拱北隧道曲線鋼頂管接頭橡膠圈結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究

張 鵬，曾 聰，王道偉，黎 軒，馬保松

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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拱北隧道曲線鋼頂管接頭橡膠圈結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究

張 鵬，曾 聰，王道偉，黎 軒，馬保松*

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

曲線鋼頂管技術(shù)是給水工程和隧道支護(hù)工程中新的非開(kāi)挖施工技術(shù)，其管節(jié)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)混凝土頂管管節(jié)結(jié)構(gòu)差別較大，但目前設(shè)計(jì)和施工缺乏理論依據(jù)和參考規(guī)范。為優(yōu)化拱北隧道曲線鋼頂管施工中采用的接頭橡膠圈結(jié)構(gòu)，采用ABAQUS有限元軟件，建立接頭安裝模型，研究?jī)?yōu)化前后橡膠圈應(yīng)力、接觸壓力和接頭安裝力的變化規(guī)律。結(jié)果表明：優(yōu)化后的橡膠圈應(yīng)力和接頭安裝力明顯減小，且接觸壓力大于0.3 MPa，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工密封的要求，證明優(yōu)化后的接頭更加合理可靠。

拱北隧道；曲線鋼頂管；鷹嘴橡膠圈；承插口接頭

0 引言

鋼頂管具有強(qiáng)度高、承壓性好、質(zhì)量輕以及與周圍土體摩擦因數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于供水頂管工程中，我國(guó)也已將該技術(shù)納入《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[1]。目前，我國(guó)單次頂進(jìn)距離超過(guò)1 000 m的鋼頂管達(dá)十余條，頂管最大直徑超過(guò)4 000 mm，并呈現(xiàn)出大直徑、長(zhǎng)距離和曲線化的發(fā)展趨勢(shì)。在此技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)創(chuàng)新性地將曲線鋼頂管應(yīng)用于國(guó)內(nèi)首條曲線管幕隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，但由于鋼管壁很薄，相對(duì)于混凝土管穩(wěn)定性差，容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)。因此，鋼頂管目前多用于直線頂管施工中，管節(jié)接頭采用焊接形式。

為實(shí)現(xiàn)鋼管曲線頂進(jìn)，相關(guān)學(xué)者參考混凝土管接頭，提出了曲線頂管鋼管節(jié)技術(shù)。管身采用鋼板卷制焊接，并在兩端焊接法蘭和縱向勁板，形成承插式接頭，然后通過(guò)螺栓連接限制管節(jié)偏角，保證鋼管曲線頂進(jìn)，而且在上海青草沙嚴(yán)橋支線工程中得到成功應(yīng)用[2]。然而，相比結(jié)構(gòu)已經(jīng)系列化、可依據(jù)《頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土排水管》[3]規(guī)范選取的混凝土頂管，曲線鋼頂管管節(jié)結(jié)構(gòu)尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，限制了管節(jié)加工工藝和曲線鋼頂管施工技術(shù)的發(fā)展，因而無(wú)法得到推廣應(yīng)用。雖然目前已有曲線鋼頂管成功應(yīng)用的工程案例，但接頭結(jié)構(gòu)均參考混凝土管承插接口，使用的楔形橡膠圈結(jié)構(gòu)和尺寸也與其類似，接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往依靠經(jīng)驗(yàn)。盡管一些學(xué)者對(duì)管節(jié)接頭偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下的密封性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試[4-10]，但密封性能否滿足施工要求以及接頭結(jié)構(gòu)是否合理仍然缺乏詳細(xì)的研究，并且主要集中于鋼筋混凝土管，加之密封試驗(yàn)裝置往往造價(jià)高，試驗(yàn)投入大，且無(wú)法對(duì)不同尺寸的管節(jié)進(jìn)行測(cè)試，不能為不同施工環(huán)境和管徑的曲線鋼頂管工程提供理論依據(jù)。

本文以拱北隧道管幕工程中的曲線鋼頂管為例，采用ABAQUS有限元軟件建立鋼頂管管節(jié)接頭數(shù)值模型，模擬優(yōu)化前后接頭的安裝過(guò)程，分析接頭橡膠圈的應(yīng)力、接觸壓力和安裝力，為曲線鋼頂管接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程概況

目前在建的港珠澳大橋拱北隧道首次采用曲線頂管管幕+水平凍結(jié)法施工，隧道全長(zhǎng)255 m，采用上下疊層穿越拱北口岸[11-13]。管幕橫斷面布置如圖1所示。隧道上部平均埋深4～5 m，底部埋深接近30 m，由36根直徑為1 620 mm的鋼管組成(不包含0號(hào)試驗(yàn)管)，管間距為355～358 mm。鋼管全部采用曲線頂管技術(shù)施工，其軌跡形為88 m緩和曲線與167 m圓曲線組成，平均曲率半徑約為890 m，相鄰管節(jié)最大偏角為0.26°。

圖1 管幕橫斷面布置(單位：m)

管節(jié)接頭為F型承插接口，并安裝2道鷹嘴橡膠密封圈，如圖2所示。施工場(chǎng)地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越地層為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉土等軟土以及中粗砂等易流失地層，且地下水壓高，底部管道周圍地下水位接近30 m。因此，無(wú)論是復(fù)雜的曲線軌跡，還是高水壓軟土地層，都對(duì)頂管管節(jié)接頭的結(jié)構(gòu)提出較高的要求，要求管節(jié)不僅能靈活偏轉(zhuǎn)，而且要在高水壓條件下具有良好的密封性。

2 鋼頂管接頭結(jié)構(gòu)

本工程曲線頂管采用的鋼管節(jié)壁厚分為2種，以隧道中板為界，頂部17根頂管采用20 mm厚鋼板卷制焊接而成，底部19根頂管壁厚增加到24 mm，單根長(zhǎng)度為4 m。接頭采用F型承插口，通過(guò)在管端焊接20 mm厚法蘭和40塊20 mm厚縱向勁板形成承口和插口，以增強(qiáng)管節(jié)接頭的剛度，為適應(yīng)管節(jié)偏轉(zhuǎn)的需要，管節(jié)之間采用M33限位螺栓進(jìn)行連接。為了提高接頭受力的均勻性，同時(shí)保持管節(jié)之間的開(kāi)口度，在承口與插口法蘭之間設(shè)置20 mm厚的木質(zhì)墊塊。為了滿足高水壓條件下頂管密封施工的要求，接頭處安裝2道鷹嘴橡膠圈。

圖2 F型接頭結(jié)構(gòu)

管節(jié)接頭優(yōu)化后結(jié)構(gòu)和初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相類似，均為圖2所示的F型承插口+2道鷹嘴橡膠圈。但由于初始設(shè)計(jì)承插口間隙選取較小，僅為3 mm，加之采用體積較大的鷹嘴橡膠圈(如圖3(a)所示)，前期管節(jié)試安裝時(shí)，出現(xiàn)了橡膠圈安裝不到位，管節(jié)安裝所需的力較大，甚至發(fā)生橡膠圈破壞的情況，說(shuō)明管節(jié)接頭結(jié)構(gòu)和橡膠圈形狀選擇不合理，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為便于管節(jié)安裝，優(yōu)化后接頭承插口間隙增加到5 mm，同時(shí)為防止橡膠圈因壓縮變形過(guò)大發(fā)生破壞，將原橡膠圈較厚的一側(cè)中間部位切除，形成圖3(b)所示的鷹嘴橡膠圈。下文將對(duì)優(yōu)化前后的管節(jié)接頭和橡膠圈建模，模擬管節(jié)安裝過(guò)程，分析其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性。

(a) 初始設(shè)計(jì)

(b) 優(yōu)化后

3 數(shù)值模擬

3.1 接頭數(shù)值模型

由于橡膠為不可壓縮材料，會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的材料非線性和幾何非線性，本構(gòu)模型選用超彈性材料。目前廣泛使用Mooney-Rivlin應(yīng)變能函數(shù)[14]

(1)

式中：W為應(yīng)變能函數(shù)；Cij為Rivlin系數(shù)；I1、I2分別為第1和第2 Green應(yīng)變不變量。

ABAQUS軟件中采用3個(gè)參數(shù)的Mooney-Rivlin模型表達(dá)

(2)

式中：C01、C10和D1是與溫度有關(guān)的材料參數(shù)；Jel為彈性體積比。

優(yōu)化前后接頭數(shù)值模型如圖4所示。其中：承插口材料為Q235鋼材，橡膠圈材料為邵氏硬度A為42的氯丁橡膠。考慮到鋼材彈性模量遠(yuǎn)高于橡膠，其內(nèi)力和變形可忽略不計(jì)，為簡(jiǎn)化模型可將承插口等效為解析剛體。ABAQUS中剛體邊界條件通過(guò)參考點(diǎn)控制施加，承口邊界條件施加到參考點(diǎn)RP1上，同理，插口邊界條件施加到參考點(diǎn)RP2上。

(a) 初始設(shè)計(jì)

(b) 優(yōu)化后

Fig.4 Numerical model diagrams of pipe-joint before and after optimization (mm)

根據(jù)文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]中的橡膠材料參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，由橡膠圈的硬度可確定其材料力學(xué)參數(shù)，如表1所示。網(wǎng)格采用減縮積分的一階平面應(yīng)變單元(CPE4R) 來(lái)模擬。邊界條件設(shè)置為插口約束RP2所有自由度、承口只約束RP1豎向位移。為模擬橡膠圈與承插口的接觸特性，需要在承插口各面與橡膠圈各面之間建立接觸關(guān)系，并且對(duì)橡膠圈各面建立自接觸。承插口與橡膠圈法向接觸屬性設(shè)置為硬接觸，考慮到接頭安裝過(guò)程涂抹潤(rùn)滑油，橡膠圈與接頭切向摩擦因數(shù)取0.1，為防止接觸面互相穿透，主面和從面間過(guò)盈間隙取0.01。通過(guò)對(duì)承口參考點(diǎn)RP1施加水平向右的位移來(lái)模擬管節(jié)安裝過(guò)程。

表1 鷹嘴橡膠圈參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在對(duì)初始設(shè)計(jì)接頭進(jìn)行模擬時(shí)，由于承插口間隙僅為3 mm，橡膠圈壓縮變形過(guò)大，模擬過(guò)程不收斂，也說(shuō)明了接頭初始設(shè)計(jì)不合理。在初始接頭模型的基礎(chǔ)上，承插口間隙增加到4 mm，模擬仍然無(wú)法收斂，當(dāng)間隙達(dá)到5 mm后才得到合理的模擬結(jié)果；因此，在分析接頭安裝力、橡膠圈接觸壓力和橡膠圈應(yīng)力時(shí)，以初始接頭在5 mm 間隙下的結(jié)果與優(yōu)化后接頭的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2.1 管節(jié)安裝力分析

管節(jié)接頭優(yōu)化前后單位長(zhǎng)度安裝力隨安裝長(zhǎng)度的變化曲線如圖5所示。初始設(shè)計(jì)接頭單道橡膠圈在安裝過(guò)程中安裝力先增大后減小，但優(yōu)化后的接頭安裝力先增大后略微減小，然后繼續(xù)增大。兩者安裝力均在橡膠圈安裝完成后穩(wěn)定，且第2道橡膠圈所需的安裝力大于第1道橡膠圈。

(a) 初始設(shè)計(jì)(5 mm間隙)

(b) 優(yōu)化后

Fig.5 Variation curves of installation force per millimeter of pipe-joint before and after optimization

由圖5(a)可知：即使初始設(shè)計(jì)接頭承插口間隙增加為5 mm，第1道橡膠圈安裝單位長(zhǎng)度上最大安裝力達(dá)到6.67 N/mm，第2道橡膠圈最大安裝力達(dá)到10.22 N/mm，而在3 mm間隙條件下，由于將其安裝在更小的間隙中，橡膠圈體積壓縮更大，所需的安裝力也會(huì)更大；由圖5(b)可知:優(yōu)化后接頭安裝時(shí)最大安裝力分別降低到3.02 N/mm和6.04 N/mm，減小為初始設(shè)計(jì)接頭安裝力的45.3%和59.1%，說(shuō)明優(yōu)化后的接頭結(jié)構(gòu)合理，便于管節(jié)安裝，避免了安裝力過(guò)大導(dǎo)致橡膠圈破壞的現(xiàn)象。

3.2.2 橡膠圈應(yīng)力分析

優(yōu)化前后接頭橡膠圈的應(yīng)力分布如圖6所示。鷹嘴橡膠圈唇口部位和頂部與接頭接觸區(qū)域均存在應(yīng)力集中。初始設(shè)計(jì)的接頭橡膠圈在插口間隙增加到5 mm 時(shí)，最大拉應(yīng)力為2.325 MPa，而在3 mm間隙下橡膠圈應(yīng)力會(huì)更大，現(xiàn)場(chǎng)試安裝過(guò)程中出現(xiàn)了失效破壞的現(xiàn)象，說(shuō)明其應(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力；優(yōu)化后橡膠圈最大拉應(yīng)力僅為1.097 MPa，約為初始設(shè)計(jì)接頭橡膠圈的一半，且應(yīng)力集中區(qū)域明顯減小，同樣表明優(yōu)化后的鷹嘴橡膠圈結(jié)構(gòu)合理，安裝過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)橡膠圈破壞的現(xiàn)象。

(a) 初始設(shè)計(jì)(5 mm間隙)

(b) 優(yōu)化后

Fig.6 Nephograms of stress distribution of rubber ring before and after optimization (MPa)

3.2.3 橡膠圈接觸壓力分析

鷹嘴橡膠圈屬于自緊式結(jié)構(gòu)，其密封原理為：接頭安裝使橡膠圈產(chǎn)生壓縮變形，并在接觸面上產(chǎn)生接觸壓力，當(dāng)接頭位于地下水位以下時(shí)，水壓力作用在橡膠圈唇口使其張開(kāi)，從而增大接觸壓力，起到加強(qiáng)密封的效果。目前，通常認(rèn)為在最大接觸壓力大于介質(zhì)壓力時(shí)，橡膠圈的密封性是可靠的，或者在接觸壓力產(chǎn)生的密封摩阻力大于介質(zhì)壓力時(shí)，橡膠圈密封也不會(huì)失效。

接頭優(yōu)化前后橡膠圈的接觸壓力分布如圖7所示。由于橡膠圈局部區(qū)域接觸壓力集中，優(yōu)化前后最大接觸壓力分別為5.35 MPa和1.08 MPa。但橡膠圈接觸壓力主要分布在頂部和底部，這2個(gè)面上的接觸壓力決定了橡膠圈的密封性。接頭優(yōu)化前后橡膠圈頂面和底面接觸壓力曲線如圖8所示。頂部接觸長(zhǎng)度大于底部接觸長(zhǎng)度。初始設(shè)計(jì)接頭橡膠圈在5 mm承插口間隙條件下，底部最大接觸壓力略大于頂部，達(dá)到2.05 MPa，優(yōu)化后接頭鷹嘴橡膠圈最大接觸壓力出現(xiàn)在頂部為1.08 MPa，這是由于初始設(shè)計(jì)鷹嘴橡膠圈體積較大，在相同承插口間隙條件下，壓縮變形較優(yōu)化后大，接觸壓力相應(yīng)也較大，但兩者最大接觸壓力均大于現(xiàn)場(chǎng)0.3 MPa施工水壓力密封的要求，證明優(yōu)化后接頭橡膠圈的密封性可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的需要。由文獻(xiàn)[16]接頭室內(nèi)密封試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工情況可知，優(yōu)化后曲線頂管接頭未出現(xiàn)明顯泄漏，也證明其結(jié)構(gòu)合理。

(a) 初始設(shè)計(jì)(5 mm間隙)

(b) 優(yōu)化后

Fig.7 Nephograms of contact pressure of rubber ring before and after optimization (MPa)

4 結(jié)論與討論

1)管節(jié)接頭單位長(zhǎng)度安裝力隨著橡膠圈數(shù)量的增加而增大，初始設(shè)計(jì)接頭單道橡膠圈的安裝力表現(xiàn)為先增大后減小，優(yōu)化后接頭安裝力表現(xiàn)為波動(dòng)持續(xù)增加的規(guī)律。優(yōu)化后的接頭單位長(zhǎng)度安裝力約為初始設(shè)計(jì)的一半，便于管節(jié)連接，說(shuō)明優(yōu)化后的接頭橡膠圈結(jié)構(gòu)更加合理。

2)由于初始設(shè)計(jì)采用的鷹嘴橡膠圈體積較大，在相同承插口間隙條件下壓縮變形更大，雖然接觸壓力增大，密封性更好，但會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力使得橡膠圈發(fā)生破壞；優(yōu)化后的鷹嘴橡膠圈由于去除了容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，雖然接觸壓力有所下降，導(dǎo)致密封性能減弱，但避免了過(guò)大的應(yīng)力集中，橡膠圈安裝過(guò)程不會(huì)發(fā)生破壞，且也滿足現(xiàn)場(chǎng)0.3 MPa的壓力要求，同樣證明優(yōu)化后的橡膠圈結(jié)構(gòu)合理。

(a) 初始設(shè)計(jì)(5 mm 間隙)

(b) 優(yōu)化后

Fig.8 Variation curves of contact pressure of rubber ring before and after optimization

3)鷹嘴橡膠圈的唇口在水壓作用下與承插口接觸更加緊密，水壓力具有增強(qiáng)密封的效果，而且曲線頂管接頭在偏轉(zhuǎn)過(guò)程中，會(huì)引起橡膠圈不均勻壓縮，也會(huì)對(duì)其密封性產(chǎn)生影響。因此，水壓力和接頭偏轉(zhuǎn)對(duì)橡膠圈密封性的影響有待進(jìn)一步研究。

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Study of Numerical Simulation of Rubber Ring of Curved Steel Pipe Jacking Joints of Gongbei Tunnel

ZHANG Peng,ZENG Cong,WANG Daowei,LI Xuan,MA Baosong*

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,Hubei,China)

The curved steel pipe jacking technology,of which the pipe structure is greatly different from that of traditional reinforced concrete pipe jacking,is a new trenchless technology for water supply projects and tunnel support.There is not reliable design and construction standard for curved steel pipe jacking nowadays.The pipe-joint model of curved steel pipe jacking is established by ABAQUS software so as to optimize the structure of rubber ring used in Gongbei Tunnel.The stress and contact pressure of rubber ring and installation force of pipe-joint before and after optimization are studied.The analytical results show that the stress of rubber ring and installation force of pipe-joint reduce obviously after optimization; and the contact pressure of optimized rubber is larger than 0.3 MPa; the optimized rubber ring is rational.

Gongbei Tunnel; curved steel pipe jacking; aquiline rubber ring; spigot and socket joint

2016-01-06;

2016-03-09

張鵬(1988—)，男，山西大同人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)工程專業(yè)在讀博士，主要研究方向?yàn)轫敼艿确情_(kāi)挖技術(shù)和理論。E-mail：cugpengzhang@163.com。*通訊作者：馬保松，E-mail：mabaosong@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.010

U 45

A

1672-741X(2016)10-1226-06