯直徑的微量縮小，而阻止接合面產(chǎn)生間隙、分離的因素有預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力松弛和正常通水時管內(nèi)水壓力兩個因素。應(yīng)力松弛是指預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞到混凝土管芯上時使管芯產(chǎn)生彈性壓縮，預(yù)應(yīng)力鋼絲本身有在高應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力松弛的特性，這種特性導(dǎo)致管芯混凝土的彈性壓縮有所回復(fù)，進(jìn)而管芯混凝土的徐變值減?。徽Ｍㄋ畷r的管內(nèi)水壓力使得管芯混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，迫使管芯混凝土彈性變形向外擴張，使管芯混凝土緊緊壓住外圈鋼筋混凝土。

另外，混凝土收縮由干縮和自收縮兩部分組成，當(dāng)管道處于地下高濕度環(huán)境時混凝土不再進(jìn)行干縮，只有自收縮還在隨混凝土齡期增長而進(jìn)行，但此時外圈混凝土也在進(jìn)行自收縮，內(nèi)外圈混凝土不會因為混凝土自收縮而產(chǎn)生拉力，同樣，當(dāng)管道處于堆放暫存期、暴露在空氣中時，內(nèi)外圈混凝土同時產(chǎn)生干縮和自收縮，這個時期內(nèi)外圈混凝土也不會因為混凝土收縮而產(chǎn)生拉力。以上分析可以說明管芯混凝土收縮和徐變不會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力混凝土接合面產(chǎn)生分離。

2.2.2 頂進(jìn)能力分析

與標(biāo)準(zhǔn)PCCP相比，除同樣需承受內(nèi)水壓力和外荷載外，不同之處在于需要承受一定的頂進(jìn)力。JPCCP的外圈鋼筋混凝土是在經(jīng)施加預(yù)應(yīng)力的帶鋼筒的混凝土管芯外面放置鋼筋骨架后澆筑的鋼筋混凝土保護(hù)層，澆筑時外圈混凝土的插口端部頂部超出原混凝土管芯外側(cè)一定高度，同時覆蓋在混凝土管芯的鋼筒外側(cè)部分的混凝土頂面上，形成一個完整的承壓平面，外圈鋼筋混凝土保護(hù)層的承口端部底部在澆筑時和混凝土管芯坐落在同一個專用底模上，外圈鋼筋混凝土澆筑完成后內(nèi)外圈鋼筋混凝土承口端也是一個平面，實現(xiàn)了頂進(jìn)作業(yè)時外圈鋼筋混凝土和混凝土管芯的鋼筒外側(cè)部分承受相同壓應(yīng)力的目的。外圈鋼筋混凝土外側(cè)壁的承口端和插口端固定有加強鋼環(huán)，增強了管端的局部承壓力。外圈鋼筋混凝土的插口端面開設(shè)有半圓形注漿通道，插口鋼環(huán)上開設(shè)有注漿孔，在注漿孔位置的插口鋼環(huán)內(nèi)壁焊接有注漿管，注漿管與注漿通道連通，頂進(jìn)過程中可以通過注入觸變泥漿來減小頂進(jìn)過程中的摩阻力，頂進(jìn)作業(yè)完成后用水泥漿置換觸變泥漿來起到承插口圈的防腐作用，同時水泥漿的注入也能填充頂進(jìn)過程中產(chǎn)生于管周的空隙。

2.3 JPCCP結(jié)構(gòu)承載力試驗

2.3.1 試驗管工況

為驗證設(shè)計方法的正確性、合理性，2011年6月9日我們進(jìn)行了一次破壞性外荷載試驗，也稱三邊承載試驗，試驗管口徑為DN2400，工況為工作壓力1.0 MPa、覆土6m，管道長度3m。設(shè)計參數(shù)及設(shè)計結(jié)果如下：

公稱內(nèi)徑Di=2400 mm，管芯壁厚hc=155mm，保護(hù)層厚hm=ds+78=85mm（ds為鋼絲直徑）。

管外徑 Bc=Di+2（hm+hc）=2880 mm,管壁厚度 T=240 mm,管頂覆土高度H=6m。

工作壓力P=1000 kPa，檢驗壓力Pft=1300 kPa,管自重支承角度120°。

2.3.2 試驗方案

（1）試驗方案參照GB/T16752-2006《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗方法》進(jìn)行。

（2）加荷值與靜停時間按照有關(guān)DN2400外荷載試驗加荷控制表進(jìn)行，外壓試驗機施加的荷載值為4個壓力傳感器顯示之和。當(dāng)達(dá)到分級荷載時，應(yīng)觀察管體外表面裂縫并作好記錄。

2.3.3 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

通過計算管道頂部每米土荷載、活荷載、水重荷載、管自重四種外荷載在管壁內(nèi)部造成的彎矩，換算為三邊承載試驗的線荷載為133.525kN/m。管道設(shè)計內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為1.4倍工作壓力標(biāo)準(zhǔn)值，在承載能力極限狀態(tài)下，內(nèi)水壓力對管壁造成的拉力換算為203.774kN/m。兩項荷載合計為337.3kN/m，即為三邊承載試驗結(jié)構(gòu)設(shè)計線荷載。

加荷至1200 kN（相當(dāng)于400 kN/m）時管內(nèi)壁出現(xiàn)0.03mm寬的裂縫，加荷至1300 kN（相當(dāng)于433.33kN/m）時裂縫寬度擴展至0.18mm，并失去了抵抗外荷載的能力。經(jīng)試驗驗證，該值Pc=337.3kN/m小于實際試驗線荷載值433.33kN/m。外荷載試驗破壞荷載與設(shè)計荷載比值為433.33/337.3-1=28%，證明JPCCP的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是合理的、可靠的。

3 JPCCP作為頂管的性能改進(jìn)分析

3.1 JPCCP用于頂管的特殊技術(shù)要求

依據(jù)PCCP結(jié)構(gòu)特點，利用PCCP直接作為JPCCP使用需要從結(jié)構(gòu)上應(yīng)解決以下問題：

（1）根據(jù)頂管施工要求，為減少頂進(jìn)摩擦力，JPCCP外部結(jié)構(gòu)應(yīng)平整，且應(yīng)增加注漿孔。

（2）頂管不但要承受豎向和水平土荷載及地面車輛荷載的壓力，同時還需承受頂進(jìn)施工過程的較大軸向頂力，JPCCP應(yīng)增加承插口端面保護(hù)措施及平整度，且應(yīng)滿足頂力要求。

（3）避免JPCCP施工完成后接頭滲漏水對路基造成變形，影響交通安全，要求JPCCP承插口接頭止水效果可靠。

（4）JPCCP頂進(jìn)完成后，為不影響使用壽命，外部承插口鋼圈防腐問題應(yīng)加以解決。

3.2 JPCCP用于頂管需結(jié)構(gòu)調(diào)整的措施

（1）針對普通PCCP外部的粗糙砂漿外保護(hù)層，JPCCP將其改為鋼筋混凝土現(xiàn)澆保護(hù)層結(jié)構(gòu)，一方面利用光滑的剛性板澆筑使其表面平整，起到減少頂進(jìn)過程的摩擦力，另一方面可根據(jù)計算頂力要求，確定管芯外側(cè)鋼筋混凝土保護(hù)層的厚度。

（2）JPCCP結(jié)構(gòu)形式目前還沒有專門的計算方法，設(shè)計首先按照普通PCCP管道承受內(nèi)外壓設(shè)計參數(shù)進(jìn)行管芯厚度、預(yù)應(yīng)力高強纏絲設(shè)計計算；然后按照J(rèn)PCCP外部混凝土抗裂進(jìn)行復(fù)核驗算，確定外層鋼筋混凝土的厚度及配筋計算，最終確定JPCCP整體結(jié)構(gòu)尺寸。

（3）針對接頭有效均勻傳力要求，通過在JPCCP制造過程中承口斷面加大底模，插口斷面局部整體澆注混凝土等措施實現(xiàn)JPCCP承插口斷面混凝土達(dá)到平整，并在端面外部加設(shè)鋼圈。另外在頂進(jìn)前在端面加設(shè)一定厚度的木墊圈，確保在頂進(jìn)過程頂力全部由鋼筋混凝土承受，不影響PCCP管芯質(zhì)量。

（4）為保證接口止水可靠，JPCCP頂管接頭止水設(shè)計分3道：第一道為PCCP雙膠圈止水；第二道為接縫底部聚硫密封膠止水，高度25mm；第三道為內(nèi)壁接縫表面聚脲防水涂層，寬度300 mm，厚度2mm。聚硫密封膠和聚脲涂層均為柔性材料，可適應(yīng)地形微小變化，同時兩種材料和混凝土及鋼材的粘接力較強，耐久性也很好，可起到很好的止水效果。詳見圖1。

圖1 JPCCP頂管接頭止水

（5）普通PCCP安裝完成后利用砂漿對接頭外部進(jìn)行灌漿包封處理，使承插口鋼圈長期處于堿性環(huán)境中，起到防腐保護(hù)作用；JPCCP頂管頂進(jìn)施工完成后，利用預(yù)留的注漿孔一方面進(jìn)行頂部回填灌漿，同時還對接頭承插口鋼圈采用水泥漿液進(jìn)行封閉處理，起到防腐保護(hù)效果。

4 禹門口提水東擴工程JPCCP應(yīng)用情況

禹門口東擴工程輸水管線穿高速公路匝道、國道、縣鄉(xiāng)級等級公路13處采用了JPCCP，總長度約622m。其中直徑2.4m頂管1處，直徑2m頂管2處，直徑1.8m頂管9處，直徑1.4m頂管1處，單處頂管最大長度為90 m（管徑1.8m）。為保證工程安全，穿越公路JPCCP設(shè)計覆土厚度均比實際覆土厚度有所提高。施工階段將初步設(shè)計確定的頂涵內(nèi)穿PCCP方案調(diào)整為JPCCP方案。2012年10月20日禹門口東擴工程開始對工程56km管道進(jìn)行全線充水，11月10日完成全線充水，并開始進(jìn)行分段水壓試驗，充水過程中組織巡線人員重點對13處JPCCP段進(jìn)行巡查，未發(fā)現(xiàn)滲漏等異常情況，分段水壓試驗一次試驗成功，證明JPCCP設(shè)計、制作及施工質(zhì)量均滿足工程使用要求。可以認(rèn)為禹門口提水東擴工程JPCCP施工總體質(zhì)量較好，管線靜水壓試驗和試通水試驗一次合格，工程應(yīng)用取得了良好的效果。

5 結(jié)論

（1）PCCP頂管是一種新型復(fù)合管材，兼有壓力管道和頂管性能，具有成本低、進(jìn)度快、施工簡單的優(yōu)點，對解決管線穿越建筑物問題具有很強的針對性和優(yōu)勢。

（2）通過綜合采取PCCP和頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，解決了JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，試驗證明結(jié)構(gòu)安全可靠。通過采取結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，保證了JPCCP頂進(jìn)性能和工作性能。

（3）禹門口提水東擴工程設(shè)計采用13處PCCP頂管，經(jīng)管線靜水壓試驗和一年運行考驗未發(fā)現(xiàn)任何異常，工程取得了良好的質(zhì)量效果，對同類工程應(yīng)用具有極好的參考價值。