鋼筋混凝土頂管F型接頭改良探討

張樹(shù)俊 彭軍 任佳偉 方偉 鄭一夫

(南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 210008)

引言

在城市市政建設(shè)中，頂管法施工作為非開(kāi)挖施工方法的一種，具有占地面積少、對(duì)地面活動(dòng)影響較小、施工控制嚴(yán)格可保證交通暢通、日?；顒?dòng)正常、可減少沿線的拆遷工作量、節(jié)約資金和時(shí)間、不易破壞地下管線和構(gòu)筑物、施工噪音較小等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于市政工程管道建設(shè)中。頂管施工中常用管材有鋼管、鋼筋混凝土管等，鋼筋混凝土管因其較大的剛度和強(qiáng)度以及耐腐蝕性能得以廣泛應(yīng)用[1]。

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市管網(wǎng)呈現(xiàn)規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的趨勢(shì)和特點(diǎn)。面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)和地下空間環(huán)境，管道安全特別是管道薄弱環(huán)節(jié)接口的安全性越來(lái)越受到關(guān)注和重視，而近年來(lái)管道破損造成水土流失和道路塌陷的新聞不絕于耳，在加大施工質(zhì)量監(jiān)管的同時(shí)提高管道安全度，特別是埋深較深的大直徑管道，已經(jīng)成為城市安全的迫切需要。

F型鋼筋混凝土頂管接口憑借其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、密封較可靠、傳遞頂力較均勻、動(dòng)變角較大、現(xiàn)場(chǎng)施工較簡(jiǎn)便等特點(diǎn)在鋼筋混凝土頂管施工中廣泛使用。

針對(duì)F型接口研究較少，以往的研究關(guān)注于橡膠圈的種類、數(shù)量。例如李建勇[2]采用了雙道橡膠圈鋼筋混凝土F型接頭，在理想條件下試驗(yàn)表明能夠增加管道安全性能。呂根喜[3]對(duì)大口徑鋼筋混凝土管道接口密封性能檢驗(yàn)方法進(jìn)行了初步研究和探討，管道接口密封性能的實(shí)驗(yàn)方法尚需進(jìn)一步研究。以上分析在理想實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)鋼筋混凝土接口在實(shí)際土層中受力情況并不明確。

管道所處的地質(zhì)環(huán)境千差萬(wàn)別，很多情況下管道都是處于軟弱土層和不均勻土層中，從已敷設(shè)管道施工和使用情況來(lái)看，在施工時(shí)由于施工偏差或者使用階段外部荷載較大時(shí)，橡膠圈受損或偏移，與鋼套環(huán)直接產(chǎn)生空隙，繼而產(chǎn)生滲漏路徑。特別是在軟弱土層中，管道接頭位置破壞滲漏概率較大。對(duì)于復(fù)雜地層條件下柔性F型接頭受力情況需要進(jìn)一步研究。本文結(jié)合實(shí)例工程，該工程管道埋深較深，地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)F型接頭在不同地質(zhì)條件下的安全性進(jìn)行分析和探討。

1 工程概況

南京市某污水建設(shè)工程(圖1)總規(guī)模約15萬(wàn)m3/d。污水管道經(jīng)提升后沿道路南側(cè)非機(jī)動(dòng)車(chē)道自東向西敷設(shè)。其中重力管道管徑1.8m，長(zhǎng)度約1500m，管道覆土約6m，考慮到現(xiàn)狀施工場(chǎng)地較為狹窄，開(kāi)挖施工難度大，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析確定采用頂管施工方案，管道采用鋼筋混凝土Ⅲ級(jí)管，頂管接頭采用F型接頭。

圖1 污水工程方案Fig.1 Sewage project plan

2 工程地質(zhì)及水文條件

擬建場(chǎng)區(qū)主要位于現(xiàn)狀道路兩側(cè)，地勢(shì)起伏不大?？辈靾?chǎng)地屬河漫灘～階地相地貌單元。根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)區(qū)巖土自上而下主要為：①1層雜填土、①2層素填土、②1層粉質(zhì)粘土、②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土～粉質(zhì)粘土、②3層粉土夾粉砂、②4層粉質(zhì)粘土和③1層粉質(zhì)粘土。其中②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土～粉質(zhì)粘土：流塑狀態(tài)為主，局部軟塑，高壓縮性，開(kāi)挖自穩(wěn)性極差，為擬建場(chǎng)地中最為軟弱土層。

擬建場(chǎng)地勘探深度內(nèi)對(duì)本工程有影響的地下水為孔隙潛水，孔隙潛水主要賦存于②層土體以上淺層土的孔隙中。施工期間測(cè)得孔隙潛水地下水標(biāo)高為4.98m～12.70m，孔隙潛水地下水年變幅1.00m左右，地下水主要接受地表水、大氣降水和生活用水補(bǔ)給，以垂直蒸發(fā)和側(cè)向逕流方式排泄，按不利考慮，建議設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)年平均最高水位按地表下0.50m考慮。

3 管道施工方案

管道位于道路邊人行道下，管徑DN1800，管道埋深約為7.8m，管道施工采用頂管方案，管材采用Ⅲ級(jí)鋼筋混凝土管，管道所處地層情況如圖2所示。

圖2 頂管井及鉆孔剖面Fig.2 Pipe jacking well and drilling profile

管道接頭位于②-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土?xí)r，對(duì)F型管道接口進(jìn)行改進(jìn)，接口形式如圖3所示。改良F型接口外側(cè)設(shè)置一道橡膠圈，材料采用氯丁橡膠。內(nèi)側(cè)設(shè)置一道鋼環(huán)，內(nèi)置鋼環(huán)尺寸80mm×6mm，中心對(duì)稱布置。

4 管道計(jì)算分析

為分析F型接頭在不同土層中的受力情況，本文采用ABUQAS有限元軟件進(jìn)行分析和計(jì)算。鋼筋混凝土管道2m一節(jié)，取兩節(jié)管道為研究對(duì)象。土體尺寸為20m×20m×20m，采用八節(jié)點(diǎn)縮減積分線性實(shí)體單元。土體和橡膠采用彈性本構(gòu)模型，本模型各材料參數(shù)具體見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameter

橡膠圈與管道、松木墊與管道以及土與管道之間建立自接觸，法向設(shè)置為硬接觸，切向采用罰函數(shù)，根據(jù)材料特性設(shè)置摩擦因數(shù)分別為0.1、0.1和0.4。接口鋼環(huán)和管道之間建立綁定約束。工況如下：

工況一：周邊土體為軟弱土層，管道施工前土體沉降已基本完成，土體和管道后期沉降較小。

工況二：周邊土體為軟弱土層，管道施工前土體沉降未完成，管道頂管完成后與土體一同沉降。

工況三：周邊土體不均勻分布，管道位于土層變化位置。

分別對(duì)普通F型接口和改良型F型接口進(jìn)行有限元分析，具體結(jié)果如下。

4.1 工況一

土層前期已完成自重固結(jié)，管道施工完成后沉降較小。從圖4中可以看出，改良F型接口管道和普通F型接口管道沉降值約為0.003m，可近似認(rèn)為管道基本沒(méi)有沉降位移。

圖4 工況一管道沉降(單位：m)Fig.4 Settlement of pipe under condition 1(unit:m)

如圖5所示在同一土質(zhì)條件下，改良F型接口管道應(yīng)力大于普通F型接口，最大應(yīng)力發(fā)生在管道底部或兩側(cè)位置，應(yīng)力相差約3.3倍。鋼環(huán)應(yīng)力(圖6)較為集中，管道和鋼環(huán)協(xié)調(diào)作用明顯，更加有利于發(fā)揮鋼板材質(zhì)強(qiáng)度和剛度大的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 工況一管道應(yīng)力(單位:Pa)Fig.5 Stress of pipe under condition 1(unit:Pa)

圖6 工況一改良F型接口鋼環(huán)應(yīng)力(單位：Pa)Fig.6 Steel ring stress of improved F-joint under condition 1(unit:Pa)

如圖7所示，在同一外部條件情況下，改良F型接口橡膠圈受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通F型接口橡膠圈，由于改良F型接口整體剛度較大，荷載由剛度和強(qiáng)度較大的管道和鋼環(huán)承擔(dān)，能夠較大程度地減小外部荷載對(duì)橡膠圈的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，兩者最大應(yīng)力相差約2倍。

綜上所述，在土層自重固結(jié)基本穩(wěn)定、后期沉降基本可以忽略的情況下，改良F型接口和普通F型接口都可以滿足外部荷載作用下受力和變形的要求。值得一提的是，改良F型接口的整體性和剛度要好于普通F型接口，能夠大大減小橡膠圈受力，從而能夠增加橡膠圈的使用壽命，減小管道接口漏水失效的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 工況一橡膠圈應(yīng)力(單位：Pa)Fig.7 Stress of rubber ring under condition 1(unit:Pa)

4.2 工況二

土體未固結(jié)進(jìn)行管道施工，施工完成后管道與土體共同沉降，穩(wěn)定后沉降最大值約0.57m，從圖8中可以看到，改良F型接口管道在沉降后還是保持整體一致，不發(fā)生相對(duì)位移，而普通F型接口管道已經(jīng)發(fā)生相對(duì)位移。

圖8 工況二管道沉降(單位：m)Fig.8 Settlement of pipe under condition 2(unit:m)

如圖9所示，管道在土體發(fā)生沉降時(shí)應(yīng)力有所增大，但管道本身并未發(fā)生破壞，改良F型接口管道和普通F型接口管道應(yīng)力相差不大。改良F型接口鋼環(huán)應(yīng)力見(jiàn)圖10。普通F型接口管道由于沒(méi)有鋼環(huán)連接，管道雖然沒(méi)有破壞，橡膠圈與管道相對(duì)位移達(dá)0.45cm，接口已經(jīng)失效。

圖9 工況二管道應(yīng)力(單位：Pa)Fig.9 Stress of pipe under condition 2(unit:Pa)

圖10 工況二改良F型接口鋼環(huán)應(yīng)力(單位：Pa)Fig.10 Steel ring stress of improved F-joint under condition 2(unit:Pa)

土體沉降固結(jié)過(guò)程中，普通管道接口發(fā)生較大的錯(cuò)動(dòng)和變形，普通F型接口橡膠圈應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于改良F型接口橡膠圈應(yīng)力(圖11)。

圖11 工況二橡膠圈應(yīng)力(單位：Pa)Fig.11 Stress of rubber ring under condition 2(unit:Pa)

4.3 工況三

考慮到地質(zhì)土層不均勻，管道極有可能位于土層變化相接處，工況三模擬管道在土層變化位置的受力情況。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，如圖12所示，在不均勻地層中，普通F型接口位于良好土層和軟弱土層管道應(yīng)力和沉降相差較大，不均勻沉降造成橡膠圈應(yīng)力增加，相比工況二應(yīng)力增大約6.3倍。橡膠圈與管道相對(duì)位移達(dá)0.45cm，接口已經(jīng)失效。

改良F型接口在不均勻地層中產(chǎn)生的應(yīng)力和沉降如圖13所示，管道最大應(yīng)力和最大沉降與普通接口相當(dāng)，區(qū)別在于橡膠圈應(yīng)力和管道整體沉降變化，改良型接口能夠協(xié)調(diào)兩段管道沉降和應(yīng)力，橡膠圈應(yīng)力和變形較小，與普通接口橡膠圈應(yīng)力相差約14.9倍。鋼環(huán)應(yīng)力有所增大，如圖14所示最大為29.59MPa，增大約1.7倍，但仍遠(yuǎn)小于鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

圖12 工況三普通F型接口計(jì)算結(jié)果Fig.12 Results of general F-joint pipe under condition 3

圖13 工況三改良F型接口計(jì)算結(jié)果(單位：Pa)Fig.13 Results of improved F-joint pipe under condition 3(unit:Pa)

在軟弱土層、不均勻土層環(huán)境中，普通接口在管道本身沒(méi)有損壞的情況下已發(fā)生泄漏(圖15所示相對(duì)位移較大)，改良型接口能夠憑借鋼連接保證本身相對(duì)穩(wěn)定，能夠保持連接繼續(xù)工作。

圖15 橡膠圈和管道相對(duì)位移Fig.15 Relative displacement of rubber ring and pipeline

F接口改良增加的內(nèi)部鋼環(huán)是整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件，為此，對(duì)常用厚度尺寸鋼環(huán)進(jìn)行有限元分析并繪制影響曲線，結(jié)果如圖16所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在土體未固結(jié)情況下，應(yīng)力隨鋼環(huán)厚度增大先降后升，在壁厚為6mm時(shí)達(dá)到最低值，而在固結(jié)情況下，應(yīng)力隨鋼環(huán)厚度增大而增大，而且管徑3.0m以下都具有類似特性。綜合考慮施工要求,鋼環(huán)厚度取6mm較為經(jīng)濟(jì)合理。

圖16 鋼片厚度對(duì)橡膠圈應(yīng)力的影響Fig.16 The influence of steel thickness on the stress of rubber ring

5 結(jié)論與建議

1．改良F型接口整體剛度和強(qiáng)度較大，能夠承受大部分外荷載作用，很大程度上減小對(duì)橡膠圈的作用，與普通F型接口相比,其橡膠圈應(yīng)力可減少2倍以上，在不均勻地層中，可減少10倍以上。鋼筋混凝土管道接口是管道的薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)F型接口進(jìn)行改良能夠有效提高管道接口的剛度和整體性能。

2．普通F型接口對(duì)土體沉降較為敏感，當(dāng)沉降較大時(shí)管道接口往往已經(jīng)失效(橡膠圈與管道發(fā)生相對(duì)遠(yuǎn)向位移)，而管道本身并沒(méi)有破壞甚至是遠(yuǎn)遠(yuǎn)還沒(méi)達(dá)到破壞的程度。改良F型接口對(duì)于管道整體性較為有利，在土體沉降發(fā)生時(shí)，能夠保證管道接口的安全并持續(xù)發(fā)揮管道功能。

3．鋼環(huán)厚度選取應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力情況，通過(guò)有限元計(jì)算和考慮施工焊接最小厚度要求，厚度取6mm時(shí)較為經(jīng)濟(jì)。

4．改良型接口由于需要頂管完成后焊接鋼板，對(duì)施工要求比較高，適用于管道位于軟弱土層中且管徑大于1500mm的鋼筋混凝土管。

5．管道工程特別是埋深較深的管道應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，提高管道應(yīng)急處理能力和抵抗自然災(zāi)害能力，避免發(fā)生管道泄漏影響周邊造成過(guò)大經(jīng)濟(jì)損失，為智慧城市的發(fā)展增添一份助力。