淺談鋼制波紋管綜合管溝在市政道路工程中的應(yīng)用

董曉璐

摘要：現(xiàn)如今，我國的經(jīng)濟(jì)在迅猛發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，文章為了研究管幕結(jié)構(gòu)對箱涵頂進(jìn)過程地表沉降的影響，以及箱涵頂進(jìn)過程反力墻的位移變形，使用有限差分軟件建立了箱涵頂進(jìn)無管幕和有管幕兩種工況的三維數(shù)值模型，建立了始發(fā)井反力墻結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型。經(jīng)過數(shù)值計(jì)算，研究結(jié)果顯示：有管幕的情況下進(jìn)行軟土淺埋箱涵頂進(jìn)施工可以顯著減少箱涵上方土體的變形;管幕可以為箱涵分擔(dān)70%的土層壓力，可以減少矩形箱涵直角處的拉應(yīng)力;反力墻鋼板，頂進(jìn)底板，鉆孔灌注樁等結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)變形。研究結(jié)果可為今后管幕箱涵頂進(jìn)工程提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：城市下穿隧道;反力墻;管幕箱涵法

引言

介紹了國外鋼質(zhì)波紋管制造和應(yīng)用情況，對比分析了目前我國鋼質(zhì)波紋管制造和應(yīng)用領(lǐng)域存在的主要問題是缺少原材料、制造工藝和裝備水平低、生產(chǎn)污染大、產(chǎn)品品種少、應(yīng)用面窄、應(yīng)用研究和標(biāo)準(zhǔn)滯后等問題，并預(yù)測我國鋼質(zhì)波紋管需求將隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)擴(kuò)張、勞動(dòng)力成本上升以及環(huán)保意識(shí)提高而大幅增長，倒逼鋼制波紋管制造工藝裝備水平不斷進(jìn)步，并帶來鋅層厚度600g/m2以上的熱軋鍍鋅鋼板需求增長。有關(guān)鋼廠應(yīng)當(dāng)盡快填補(bǔ)這一空白。新建或改造原有鍍鋅線，制定產(chǎn)品規(guī)范，填補(bǔ)空白。

1適用范圍

波紋管涵是將薄鋼板壓成螺旋波紋鋼圓管（HCSP）、環(huán)形波紋鋼圓管（ACSP）、波紋剛板（CSPS）后，再通過連接件連接，修建成的涵洞稱為鋼制波紋管涵，可以拼裝成圓形、橢圓形等多種形狀。鋼制波紋管結(jié)構(gòu)物在道路通道涵洞、跨河橋梁、隧道內(nèi)襯、隧道明洞、傍山路防滑石護(hù)洞等均有應(yīng)用。一般下列條件宜優(yōu)先考慮使用波紋管涵：（1）基承載力較低地區(qū)。鋼制波紋管涵是一種特殊結(jié)構(gòu)形式，鋼制波紋管在結(jié)構(gòu)上具有橫向補(bǔ)償位移的特性，有抗變形能力和抗沉降能力，特別適合于軟土、膨脹土、濕降性黃土等地基承載力較低地區(qū)。（2）臨時(shí)性工程。鋼制波紋管涵施工簡單，施工工期短，適用于應(yīng)急搶險(xiǎn)、救災(zāi)等需快速完成的臨時(shí)性工程。（3）生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)。鋼制波紋管涵施工時(shí)對環(huán)境的破壞小，適用于生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)。（4）建筑材料缺乏地區(qū)。鋼制波紋管涵施工只需對基礎(chǔ)和進(jìn)出口進(jìn)行處理，砂、石、水泥等材料用量較小。（5）寒冷、高原地區(qū)。鋼制波紋管代替鋼筋混凝土進(jìn)行涵洞施工有利于解決北方寒冷、多年凍土地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞問題，適用于高原地區(qū)。

2淺談鋼制波紋管綜合管溝在市政道路工程中的應(yīng)用

2.1鋼波紋管涵施工工藝流程

工藝流程為：施工前準(zhǔn)備→施工放樣→開挖涵管基坑→平整場地→基礎(chǔ)分層回填→檢測壓實(shí)度、含水量等→水準(zhǔn)測量→平整場地→施工放樣→拼裝管節(jié)→檢測水密情況及管底縱坡→檢測并補(bǔ)救防腐涂層→涵管就位→兩側(cè)分層回填→檢測壓實(shí)度、含水量等→管頂分層回填→檢測壓實(shí)度、含水量等→進(jìn)出口處理。

2.2數(shù)值模型的建立及計(jì)算假定

本文采用有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件Flac3D模擬管幕施工、箱涵頂進(jìn)過程，以分析施工期間及完工后路面穩(wěn)定性。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際尺寸情況，結(jié)合數(shù)值模擬邊界效應(yīng)的影響，三維數(shù)值模型長55m，寬24m，高32m，如圖6、圖7所示，區(qū)別在于前者頂進(jìn)過程沒有管幕結(jié)構(gòu)對土層進(jìn)行加固，后者相反。針對本項(xiàng)目，參考其他類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行如下假定：（1）土體為均勻的各向同性彈塑性體，采用3維8結(jié)點(diǎn)等參塊體單元模擬。（2）頂管正面推力為圓形均布荷載。（3）地層損失沿管道軸向均勻分布。（4）由于僅考慮土層受到的附加變形及應(yīng)力，計(jì)算中不考慮土體自重產(chǎn)生的變形和應(yīng)力。（5）頂管推進(jìn)過程中不考慮土體時(shí)間效應(yīng)，只考慮頂進(jìn)空間距離的變化。（6）由于頂管機(jī)頭和襯砌的剛度遠(yuǎn)大于土體剛度以及彈性體位移連續(xù)性的要求，不考慮實(shí)際的頂管機(jī)頭和襯砌，而以力、位移和邊界條件來模擬。（7）由于管幕采用F型接頭彼此連接緊密且內(nèi)部注漿，采用實(shí)體單元模擬管幕。

2.3基于有限元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及流程

由于鋼波紋管為薄殼結(jié)構(gòu)，關(guān)于其結(jié)構(gòu)計(jì)算方法均是基于“環(huán)向壓力理論”進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，因此國外現(xiàn)行的計(jì)算方法為容許應(yīng)力法（美國AISI結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法）和極限狀態(tài)法（如加拿大道路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范），而國內(nèi)關(guān)于鋼波紋管結(jié)構(gòu)研究起步較晚，在設(shè)計(jì)時(shí)多借鑒國外設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。容許應(yīng)力方法主要是通過加強(qiáng)的安全系數(shù)對鋼波紋管結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，確保其在鋼材的允許應(yīng)力值范圍內(nèi)，同時(shí)采用柔度系數(shù)對鋼波紋管施工時(shí)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行規(guī)定，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，該方法在美國等國家進(jìn)行了大量的應(yīng)用，積累了大量經(jīng)驗(yàn)。極限狀態(tài)法是由美國和加拿大學(xué)者在容許應(yīng)力法基礎(chǔ)上提出來的，該方法在美國和加拿大道路橋涵結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了應(yīng)用，在應(yīng)用的同時(shí)對該方法不足之處進(jìn)行了多次改進(jìn)，極限狀態(tài)法的優(yōu)勢在于考慮了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同工作狀態(tài)，規(guī)定了承載能力、正常使用、疲勞極限等極限狀態(tài)。以上兩種現(xiàn)有鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)計(jì)算方法都是考慮了孔徑及外力因素，對鋼波紋管結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，但不足之處是并未考慮波形的具體尺寸對鋼波紋管受力的影響（尤其是波形差別較大，如最小波形68mm×13mm和最大波形400mm×150mm其計(jì)算結(jié)果也偏差較大），忽略了鋼波紋管自身的結(jié)構(gòu)形式對受力的影響。

2.4鋼質(zhì)波紋管需求量將會(huì)大幅增加

根據(jù)國外發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)律，隨著我國鋼制波紋管相關(guān)應(yīng)用研究和各行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不斷完善，未來鋼制波紋管需求將大幅增長，其主要影響因素有：（1）大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)拉動(dòng)內(nèi)需，帶來道路、鐵路、水利等鋼質(zhì)波紋管傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的“剛性需求”;（2）應(yīng)用技術(shù)日漸成熟帶來的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，如國外已普遍應(yīng)用的各種工業(yè)項(xiàng)目的內(nèi)部管網(wǎng)、礦山、倉儲(chǔ)、水利設(shè)施等領(lǐng)域;（3）勞動(dòng)力成本和傳統(tǒng)建筑材料成本上升將提高鋼質(zhì)波紋管的競爭優(yōu)勢;（4）環(huán)保意識(shí)和水土保持提高帶來更加廣泛的應(yīng)用。其中，環(huán)保政策的從嚴(yán)使波紋管對水泥、混凝土制管的替代性加強(qiáng)，而隨著我國治理城市內(nèi)澇對相關(guān)污水設(shè)計(jì)、排水設(shè)計(jì)以及水土保持標(biāo)準(zhǔn)的提高，將帶來巨大的市政工程改造需求。

結(jié)語

本文利用有限差分軟件建立了三維數(shù)值模型，按照設(shè)計(jì)給定參數(shù)模擬了箱涵頂進(jìn)法有無管幕兩種工況，模擬了依托人工填土構(gòu)筑的始發(fā)井反力墻結(jié)構(gòu)。得到的結(jié)果表示：（1）有管幕的情況下進(jìn)行軟土淺埋箱涵頂進(jìn)施工可以顯著減少箱涵上方土體的變形;沒有管幕的情況下，地表沉降大多為4cm，甚至7cm，有管幕支持下，地表的沉降最多為3mm，效果顯著。（2）管幕可以為箱涵分擔(dān)70%的土層壓力，可以減少矩形箱涵直角處的拉應(yīng)力。（3）人工填土構(gòu)成的反力墻結(jié)構(gòu)可以為頂管機(jī)提供支撐。在頂進(jìn)箱涵的過程中，由于土體被擠壓，回填土?xí)l(fā)生一定的沉降，約2cm。反力墻鋼板，頂進(jìn)底板，鉆孔灌注樁會(huì)發(fā)生整體逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)變形（沿y向）。模型中線灌注樁的變形大于邊緣灌注樁，靠近始發(fā)井一排灌注樁變形大于遠(yuǎn)離始發(fā)井一排。灌注樁發(fā)生的位移最大為8.8mm。

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