大直徑“F”型頂管接口變形安全限值研究

葉冠林， 卞 榮， 張 琪， 潘 上， 林天翔

(1. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院， 上海 200240； 2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院， 浙江 杭州 310012)

0 引言

現(xiàn)代化城市用電需求巨大，充足穩(wěn)定的電力供應(yīng)是保證生產(chǎn)生活順利進行的必要條件。地下電力隧道作為電力傳輸?shù)闹匾ǖ?，其能否正常工作關(guān)系到城市用電安全。近年來隨著城市的擴張和改建，已建電力隧道周邊不斷涌現(xiàn)新工程[1-3]。因此，電力隧道亟需建立相應(yīng)的保護標準。

與地鐵隧道相比，電力隧道具有以下獨特性： 1)多采用頂管法施工，最大直徑為4～5 m，小于地鐵隧道。國內(nèi)新建的電力隧道多為采用“F”型接口的承插式頂管隧道，其轉(zhuǎn)向能力強，但整體剛度小，抗擾動能力較差[4]。2)內(nèi)部照明條件差加上高壓電纜發(fā)熱引起的高溫(常年30 ℃以上)，使得安全隱患難以發(fā)現(xiàn)。這些獨特性使得電力隧道不宜照搬地鐵隧道的保護標準。

頂管隧道管節(jié)接口變形安全限值用相鄰管節(jié)之間的最大允許張角和相對位移(管節(jié)兩端相對豎向位移)來表征，最大允許張角的值在頂管隧道的施工階段和使用階段并不相同。國家規(guī)范(或規(guī)程)[5-6]要求施工階段張角一般不超過0.3°，若采取額外加固措施也不應(yīng)超過0.5°； 對頂管在使用階段的最大允許張角的規(guī)定較少，僅在《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[7]中規(guī)定其不小于0.5°。衛(wèi)珍[8]介紹了玻璃鋼夾砂管雙“F”型接口的結(jié)構(gòu)特點，用有限元進行接口強度分析，并進行了室內(nèi)試驗； 結(jié)果表明，內(nèi)徑為2.3 m的玻璃鋼夾砂管接口處能承受約1.3°張角而不引起結(jié)構(gòu)破壞，但該研究僅限于特殊的雙“F” 型接口玻璃鋼夾砂管。毛南平[9]從頂管的構(gòu)造出發(fā)，提出了使用階段的相鄰管節(jié)位移模式，以及管節(jié)位移引起的接口止水失效類型，并計算了頂管隧道的允許位移。朱合華等[10]對上海某內(nèi)徑為2.4 m的鋼筋混凝土頂管施工過程進行了幾何分析和有限元數(shù)值分析，結(jié)果表明采用梁-接口不連續(xù)模型的數(shù)值分析結(jié)果與工程監(jiān)測值接近?？傮w而言，既有研究大多依托某一工程實例，缺乏普遍性； 而且針對使用階段頂管變形的研究很少。本文研究大直徑(外徑超過2.0 m)“F”型承插式頂管隧道在正常使用階段不發(fā)生止水失效的變形安全限值，這是因為發(fā)生止水失效破壞要先于結(jié)構(gòu)破壞，是頂管3種破壞(防水、變形、承載力)的第1道防線，有利于保證隧道安全[11-12]。

本文在分析多個實際頂管工程案例的基礎(chǔ)上，參考國家和行業(yè)標準，建立相鄰管節(jié)位移幾何關(guān)系，分析管節(jié)允許最大張角及位移，以期為電力頂管隧道保護標準的制定提供參考。

1 典型電力頂管隧道設(shè)計參數(shù)統(tǒng)計

通過對福建、江西、浙江3個電力勘察設(shè)計院頂管工程設(shè)計實例細部尺寸進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)： 外徑超過2.4 m的大直徑頂管隧道管節(jié)間均采用“F”型承插口，管節(jié)外徑為2.4～4.14 m，徑厚比為11～12； 頂管前節(jié)管節(jié)尾端(承口)設(shè)鋼套筒，后節(jié)管節(jié)前端(插口)根據(jù)工程需要設(shè)置1～2道楔形橡膠圈。代表性工程及相關(guān)參數(shù)見表1—3。

表1 福建省電力勘測設(shè)計研究院工程實例

表2 江西省電力勘測設(shè)計研究院工程實例

表3 浙江省電力勘測設(shè)計研究院工程實例

2 承插式頂管接口構(gòu)造與破壞模式

頂管隧道通常由相同長度的預制管節(jié)承接而成。預制管節(jié)本身剛度較大，但相鄰兩管節(jié)接口處剛度較小，接口止水失效會先于結(jié)構(gòu)性破壞發(fā)生，并且由于在隧道中鋪設(shè)有電纜管線，對接口處抗?jié)B漏性要求較高。采用單圈與雙圈橡膠止水的頂管接口處構(gòu)造有所不同，接口構(gòu)造詳圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 單圈橡膠止水頂管隧道接口處構(gòu)造詳圖

1—5為止水失效關(guān)鍵點。

近年來有多處頂管隧道受鄰近施工影響導致破壞的案例。例如： 福建某電力頂管隧道受鄰近堆載擾動影響，導致隧道局部隆起，引發(fā)該段隧道不同程度的漏水和結(jié)構(gòu)性破壞； 武漢某電力隧道受鄰近高架橋樁基施工影響，導致隧道發(fā)生滲漏，內(nèi)部嚴重積水； 重慶某電力隧道受地表堆載和降雨影響，發(fā)生局部沉降，導致結(jié)構(gòu)性破壞。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著頂管隧道發(fā)生不同程度變形，漏水最先發(fā)生在管節(jié)接口處，且漏水處的楔形橡膠圈均有不同程度的損壞或松弛情況。位于重慶的受損電力隧道有一部分裸露在地表，還能觀察到鋼套環(huán)與鋼筋混凝土管壁擠壓碰撞導致密封性喪失，進而發(fā)生漏水。

結(jié)合以上調(diào)研情況和以往工程經(jīng)驗，將頂管管節(jié)接口處止水失效的關(guān)鍵點歸納為如圖2所示的5處(點1—5)，并總結(jié)接口止水失效原因，主要有以下4種：

1)接口處承管鋼套環(huán)與接管鋼筋混凝土管壁擠壓破壞，接觸點為圖2中點5。本研究不考慮鋼套環(huán)與鋼筋混凝土管壁的彈塑性，認為二者一接觸即破壞，這樣的結(jié)果是偏于安全的。

2)2道止水橡膠帶均失效引起滲漏。包括2種失效類型，第1種是橡膠被擠壓過度導致失效，接觸點可以認為是圖2中點1、點3； 第2種是鋼套環(huán)與橡膠止水帶脫離或松弛，導致對橡膠的壓力低于頂管周圍靜水壓力而發(fā)生滲漏，失效點為圖2中點2、點4。

3)接口的承管與接管脫開，導致止水環(huán)脫出鋼套環(huán)保護范圍引起大量滲漏。

4)前后管節(jié)間壓力過大將襯墊過度壓縮破壞。這種失效類型發(fā)生的可能性較低并且是可控的，因為襯墊被2道橡膠止水保護在內(nèi)部，很難先于橡膠、鋼套環(huán)破壞，且襯墊的材料與厚度均有較大自主調(diào)節(jié)性。因此，本文主要考慮前3點破壞原因。

頂管隧道的變形分為管節(jié)之間相對位移和管節(jié)自身變形。如前文所述，頂管通常都是預制的，管節(jié)的剛度遠大于連接處剛度，可視為剛體，管身結(jié)構(gòu)性開裂導致的漏水不會先于接口處止水失效導致的漏水發(fā)生。對于頂管管節(jié)之間的相對位移，考慮到接口不是對稱的，因此按照剛性管進行分析，可能的位移模式共有6種，如圖3所示。

(a) 模式1 (b) 模式2 (c) 模式3

(d) 模式4 (e) 模式5 (f) 模式6

工程經(jīng)驗表明，前4種相對位移模式多出現(xiàn)在頂管施工階段機頭段，使用階段可能發(fā)生的位移模式為后2種，即模式5和模式6?？紤]到頂管管節(jié)接口在不采取焊接等加固措施時，接口處不能承受拉力，而鋼筋混凝土管壁具有一定的承壓能力，可以認為模式5引起漏水的概率相較于模式6要高。因此，本文選取位移模式5進行分析，建立張角與結(jié)構(gòu)細部尺寸之間的幾何關(guān)系式。

3 “F”型接口變形安全限值研究

3.1 相鄰管節(jié)允許張角

以“F”型雙圈止水為例，分析頂管隧道管節(jié)間張角的允許值。在位移模式5中，顯然內(nèi)圈橡膠失效發(fā)生在外圈之后，單、雙圈止水的計算本質(zhì)相同，只是尺寸有區(qū)別。雙圈止水構(gòu)造的頂管工程以杭州半山頂管工程為例，頂管管節(jié)接口處尺寸如圖4所示(單圈止水構(gòu)造類似)，頂管壁厚320 mm，單節(jié)標準管節(jié)長度l=2.5 m，內(nèi)徑d=3.5 m，外徑D=4.14 m，鋼套環(huán)外伸有效長度a1=240 mm，2道橡膠止水環(huán)厚度均為16 mm，與接口距離分別為a3=100 mm、a2=165 mm，鋼套環(huán)與鋼筋混凝土管壁空隙h1=5 mm。可以假設(shè)2道止水都失效為接口破壞標準，因此外圈止水位置a2不影響破壞模式，詳見下面計算。

圖4 “F”型接口關(guān)鍵尺寸詳圖

3.1.1 位移控制指標

1)承管鋼套環(huán)最外緣與接管管身豎向位移值h1=5 mm。從安全角度考慮，認為鋼套環(huán)與混凝土管壁接觸為破壞值。對于采用其他管徑的隧道，為了便于承接和保證密封性，預留的空間基本相同，都為5～6 mm，與文獻[13]一樣，取5 mm作為控制指標。

2)橡膠止水帶材料多采用三元乙丙橡膠(EPDM)、丁腈橡膠(NBR)或氯丁橡膠(CR)進行制作，根據(jù)國際標準[14]，橡膠止水帶可壓縮量不宜大于50%厚度。管節(jié)承接前橡膠止水帶厚度為26 mm，承接后被壓縮至16 mm，因此：

①使用階段的剩余允許壓縮量為26 mm×50%-(26 mm-16 mm)=3 mm，以此作為橡膠止水帶被壓壞而失去耐久性的位移控制指標。

②使用階段允許松弛量為3 mm，以此作為橡膠止水帶壓力不足導致地下水滲入的位移控制指標。毛南平[9]以工程經(jīng)驗取該值為4 mm； 本文研究人員對浙江、湖南、福建、湖北等地工程實例進行了調(diào)研，認為地下水位對會對該值產(chǎn)生影響，與高海東等[15]通過數(shù)值模擬計算得到的結(jié)論一致。對江浙滬等地下水位較高的區(qū)域，建議取3 mm為松弛限值，使結(jié)果安全可靠。

3)鋼套環(huán)水平位移量達到a1-a3=145 mm，以此作為橡膠止水帶脫離鋼套環(huán)的位移控制指標。

3.1.2 雙圈止水頂管止水失效算例

管節(jié)繞承管與襯墊最外邊緣交點旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)引起的張角逐漸增大，兩端接口發(fā)生分化，一端(接口1)最松弛，另一端(接口2)則壓至最緊密，中部的變形介于兩者之間。本文以接口1和接口2為代表的極端變形進行分析，如圖5所示。

圖5 位移模式5計算示意圖

1)接口1處橡膠止水帶“脫離”失效?！懊撾x”指相鄰管節(jié)轉(zhuǎn)動過程中，鋼套環(huán)末端與內(nèi)圈(靠近接口)橡膠的水平位移達到a1-a3，此時2道止水橡膠均脫離了鋼套環(huán)的保護范圍，導致止水失效。算式為

(1)

即

(2)

將a1=245 mm、a3=100 mm、D=4 140 mm代入式(2)，得到張角θ≥2.007°。

2)橡膠止水帶“松弛”失效計算?！八沙凇笔侵镐撎篆h(huán)與內(nèi)圈橡膠接觸點豎向位移達到3 mm控制指標，此時2道止水橡膠密封性低于抗?jié)B要求，認為發(fā)生止水失效破壞，如圖6所示。算式如下：

(a3+Dθ)sinθ≥3 mm 。

(3)

由于θ很小，可近似為θ=sinθ，式(3)變?yōu)椋?/p>

(a3+Dθ)θ≥3 mm 。

(4)

將a3=100 mm、D=4 140 mm代入式(4)并解該一元二次方程，得θ≥0.017 4 rad=0.998°或θ≤-0.041 5 rad=-2.38°，將負值舍棄便得到張角θ≥0.998°。

圖6 接口1止水松弛計算示意圖

3)鋼套環(huán)與混凝土接觸失效計算見圖5(c)，可得到算式

a1·sinθ≥5 mm 。

(5)

即

(6)

將a1=245 mm代入式(6)，得到張角θ≥1.169°。

4)橡膠止水帶擠壓失效計算見圖5(c)，此時a3起控制作用，算式為

a3·sinθ≥3 mm 。

(7)

即

(8)

將a3=100 mm代入式(8)，得到張角θ≥1.719°。

由式(1)和式(2)可知，橡膠止水松弛發(fā)生在鋼套環(huán)脫離失效之前； 由式(3)和式(4)可知，鋼套環(huán)與鋼筋混凝土管壁接觸失效要先于止水橡膠擠壓破壞發(fā)生。下節(jié)的計算表明，松弛端必先于壓密端失效，與管徑無關(guān)，但具體是“松弛”還是“脫離”失效與管徑有關(guān)。

采用單圈止水構(gòu)造的頂管工程實例細部尺寸略有不同，統(tǒng)計如表4所示； 采用雙圈止水構(gòu)造的頂管在位移模式5下的內(nèi)圈止水橡膠要后于外圈止水橡膠失效，起控制作用的是a3的值。因此，雙圈和單圈止水構(gòu)造頂管的計算本質(zhì)上是相同的，都只用了1圈的參數(shù)，均可用式(1)—(8)進行計算。

表4 采用單圈橡膠止水的實際工程關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計

將表4中工程實例對應(yīng)張角全部計算出來并取最大值，結(jié)果如表5所示。由表可知，以上頂管工程實例的止水失效類型均發(fā)生在脫離側(cè)(接口1)，具體表現(xiàn)為鋼套環(huán)脫離或止水橡膠松弛； 并且隨著管徑增大，失效張角整體呈現(xiàn)減小趨勢，但均滿足規(guī)程[7]中第4.3.9條第4點關(guān)于鋼筋混凝土管“接口的允許偏轉(zhuǎn)角應(yīng)大于0.5°”的規(guī)定。為便于建立統(tǒng)一的控制標準，建議將失效張角中的最小值0.844°進一步取0.8°作為管節(jié)不發(fā)生滲漏時的允許張角，這樣的結(jié)果是足夠安全的。

表5 各院頂管工程失效張角計算

3.2 單節(jié)管允許相對位移

目前工程上大口徑鋼筋混凝土頂管的單節(jié)管長最常采用2.0 m和2.5 m[16]，在轉(zhuǎn)角或頂進的首尾段有時也會使用少量其他長度(1.0、1.5、3.0 m)的管節(jié)配合施工。表5中除10號采用的是2.0 m管長以外，其余工程均采用2.5 m管長。以2.5 m單節(jié)管長為例，1對承接管長度為2×2.5 m=5 m，這個尺度遠小于受到鄰近堆載、樁基施工和基坑開挖等工況對土體的影響范圍(以土體變形達到5 mm為界)。因此，可以近似地認為土體位移最大處2個相接管節(jié)的變形是對稱的，其中單節(jié)管兩端相對位移與節(jié)間張角關(guān)系為ΔL=la=l·θ/2，水平張開量計算公式為ΔH=Dθ，如圖7所示。

圖7 頂管管節(jié)張角與相對位移的定義

工程實際應(yīng)用中，頂管隧道的沉降相較于水平張開量更易于測量，故以單節(jié)管旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的遠端最大相對位移作為允許相對位移，和允許張角一起用于表征頂管的變形安全限值。

表6示出不同管長頂管隧道變形安全限值匯總。對于后續(xù)新建工程，若采用不同管徑、管長參數(shù)，仍可通過式(1)—(8)計算。但還應(yīng)考慮到將此研究結(jié)果應(yīng)用到工程實際中時，若對每種管徑都要進行1次計算，既不利于統(tǒng)一標準的建立，又會增加現(xiàn)場施工、監(jiān)測人員的工作強度，因此，建議將表6中相對位移的最小值(15.7 mm)進一步取15 mm，作為大直徑電力頂管隧道在2.0 m和2.5 m單節(jié)管長條件下統(tǒng)一的位移允許限值，這樣的結(jié)果也是偏于安全的。頂管外徑與允許相對位移關(guān)系見圖8，由圖可知，相同管長條件下，頂管外徑與允許相對位移呈一定的負相關(guān)性； 而根據(jù)ΔL=la可知，管長與相對位移呈正比關(guān)系。

應(yīng)注意的是，上述計算分析結(jié)果實際針對的是在施工階段采用直線頂進的頂管部分，這種條件下頂管投入使用后，在不考慮施工偏差的情況下，管節(jié)之間沒有初始張角； 但實際頂管工程在推進時，經(jīng)常存在需要通過曲線頂進來繞過某些障礙物的情況。施工階段采用曲線頂進的頂管在投入使用后，管節(jié)之間存在初始張角，初始張角的存在實際擠占了允許張角的空間，也直接影響允許相對位移余量。

表6 不同管長頂管隧道變形安全限值匯總

頂管工程施工頂進階段的允許張角要小于正常使用階段管節(jié)的允許張角，文獻[5]和文獻[6]均規(guī)定曲線頂進施工時，相鄰兩管節(jié)之間的張角宜小于0.3°； 而文獻[7]中規(guī)定使用階段的管節(jié)允許張角應(yīng)不小于0.5°，考慮到電力管廊防水要求較給排水管廊更高，電力頂管管節(jié)在使用階段的允許張角還應(yīng)在0.5°的基礎(chǔ)上提高。圖9示出典型頂管工程外徑與允許張角的關(guān)系，結(jié)果表明二者同樣呈現(xiàn)一定的負相關(guān)性，并且各典型工程的管節(jié)允許張角均大于0.5°，符合文獻[7]的要求，這也從側(cè)面驗證了本文研究成果的可靠性。

4 工程案例分析

成都市某電力頂管隧道于2012年投入使用，該段頂管外徑為2.4 m，管節(jié)長度為2.0 m。2013年成都地鐵某線二期施工后，由于受地鐵施工擾動，該段頂管隧道部分頂管管節(jié)接口處受損，發(fā)生隧道開裂滲漏事故。

黑色填充為典型工程的采用值。

在事故發(fā)生之后，維運人員對該段隧道管節(jié)滲漏、變形情況進行檢測，發(fā)現(xiàn)頂管隧道接縫處出現(xiàn)了大量滲水點，這些滲水點是管節(jié)接口產(chǎn)生張角引起的。根據(jù)檢測結(jié)果，將發(fā)生滲水頂管管節(jié)接口張角值匯總見表7。由第3節(jié)得到的結(jié)論可知，對于該幾何尺寸的頂管隧道，頂管發(fā)生滲水情況時允許張角為0.8°； 由表7可知，該工程案例中頂管隧道發(fā)生點滲時管節(jié)接口最小張角為1.5°，超過允許張角值。因此，可以表明本文得出的研究結(jié)論是可靠且偏于安全的。

圖9 典型頂管工程外徑與允許張角關(guān)系

表7 成都市某電力頂管隧道受鄰近施工擾動變形情況

5 結(jié)論與討論

針對大直徑“F”型承插式頂管在使用階段的變形安全限值問題，本文開展了工程案例統(tǒng)計分析和理論計算，所得成果在具體工程事故中得到驗證，以期為制定頂管隧道保護標準提供參考。主要結(jié)論如下：

1)管節(jié)接口止水失效主要有2種： ①橡膠止水帶與鋼套環(huán)脫離失效； ②橡膠止水帶與鋼套環(huán)和鋼筋混凝土管壁接觸壓力低于防滲要求。二者的發(fā)生順序受頂管管徑影響。

2)管節(jié)允許張角和允許相對位移均與管徑呈一定的負相關(guān)性，同時，管節(jié)允許相對位移還受管長影響(二者呈正比關(guān)系)。

3)接口變形安全限值包括最大張角和相對位移，建議統(tǒng)一以0.8°作為允許張角，以15 mm為2.0、2.5 m管長的允許相對位移。上述取值安全合理，且便于在電力頂管隧道的保護工程中執(zhí)行。

4)若頂管隧道存在因曲線頂進的初始彎曲變形，還應(yīng)從總允許變形中減去初始變形，得到該頂管隧道實際允許變形量。

本文的研究對象主要是“F”型承插接口的混凝土頂管隧道，以管節(jié)之間的幾何關(guān)系在最不利情況下提出了相應(yīng)的變形安全限值。后續(xù)可針對其他接口形式、材料的頂管隧道變形安全限值和結(jié)構(gòu)受力變形特性進行進一步探討與研究。

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