曲線頂管施工管節(jié)接口形式比選與優(yōu)化

胡 強(qiáng)

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 曲線頂管施工管節(jié)接頭性能要求

從宏觀上看，曲線段的管道線路是一條圓弧線，但其實(shí)際上是由多段直線管節(jié)組成的多邊形線段。換句話說，曲線頂管施工的實(shí)質(zhì)是控制多段直線管節(jié)在管節(jié)接頭部位進(jìn)行一定的角度偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管節(jié)的曲線頂進(jìn)過程。

相比于直線頂管施工而言，曲線頂管施工涉及管節(jié)的曲線頂進(jìn)過程，其對(duì)管節(jié)接頭提出較高的性能要求，具體包括如下幾個(gè)方面。

(1)前后管節(jié)的接頭搭接部位應(yīng)能夠進(jìn)行一定的角度偏轉(zhuǎn)，從而滿足管節(jié)曲線頂進(jìn)的基本要求。誠如上述所言，曲線段管道線路是由多段直線管節(jié)相繼進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)后實(shí)現(xiàn)的，這就要求相鄰管節(jié)在接頭搭接部位有一定的角度偏轉(zhuǎn)能力。

(2)角度偏轉(zhuǎn)后的管節(jié)在接頭搭接部位應(yīng)保證有一定的頂進(jìn)受壓面積，從而有效預(yù)防管節(jié)接頭在頂進(jìn)過程中的局部破壞現(xiàn)象。頂管施工的前進(jìn)動(dòng)力來源于布設(shè)于始發(fā)井或中繼間的千斤頂，并通過中間管節(jié)傳遞給前端的掘進(jìn)機(jī)，故管節(jié)承受著數(shù)值較大的軸向頂推力。曲線頂管施工中，管節(jié)接頭部位受力情況復(fù)雜，若因角度偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致管節(jié)間頂進(jìn)受壓面積銳減，管節(jié)接頭易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致管節(jié)局部破損。

(3)偏轉(zhuǎn)后的管節(jié)在接頭部位的防水性能應(yīng)得到保證。曲線頂管的管節(jié)接頭因存在角度偏轉(zhuǎn)，其前后管節(jié)的搭接形態(tài)不斷變化。相對(duì)于直線頂管而言，管節(jié)接頭防水應(yīng)考慮接頭部位所有可能的搭接形態(tài)，確保管節(jié)接頭在任何情況下都能滴水不漏。

(4)管節(jié)的接頭部位應(yīng)有防止管節(jié)橫向錯(cuò)動(dòng)的防護(hù)結(jié)構(gòu)。曲線段的管節(jié)因存在一定的角度偏轉(zhuǎn)，在頂推力的作用下，前后管節(jié)在接頭部位存在橫向錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì)，若無相應(yīng)的防護(hù)結(jié)構(gòu)，可能出現(xiàn)管節(jié)偏離設(shè)計(jì)曲線的問題，進(jìn)而影響曲線頂管施工的順利進(jìn)行。

(5)管節(jié)外表面應(yīng)盡可能光滑，應(yīng)避免選擇帶突出結(jié)構(gòu)的管節(jié)形式。頂管施工過程中，管節(jié)是一節(jié)一節(jié)頂進(jìn)的，若管節(jié)外表面存在突出結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)必然帶動(dòng)周邊土體與管節(jié)一起前進(jìn)，增加頂管施工對(duì)周邊土體的擾動(dòng)性及管節(jié)頂推難度。曲線頂進(jìn)過程中，突出結(jié)構(gòu)所帶來的土體擾動(dòng)情況更加復(fù)雜。出于上述方面的考慮，曲線頂管所選用的管節(jié)外表面應(yīng)盡可能光滑。

2 鋼筋混凝土管接口性能分析

2.1 平口管

平口管指管節(jié)兩端的接口不作特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)置，采用與管身襯砌完全相同的平口式接口形式。平口管管體等徑均勻，管節(jié)外表面無突出結(jié)構(gòu)。管端接口平齊對(duì)接，允許管節(jié)間的角度偏轉(zhuǎn)。管節(jié)接頭部位的襯砌厚度與管身襯砌相同，角度偏轉(zhuǎn)后管節(jié)間仍能保證較大的頂進(jìn)受壓面積。

但是，目前平口管多采取管節(jié)鋪設(shè)完成后，在管節(jié)接頭位置進(jìn)行鋼絲網(wǎng)混凝土抹帶的密封措施，其在頂管施工中無法實(shí)現(xiàn)，且平口管接頭部位沒有強(qiáng)有力的防護(hù)結(jié)構(gòu)，曲線頂管施工過程中管節(jié)接頭部位極易出現(xiàn)橫向滑移錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致管節(jié)偏離設(shè)計(jì)管線。鑒于上述兩點(diǎn)，可以給出明確的觀點(diǎn)，即平口管不宜作為曲線頂管施工的管節(jié)形式。

2.2 承插口管

承插口管是指將管節(jié)的兩端分別制成承口和插口，通過后一管節(jié)的插口插入前一管節(jié)的承口中，實(shí)現(xiàn)前后管節(jié)的搭接。承插口式接口形式能夠確保管節(jié)間不發(fā)生橫向錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，且插口在承口中有一定的角度偏轉(zhuǎn)能力。同時(shí)，由于插口的厚度與管身襯砌厚度相近，偏轉(zhuǎn)后的管節(jié)在管節(jié)接頭處仍能保證一定的頂進(jìn)受壓面積。插口與承口間的防水橡膠則能保證管節(jié)接頭部位的防水性能。

但是，承插口管的承口相對(duì)管身有較大的凸起，其在頂管頂進(jìn)過程中必然帶動(dòng)周邊土體隨管節(jié)一起向前運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而造成較大的土體擾動(dòng)問題，并使得頂進(jìn)施工所需頂推力大大增加。出于上述方面的考慮，頂管施工中不建議采用承插口管。

2.3 企口管

企口管指在管節(jié)兩端分別設(shè)置榫頭和榫槽，通過管端榫頭與另一管節(jié)管端榫槽吻接的形式，實(shí)現(xiàn)前后管節(jié)的連接。企口式接口的形式能有效防止管節(jié)間的橫向錯(cuò)動(dòng)，且其接頭部位相比于管身結(jié)構(gòu)沒有變形或變徑情況，外表面光滑過渡。企口管管端榫頭與榫槽間留有一定間隙，且在該間隙處設(shè)置防水橡膠，在偏轉(zhuǎn)外力作用下，預(yù)留的間隙保證管節(jié)能夠進(jìn)行一定的角度偏轉(zhuǎn)，而防水橡膠能確保管節(jié)的防水性能。

但是，企口管榫頭的厚度僅為管身襯砌的一半左右，角度偏轉(zhuǎn)后的管節(jié)接頭間的頂進(jìn)受壓面積將進(jìn)一步減少。在施工頂推力作用下，企口管接頭部位易因?yàn)閼?yīng)力過度集中導(dǎo)致接頭局部破損現(xiàn)象，進(jìn)而影響頂管施工的順利進(jìn)行。出于此方面的考慮，頂管施工中不建議選用企口管。

2.4 雙承口管

雙承口管的管節(jié)兩端均為插口形式，前后管節(jié)通過T型鋼套環(huán)進(jìn)行連接。雙承口式接口的結(jié)構(gòu)形式允許管節(jié)間有一定的角度偏轉(zhuǎn)，且T型鋼套環(huán)能有效阻止管節(jié)間的橫向錯(cuò)動(dòng)。T型鋼套環(huán)與雙承口管插口間的防水橡膠能滿足各種角度偏轉(zhuǎn)情況下管節(jié)間的防水要求。同時(shí)，雙承口管在管節(jié)接頭部位沒有突出構(gòu)造，且其插口厚度與管身襯砌相近，保證管節(jié)在角度偏轉(zhuǎn)的情況下仍有一定的頂進(jìn)受壓面積。

可以看出，雙承口式接口滿足曲線頂管施工所有的性能要求，故認(rèn)為雙承口管可作為曲線頂管施工的候選管節(jié)形式。

2.5 鋼承口管

鋼承口管可以看做是企口管與承口管的改進(jìn)形式，其吸取企口管和承口管優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)摒棄兩者的缺點(diǎn)。具體而言，鋼承口管的兩端分別設(shè)置了插口和承口，其插口形式仿效承插口管的插口形式，取與管身襯砌相近厚度，確保管節(jié)在一定角度偏轉(zhuǎn)后，其接頭部位仍有必要的頂進(jìn)受壓面積。同時(shí)，鋼承口管承口仿效企口管榫頭的構(gòu)造，但其采用厚度較薄的鋼承口，確保鋼承口管在管節(jié)接頭處光滑過渡。鋼承口式接口的構(gòu)造能夠保證管節(jié)在接頭部位不發(fā)生橫向錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，且其接頭設(shè)置有遇水膨脹橡膠止水帶，能有效防止管節(jié)間滲漏水。

上述分析表明，鋼承口管滿足曲線頂管施工對(duì)管節(jié)接頭的全部性能要求，可作為曲線頂管施工的候選管節(jié)形式。

匯總上述對(duì)鋼筋混凝土管性能的分析結(jié)論，給出如表1所示的管節(jié)接口形式性能評(píng)價(jià)表格。

表1 曲線頂管施工管節(jié)接口性能綜合評(píng)價(jià)

3 管節(jié)接口形式選擇與優(yōu)化

3.1 管節(jié)接口形式選擇

上述鋼筋混凝土管接口性能分析表明，只有雙承口式接口與鋼承口式接口滿足曲線頂管施工管節(jié)接頭的全部性能要求。換句話說，曲線頂管施工中所使用的鋼筋混凝土管應(yīng)在雙承口管或鋼承口管中選擇，而具體選用哪種管節(jié)接口形式應(yīng)結(jié)合管節(jié)曲線頂進(jìn)施工效果進(jìn)行進(jìn)一步分析。

雙承口管采用一個(gè)T型鋼套環(huán)將相鄰管節(jié)連接在一起，在曲線頂進(jìn)過程中，T型鋼套環(huán)和前端管節(jié)均發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，且管節(jié)偏轉(zhuǎn)角度大于T型鋼套環(huán)偏轉(zhuǎn)角度。由于兩者偏轉(zhuǎn)角度的差異，T型鋼套環(huán)與前端管節(jié)插口間將出現(xiàn)間隙，且間隙大小隨偏轉(zhuǎn)角度增大而增大。在曲線頂進(jìn)過程中，周圍土體易從T型鋼套環(huán)與前端管節(jié)插口間的間隙處擠入，對(duì)管節(jié)接頭后續(xù)偏轉(zhuǎn)能力、防水性能等方面造成不利影響。在砂性土體中，雙承口管接口極可能因砂土擠入，造成接口密封失效及接口損壞現(xiàn)象，應(yīng)該極力避免。

相比于雙承口管，鋼承口管將鋼套環(huán)的前端錨固于管節(jié)端頭，在管節(jié)曲線頂進(jìn)過程中，鋼套環(huán)與前端管節(jié)襯砌牢固結(jié)合，從而有效避免了泥土擠入管節(jié)接口的現(xiàn)象。同時(shí)，與管節(jié)固結(jié)的鋼套環(huán)能有效增加管節(jié)的剛度，且減少頂管施工過程中鋼套環(huán)與管節(jié)間的配接工序，加快施工進(jìn)度。故而，可以認(rèn)為，鋼承口管較雙承口管更適用于曲線頂管施工，是曲線頂管施工的最佳管片形式。

3.2 管節(jié)接口結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鋼承口管曲線鋪設(shè)的實(shí)質(zhì)是管節(jié)間楔形錯(cuò)縫及鋼套環(huán)與管節(jié)插口間隙大小的變化。管節(jié)間楔形錯(cuò)縫會(huì)誘發(fā)管節(jié)接頭部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而可能導(dǎo)致管節(jié)接頭局部破損，而鋼套環(huán)與管節(jié)插口的間隙大小變化可能造成管節(jié)接頭防水性能失效。針對(duì)上述所述的兩種情況，提出鋼承口管接頭的相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

(1)在鋼承口管插口的外邊緣增設(shè)L型鋼墊圈，有效避免管節(jié)插口外緣的局部破損現(xiàn)象。曲線頂管施工中，管節(jié)因角度偏轉(zhuǎn)致使接頭部位應(yīng)力集中，此現(xiàn)象在接口擠壓側(cè)的承插口外緣最為突出。由于鋼套管的限制作用，承口處的混凝土受力尚好，而鋼承管插口外緣并沒有相應(yīng)的防護(hù)措施，致使該部位常出現(xiàn)局部破損現(xiàn)象，并進(jìn)而影響管節(jié)接頭的整體性能。若能在插口外緣增設(shè)L型鋼墊圈，可有效預(yù)防插口外緣局部損害現(xiàn)象。

(2)將密封橡膠圈在插口上的布設(shè)位置前移，并選用內(nèi)帶空腔，變形能力較強(qiáng)的橡膠圈。在插口外緣增設(shè)的L型鋼墊圈能有效防止該部位的局部破壞現(xiàn)象，為密封橡膠圈的前移提供基本保障。內(nèi)移的密封橡膠圈所需的變形幅度減小，配合上內(nèi)帶空腔的橡膠圈，既能保證管節(jié)接頭位置的防水性能，還能減少由橡膠圈產(chǎn)生的阻礙管節(jié)角度偏轉(zhuǎn)的抗力。

(3)有根據(jù)的縮短鋼套管的長(zhǎng)度，并在鋼套管的末端設(shè)置鋼毛刷。密封橡膠圈的前移量是決定鋼套筒長(zhǎng)度縮減量的關(guān)鍵因素，鋼套管的長(zhǎng)度設(shè)置應(yīng)保證管節(jié)接頭的防護(hù)能力和防水效果。鋼套管長(zhǎng)度的縮減能提高管節(jié)接頭的偏轉(zhuǎn)能力，并減少偏轉(zhuǎn)過程對(duì)周邊土體的擾動(dòng)。設(shè)置在鋼套管末端的鋼毛刷能防止周邊土體擠入管節(jié)接頭，保證管節(jié)性能的正常發(fā)揮。

4 結(jié) 語

針對(duì)曲線頂管施工中管節(jié)曲線頂進(jìn)的特點(diǎn)，分析總結(jié)出曲線頂管管節(jié)接口應(yīng)具備角度偏轉(zhuǎn)能力、頂推力傳統(tǒng)能力、接頭防水能力、 防橫向錯(cuò)動(dòng)能力、防土體擾動(dòng)能力五項(xiàng)性能要求。在此基礎(chǔ)上，對(duì)平口式、承插口式、企口式、雙承插口式及鋼承口式鋼筋混凝土管進(jìn)行管節(jié)接口性能分析。結(jié)果表明，只有雙承口式接口及鋼承口式接口滿足曲線頂管管節(jié)接口的全部性能要求。

通過對(duì)比分析雙承口式接口和鋼承口式接口的曲線頂進(jìn)施工效果，發(fā)現(xiàn)雙承口管存在土體擠入管節(jié)接頭部位，影響接口性能發(fā)揮的隱患問題。鋼承口管通過將鋼套管一側(cè)與管節(jié)固結(jié)的形式，不僅能有效解決了上述問題，對(duì)管節(jié)結(jié)構(gòu)剛度及頂管施工也有一定的改善作用。鑒于此，提出鋼承口式接口是曲線頂管施工的最優(yōu)管節(jié)接口形式。

在現(xiàn)有鋼承口式接口形式的基礎(chǔ)上，對(duì)接口結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，建議在管節(jié)插口外緣設(shè)置L型鋼墊圈，將密封橡膠圈的設(shè)置位置前移，并繼而縮短鋼套筒的長(zhǎng)度。同時(shí)，橡膠圈選用內(nèi)帶空腔的構(gòu)造，增加橡膠圈的變形能力。在鋼套管尾部設(shè)置防止土體擠入的鋼毛刷，確保管節(jié)接口的正常工作。