超大直徑裝配式頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

翟之陽，彭春強，周質(zhì)炎，張 毅

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

超大直徑裝配式頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

翟之陽，彭春強，周質(zhì)炎，張 毅

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

裝配式頂管可以有效地解決超大直徑頂管運輸困難的問題，簡要介紹裝配式頂管管節(jié)的組成，通過理論分析及有限元模擬研究裝配式頂管管節(jié)內(nèi)力計算方法，為裝配式頂管管節(jié)的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

超大直徑頂管；裝配式頂管；內(nèi)力分析

1 研究背景

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進程速度的加快，城市人口的不斷增多，使得基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與維護問題日益突出，并嚴重制約城市經(jīng)濟的發(fā)展，影響城市居民的生活質(zhì)量。敷設(shè)新的煤氣、熱力、電力、給排水等地下管道以及地下通道，沿用以往開槽敷設(shè)已感到越來越困難，甚至難以實施。頂管是地下管道非開挖施工的一種,這對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下構(gòu)筑物和管線復(fù)雜的市區(qū)來說非常重要。為了減少對交通、市民正?；顒拥母蓴_，減少不必要的拆遷，減少對市容和環(huán)境衛(wèi)生的影響，頂管已成為市政基礎(chǔ)設(shè)施工程中的最佳選擇。

目前國內(nèi)采用的最大鋼筋混凝土頂管內(nèi)徑已經(jīng)達到4 m，而世界上頂管管道已有不少超過4 m的案例，德國最大口徑已達4.4 m，日本更是成功將頂管管徑做到了5 m。從受力角度來說，大直徑頂管并不存在技術(shù)問題，但是使用頂管法施工大直徑管道(管道直徑在3.50～5.00 m)時，管節(jié)的運輸成為施工中的重大問題。由于頂管采用的是整節(jié)管道頂進，每節(jié)管節(jié)長度為2m或2.5 m，管節(jié)運輸存在超寬或超高的問題，這是制約大直徑頂管發(fā)展的重要因素［1-2］。

2 裝配式頂管管節(jié)結(jié)構(gòu)

為解決超大直徑頂管管節(jié)運輸問題，可采用裝配式頂管管節(jié)，即將頂管管節(jié)拆分為若干片管片，由工廠預(yù)制，運至施工現(xiàn)場后通過現(xiàn)場拼裝形成完成管節(jié)，再吊裝進入頂管工作井內(nèi)進行頂進。該方案可以有效地解決超大直徑頂管運輸困難的問題。

裝配式頂管管節(jié)一般由2片管片組成，上、下管片為呈180°的半圓環(huán)管片，在其兩側(cè)的縱拼裝面上分別預(yù)留有若干定位孔和預(yù)埋孔道，其中定位孔和預(yù)埋管道依次相互間隔設(shè)置；定位孔為開設(shè)于縱向拼接面上且具有一定深度的圓孔，其內(nèi)用于設(shè)置定位銷，在管片拼裝時，采用定位銷控制管片拼裝，防止半圓管片拼裝成環(huán)時在縱向和橫向上產(chǎn)生的位移誤差，同時可以抵抗頂管頂進時產(chǎn)生的管片間不均衡頂力；兩片半圓管片拼裝成圓環(huán)后，在管片預(yù)埋孔道內(nèi)插入預(yù)應(yīng)力鋼筋進行張拉，從而使拼裝成環(huán)的管節(jié)形成整體，滿足承載力要求，見圖1、圖2。

圖1 裝配式頂管管節(jié)示意圖

圖2 裝配式管節(jié)剖面示意圖

3 裝配式頂管管節(jié)內(nèi)力分析

裝配式頂管管節(jié)荷載沿用《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS246：2008)［3］中的荷載規(guī)定。對頂管施工管道管頂豎向土壓力采用太沙基計算模型不考慮粘聚力影響。管側(cè)土壓力采用朗肯主動土壓力，不考慮粘聚力影響，側(cè)向土壓力沿圓形管道管側(cè)分布視為直線分布，計算值為地面至管中心主動土壓力。管道基座按克萊茵假定。

裝配式頂管管節(jié)有兩片半圓管片組成，管片之間通過預(yù)應(yīng)力張拉形成整體。內(nèi)力計算時以《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》為基礎(chǔ)，參考盾構(gòu)管片計算中的修正慣用法，引入彎曲剛度有效率。通過彎曲剛度有效率體現(xiàn)管片結(jié)合面的剛度削弱引起的內(nèi)力重分配。

預(yù)應(yīng)力筋張拉會對管道產(chǎn)生環(huán)向壓力，該壓力對管片受彎是有利的，考慮到在施工頂進過程中由于不均勻頂力使預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生錯位，減小有效應(yīng)力，為提高管片結(jié)構(gòu)的安全性，引入預(yù)壓軸力折減系數(shù)［4-6］。

具體內(nèi)力可按下式計算：

管片結(jié)合面內(nèi)力：

管片內(nèi)內(nèi)力：

式中：M1、N1——不考慮結(jié)合面剛度折減計算的管片內(nèi)力；

Ny——預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的預(yù)壓軸力；

η——彎曲剛度有效率；

ω——預(yù)壓軸力折減系數(shù)；

Mj、Nj——考慮結(jié)合面剛度折減計算管片結(jié)合面內(nèi)力；

Mp、Np——考慮結(jié)合面剛度折減計算管片內(nèi)內(nèi)力。

4 計算示例

假定設(shè)計條件：管道內(nèi)徑4 000 mm，管道壁厚320 mm，管頂覆土厚度9.5 m，最低地下水位-3 m，土層內(nèi)摩擦角，土層粘聚力，見圖3。

圖3 管節(jié)計算簡圖

首先根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS246：2008)計算整環(huán)內(nèi)力，最不利內(nèi)力點處于A、B、C點。在管片拼裝時，當(dāng)管片結(jié)合面位于A、B、C點時，此時管片結(jié)合面處內(nèi)力最不利。

管片內(nèi)及管片結(jié)合面處內(nèi)力值見表1、表2。

5 有限元分析

利用有限元軟件模擬土體與管片間相互作用，管片結(jié)合面采用通過調(diào)整節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度模擬。由于轉(zhuǎn)動剛度對于計算結(jié)果影響較大，計算時采用兩種不同轉(zhuǎn)動剛度進行分析。計算模型及結(jié)果見圖4～圖6。

表1 管片內(nèi)各工況標準組合內(nèi)力值(M：kN·m/m,N：kN/m)

表2 管片結(jié)合面各工況標準組合內(nèi)力值(M：kN·m/m,N：kN/m)

圖4 裝配式頂管管節(jié)計算模型

圖5 裝配式頂管較大轉(zhuǎn)動剛度下管節(jié)內(nèi)力圖

圖6 裝配式頂管較小轉(zhuǎn)動剛度下管節(jié)內(nèi)力圖

對比普通頂管與裝配式頂管的計算結(jié)果，由于管片結(jié)合面的存在削弱了管片局部剛度，結(jié)合面處的彎矩減小，從而引起管片內(nèi)的內(nèi)力重分布，管片內(nèi)的最大彎矩兩者基本一致。這種情況說明前面的假設(shè)是偏于安全的。

根據(jù)Ansys的計算結(jié)果，考慮土體與管片共同作用時，內(nèi)力分布與理論計算結(jié)果類似，但內(nèi)力計算結(jié)果明顯小于理論計算結(jié)果。

6 存在問題

η彎曲剛度有效率、ω預(yù)壓軸力折減系數(shù)確尚需通過理論分析和試驗確定

7 總結(jié)

頂管作為非開挖施工技術(shù)，已成為市政基礎(chǔ)設(shè)施工程中的重要選擇。裝配式頂管可以有效解決超大直徑頂管運輸困難的問題。在日本已經(jīng)有工程成功使用了裝配式管節(jié)(內(nèi)徑3 500 mm)。

本文通過理論分析及有限元模擬解決裝配式頂管的內(nèi)力計算問題，通過兩者計算結(jié)果的比較，有限元模擬得出內(nèi)力分布與理論計算結(jié)果類似，但是內(nèi)力計算結(jié)果明顯小于理論計算結(jié)果。

但在理論計算中，彎曲剛度有效率η和預(yù)壓軸力折減系數(shù)ω的取值尚需通過理論分析及一系列的試驗確定，在下一步的工作中將對這一問題進行展開研究。

［1］ GB50332-2002,給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ 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［S］.

［3］ CECS246：2008,給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ 葛春輝.頂管設(shè)計與施工［M］.北京∶中國建筑工業(yè)出版社,2012.

［5］ 張厚美,區(qū)希,夏明耀.圓形裝配式襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)模型研究［J］.建筑結(jié)構(gòu),2001,31(5)∶ 61-64.

［6］ 李春良,王國強,劉福壽,等.盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為分析［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2011,41(6)∶1669-1672.

TU992.23

A

1009-7716(2015)08-0210-03

2015-05-14

翟之陽(1983-)，男，江蘇常州人，工程師，從事市政工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。