管道頂進(jìn)用裝配式圓形工作井承載性能研究

張興其 楊帆 姚華彥

摘要：近年來(lái)裝配式建筑正逐步應(yīng)用在地下管道工程中，為了研究管道頂進(jìn)用裝配式圓形工作井的承載性能，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的頂管頂進(jìn)力情況，采用三維有限元方法對(duì)裝配式圓形工作井的井片混凝土以及連接螺栓進(jìn)行了受力分析。研究結(jié)果表明：通過(guò)在管壁涂刷潤(rùn)滑劑、采用觸變泥漿進(jìn)行壓漿等減阻措施可以明顯降低頂進(jìn)力荷載，甚至可以使其達(dá)到設(shè)計(jì)值的50%以下；裝配式圓形工作井在頂進(jìn)力荷載的作用下，螺栓受拉情況不明顯，僅后座墻位置的井片外側(cè)混凝土呈明顯受拉，設(shè)計(jì)中需要關(guān)注，必要時(shí)需對(duì)該部位制定加固方案；粘貼鋼板加固方案相對(duì)于粘貼CFRP加固方案具有材料利用率更高、加固效果更加明顯的優(yōu)勢(shì)。研究成果可為推廣裝配式建筑在管道工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考借鑒。

關(guān) 鍵 詞：地下工程；頂管；裝配式圓形工作井；井片；頂進(jìn)荷載；裝配式建筑

中圖法分類號(hào)：TU992

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.019

0 引 言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，地下工程管道的敷設(shè)以及改建都在如火如荼的進(jìn)行中。為了減少地面開(kāi)挖范圍，保障城市道路暢通，在管道的建設(shè)和改造過(guò)程中，通常采用頂管法施工。其中頂管的工作井一般都是在現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成，該施工方法占用場(chǎng)地面積大、施工工期長(zhǎng)，且易對(duì)工程周邊產(chǎn)生較大的環(huán)境污染、噪聲污染^［1-3］。在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下，裝配式建筑作為一種節(jié)能減排的綠色建筑已經(jīng)迎來(lái)了歷史性的發(fā)展機(jī)遇。而裝配式工作井則是在工廠預(yù)制井片，在工程現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)度螺栓連接預(yù)制井片拼裝成環(huán)，相比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式工作井，采用裝配式施工方法可大幅度縮減工期，有效降低施工期對(duì)城市交通的影響。

目前，這種裝配式工作井在一些頂管以及豎井工程中已得到了初步的應(yīng)用，與之相關(guān)的施工技術(shù)也在逐步成熟^［4-7］。在這類結(jié)構(gòu)的承載性能研究方面，戴顏斌^［8］建立了裝配工作井和現(xiàn)澆工作井的三維有限元模型，分析了二者的結(jié)構(gòu)性能以及在頂推荷載作用下對(duì)周邊土體的影響。關(guān)成立^［9］提出了一套可預(yù)緊、可回收的圓形豎井拼裝式鋼結(jié)構(gòu)，并通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)及施工應(yīng)用對(duì)該豎井結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證。張?jiān)戚x^［10］提出了一種新型的裝配式型鋼-鋼板可回收工作井結(jié)構(gòu)，并結(jié)合有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)該結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律進(jìn)行了研究。翟文博等^［11-12］提出了一種新型型鋼-高聚物復(fù)合裝配式頂管工作井，并結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬對(duì)頂管施工過(guò)程中工作井周圍的土體沉降變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了該新型工作井用于頂管施工的可靠性。Zhang等^［13］提出了一種由H型鋼、鋼板和止水帶通過(guò)焊接或螺栓連接組裝形成的一種可重復(fù)使用的工作井結(jié)構(gòu)，并通過(guò)有限元數(shù)值模擬和全尺寸試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種新型工作井結(jié)構(gòu)的承載性能，給出了結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)參數(shù)。

可以看出，有關(guān)裝配式工作井的研究主要是側(cè)重于新型裝配式結(jié)構(gòu)的研發(fā)及其可靠性的驗(yàn)證，目前還鮮有涉及由預(yù)制鋼筋混凝土井片通過(guò)螺栓連接、拼裝成環(huán)的圓形工作井結(jié)構(gòu)的承載性能研究。這種裝配式圓形工作井的結(jié)構(gòu)同盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)類似，但二者的運(yùn)行環(huán)境、布置方式不同，其承受的土壓力荷載形式明顯不同，且工作井的底部刃腳環(huán)還需要承擔(dān)較大的頂進(jìn)力荷載，導(dǎo)致裝配式圓形工作井的井片受力狀態(tài)更加復(fù)雜^［14-16］。除此之外，由于裝配式圓形工作井目前尚處于初步運(yùn)用階段，與之相關(guān)的設(shè)計(jì)理論還不完善，也無(wú)可供直接參考的設(shè)計(jì)規(guī)范，其承載機(jī)理尚不明晰。因此，本文依托具體工程建立裝配式圓形工作井三維有限元分析模型，通過(guò)分析工作井在不同頂進(jìn)荷載作用下的井片及螺栓受力情況，揭示裝配式圓形工作井的承載性能特性，為類似工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)，以此推動(dòng)裝配式建筑在地下管道工程中的應(yīng)用。

1 工程概況

合肥市宿松路快速化改造工程位于合肥南部（南二環(huán)路-深圳路），整體呈南北走向，從北向南依次經(jīng)過(guò)包河區(qū)、經(jīng)開(kāi)區(qū)、濱湖新區(qū)，終點(diǎn)到達(dá)肥西縣深圳路。項(xiàng)目工程包含橋梁部分、道路擋墻部分和新建管線部分等。其中新建管線以雨水管為主，管道均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，管徑有500，600，800 mm和1 000 mm，累計(jì)長(zhǎng)度在2 km以上，埋深在1～4 m。管道采用頂管法施工，其中頂進(jìn)用圓形工作井采用預(yù)制裝配式井片結(jié)構(gòu)。圖1為管徑為800 mm的頂進(jìn)用工作井的結(jié)構(gòu)拼裝及受力情況示意圖，其中每一環(huán)由6塊C40混凝土井片拼裝形成，沿深度方向由三環(huán)井片錯(cuò)縫拼裝形成工作井，井片內(nèi)徑為6 000 mm，外徑為6 600 mm，寬度為2 000 mm。工作井底部一環(huán)井片（刃腳環(huán)）環(huán)向采用8.8級(jí)M39螺栓相連，上部?jī)森h(huán)井片環(huán)向以及豎向采用8.8級(jí)M30螺栓相連。

2 裝配式工作井三維有限元模型

2.1 材料參數(shù)

計(jì)算模型主要涉及的材料有C40混凝土、鋼筋、8.8級(jí)螺栓以及土體，其中采用線彈性本構(gòu)模型模擬鋼筋混凝土和螺栓結(jié)構(gòu)，采用Drucker-Prager模型模擬土體結(jié)構(gòu)，具體材料參數(shù)如表1所列。

2.2 單元類型

土體采用8節(jié)點(diǎn)三維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元SOLID45模擬，混凝土采用8節(jié)點(diǎn)SOLID65單元模擬，該單元與SOLID45單元相似，兩種單元均能夠較好地模擬三維固體結(jié)構(gòu)。螺栓采用2節(jié)點(diǎn)三維梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬，該單元適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，并且能夠考慮剪切變形的影響。位于刃腳環(huán)的后座墻頂力作用面采用4節(jié)點(diǎn)表面效應(yīng)單元SURF154模擬。沉井整體模型以及井片與螺栓細(xì)部模型如圖2所示。

計(jì)算模型中包含兩種接觸關(guān)系：① 井片與土層接觸，② 井片與井片之間的接觸。模型中采用“面-面”接觸單元（TARGE170、CONTA174）對(duì)這種只傳遞法向壓應(yīng)力和切向摩擦力，而不傳遞法向拉應(yīng)力的接觸行為進(jìn)行模擬，鑒于混凝土的摩擦系數(shù)一般為0.3～0.4，模型中取0.35^［17-18］。

2.3 模型范圍

如圖2所示，為了充分考慮土體對(duì)沉井結(jié)構(gòu)受力的影響，土體模型長(zhǎng)、寬均取30 m，高取12 m。在模型底部施加全約束，前后左右施加法向約束。計(jì)算模型整體總共包含81 707個(gè)單元、81 068個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.4 荷載工況

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范^［19-20］，頂管頂進(jìn)過(guò)程中作用在后座墻的總頂力可按（1）～（3）式估算：

式中：F為總頂力，kN；F₁為管道與土層的摩阻力，kN；D為管道外徑，m；L為管道頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；f為管道外壁與土的平均摩阻力，取5 kPa；F₂為頂管機(jī)的迎面阻力，kN；D′為頂管機(jī)的外徑，m；γ為土的重度，kN/m³；H為覆蓋層厚度，m。

隨著頂管頂進(jìn)深度的增加，將根據(jù)規(guī)范計(jì)算的作用在沉井后座墻的頂進(jìn)力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，如圖3所示。可以看出實(shí)際總頂進(jìn)力遠(yuǎn)小于規(guī)范的理論計(jì)算結(jié)果，根據(jù)規(guī)范計(jì)算出的最大頂進(jìn)力可達(dá) 2 000 kN 以上，然而實(shí)際監(jiān)測(cè)的頂進(jìn)力值不到 1 000 kN。考慮原因是，與設(shè)計(jì)計(jì)算值相關(guān)的一些參數(shù)在規(guī)范中的建議取值較為保守，因?yàn)樵趯?shí)際施工中采取了一些減阻措施，如：在管壁涂刷了潤(rùn)滑劑、采用觸變泥漿進(jìn)行壓漿、消減管道誤差和管節(jié)錯(cuò)口等。

考慮到頂管的最大頂進(jìn)力理論計(jì)算值可達(dá)到 2 000 kN，為了充分分析裝配式沉井在頂進(jìn)力荷載作用下的受力性能，在工作井受自重以及土壓力的荷載下，分別計(jì)算了頂進(jìn)力F=0，500，1 000，1 500 kN和 2 000 kN各工況下井片混凝土以及連接螺栓的受力情況。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 混凝土受力分析

分別計(jì)算了在頂進(jìn)力逐步增大過(guò)程中井片混凝土的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力，如圖4～5所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)頂管未頂進(jìn)、沉井在僅受到土壓力荷載的作用下，井片混凝土的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力會(huì)隨著沉井深度的增加而增加。然而，由于工作井的埋深較淺，作用在井片上的土壓力值較小，實(shí)際上受地層不均勻分布的影響，井片上的土壓力荷載應(yīng)是不均勻的，由于模型中對(duì)其進(jìn)行了均勻分布的假定，最終使計(jì)算得出的井片最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)均很小。如圖4所示，隨著頂進(jìn)力的逐步增加，后座墻位置的井片外側(cè)有明顯的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，且最大主拉應(yīng)力會(huì)隨著頂進(jìn)力的增加而明顯增大，該部位混凝土易出現(xiàn)開(kāi)裂。然而，其余井片的混凝土主拉應(yīng)力值隨著頂進(jìn)力的增大幾乎沒(méi)有明顯變化。如圖5所示，隨著頂進(jìn)力的逐步增加，后座墻位置的井片內(nèi)側(cè)有明顯的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，且最大主壓應(yīng)力會(huì)隨著頂進(jìn)力的增加而明顯增大，但始終未超過(guò)混凝土的抗壓強(qiáng)度，而其余井片的混凝土主壓應(yīng)力值隨著頂進(jìn)力的增大幾乎沒(méi)有明顯變化。

3.2 螺栓受力分析

根據(jù)圖6，分析環(huán)向螺栓在頂進(jìn)力逐步增大的過(guò)程中螺栓軸力變化情況，可以看出僅后座墻位置的井片與左右相鄰井片相連的螺栓軸力較大，在頂進(jìn)力達(dá)到2 000 kN時(shí)，環(huán)向螺栓最大軸力約為62.97 kN，而其余環(huán)向螺栓的軸力較小，基本上都未達(dá)到10 kN。

根據(jù)圖7，分析豎向螺栓在頂進(jìn)力逐步增大的過(guò)程中螺栓軸力變化情況，可以看出僅后座墻位置的井片與上部相鄰井片相連的螺栓軸力較大，在頂進(jìn)力達(dá)到 2 000 kN 時(shí)，豎向螺栓最大值軸力約為16.67 kN，而其余豎向螺栓軸力很小，基本上都未達(dá)到5 kN。

根據(jù)螺栓軸力的計(jì)算結(jié)果，提取受拉程度最明顯的環(huán)向螺栓和豎向螺栓，其最大主拉應(yīng)力分別如圖8和圖9所示?？梢钥闯鲈谙嗤斶M(jìn)力作用下，環(huán)向螺栓的最大拉應(yīng)力相對(duì)豎向螺栓較大，但當(dāng)頂進(jìn)力為 2 000 kN 時(shí)，環(huán)向螺栓拉應(yīng)力也僅為263.78 MPa，遠(yuǎn)小于8.8級(jí)螺栓的抗拉強(qiáng)度。

綜合環(huán)向螺栓和豎向螺栓的軸力和應(yīng)力情況可以看出，基本上僅連接后座墻位置井片的螺栓會(huì)在頂進(jìn)力作用下呈明顯受拉狀態(tài)，并且最大軸力和最大拉應(yīng)力均較小，遠(yuǎn)未達(dá)到螺栓的抗拉強(qiáng)度，而其余螺栓受拉程度更小，幾乎可以忽略不計(jì)?？傮w上，未能充分發(fā)揮螺栓的材料力學(xué)性能。

4 井片加固方案分析

4.1 加固方案

根據(jù)裝配式沉井在頂進(jìn)力作用下的井片混凝土應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，對(duì)于這種裝配式結(jié)構(gòu)需重點(diǎn)關(guān)注后座墻位置的井片受力狀態(tài)。該部位的井片外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓，類似于板、梁等受彎構(gòu)件，若要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，可以借鑒類似工程中常采用的粘貼鋼板或者粘貼碳纖維布（CFRP）加固方案，即在該井片外側(cè)通過(guò)膠層粘貼一定厚度的鋼板或者一定層數(shù)的高彈模CFRP，具體加固方案及相關(guān)材料參數(shù)參考類似工程^［21-23］，如表2所列。

三維有限元模型中假定井片“混凝土-膠層-鋼板/CFRP”各材料相互之間粘貼完好并協(xié)同變形，采用4節(jié)點(diǎn)多層殼單元SHELL181通過(guò)輸入各層的厚度，并指定相應(yīng)的材料屬性來(lái)模擬膠層與鋼板/CFRP的復(fù)合層結(jié)構(gòu)。

4.2 加固效果分析

為了分析兩種加固方案的加固效果，對(duì)后座墻井片外側(cè)粘貼1層5 mm的鋼板和粘貼1層0.143 mm的CFRP的兩種方案進(jìn)行對(duì)比，分析井片混凝土及加固材料在2 000 kN頂進(jìn)荷載作用下的受力情況。

如圖10所示，分析后座墻位置的井片混凝土最大主拉應(yīng)力情況可以看出，在井片外側(cè)粘貼鋼板或者粘貼CFRP均能降低井片混凝土的最大主拉應(yīng)力，能夠在一定程度上起到降低井片混凝土在頂進(jìn)力荷載作用下發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)。然而相比較之下，粘貼1層5 mm鋼板的加固方案可使混凝土的最大主應(yīng)力降低25%，而粘貼1層0.143 mm CFRP的加固方案僅使混凝土的最大主應(yīng)力降低1.2%。由此可見(jiàn)，粘貼鋼板方案的加固效果更加明顯。

若設(shè)加固材料的材料性能利用率為材料的最大應(yīng)力與其極限強(qiáng)度的比值，根據(jù)圖11可以計(jì)算出兩種加固方案的鋼板和CFRP的材料性能利用率分別約為40.0%和19.5%。由此可見(jiàn)，粘貼鋼板方案的加固材料性能的利用率更高。

4.3 加固參數(shù)討論

實(shí)際工程中，可以通過(guò)增加鋼板的厚度或者增加CFRP的粘貼層數(shù)來(lái)提高加固效果。為了討論上述兩種加固參數(shù)的變化對(duì)井片加固效果的影響，分析了不同加固參數(shù)條件下混凝土的最大主拉應(yīng)力與加固材料性能利用率的變化情況，分別如圖12和圖13所示。

混凝土最大主應(yīng)力的降低程度能直接反映加固效果。從圖12可以看出，隨著鋼板厚度的增加或者CFRP層數(shù)的增加，混凝土最大主應(yīng)力的降低程度均會(huì)明顯增加。其中，混凝土最大主應(yīng)力的降低程度會(huì)隨著CFRP層數(shù)的增加呈近似線性增長(zhǎng)關(guān)系，但總體上混凝土最大應(yīng)力的降低程度較小，最大僅達(dá)到10%左右。相比較之下，粘貼鋼板最大可使混凝土的最大應(yīng)力降低60%以上，其加固效果要明顯優(yōu)于粘貼CFRP。然而，當(dāng)鋼板厚度超過(guò)10 mm后，隨著鋼板厚度的進(jìn)一步增加，混凝土最大主應(yīng)力的降低程度開(kāi)始增長(zhǎng)緩慢，對(duì)加固效果的提升開(kāi)始減弱。

如圖13所示，分析兩種加固方案的加固材料的性能利用率可以看出，隨著粘貼鋼板厚度的增加或者粘貼CFRP層數(shù)的增加，兩種加固材料的性能利用率逐漸降低。其中CFRP的性能利用率隨著CFRP層數(shù)的增加呈近似線性遞減的關(guān)系，總體上CFRP的材料性能利用率較低，均不到30%。而鋼板在厚度從5 mm提高到10 mm階段，其材料性能利用率降低幅度較大，但總體上均能達(dá)到30%以上。相比較之下，鋼板的材料性能利用率要明顯要高于CFRP，粘貼鋼板的加固方案更能充分發(fā)揮粘貼材料的力學(xué)性能。

5 結(jié) 論

（1） 通過(guò)綜合采用各種減阻措施，如在管壁涂刷潤(rùn)滑劑、采用觸變泥漿進(jìn)行壓漿等減阻措施，可以明顯降低頂管工作井的實(shí)際頂進(jìn)力荷載，甚至可以使其達(dá)到設(shè)計(jì)值的50%以下，有利于沉井結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)能夠節(jié)能提效。

（2） 裝配式工作井在設(shè)計(jì)過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注后座墻位置的井片受力狀態(tài)，防止該部位井片外側(cè)在頂進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)大面積的受拉開(kāi)裂破壞。而螺栓在沉井工作運(yùn)行中受拉不明顯，因此可以適當(dāng)降低螺栓的等級(jí)或者減小螺栓的截面積。

（3） 在后座墻井片外側(cè)粘貼鋼板或者粘貼CFRP均能起到降低混凝土的拉應(yīng)力，從而提高沉井的結(jié)構(gòu)安全性，并且其固效果會(huì)隨著鋼板厚度或者CFRP的層數(shù)的增加而提高。相比之下，粘貼鋼板加固方案的鋼板材料利用率更高，加固效果更加明顯，但是粘貼CFRP加固方案具有施工更加便利簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，工程實(shí)踐中可根據(jù)實(shí)際加固需求選擇合理的加固方案。

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（編輯：鄭 毅）

Research on mechanical performance of prefabricated circular working shaft for pipe jacking

ZHANG Xingqi¹，YANG Fan²，YAO Huayan²

（1.Hefei Municipal Design and Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230041，China；2.School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract：In recent years，prefabricated buildings have gradually been widely used in underground pipeline engineering.To study the mechanical performance of prefabricated circular working shafts for pipe jacking，a three-dimensional finite element method was used to analyze the stress of the segment shaft concrete and the connecting bolts for the prefabricated circular working shaft according to the in-situ monitoring of the jacking forces.The results showed that the jacking force can be significantly reduced by some drag reduction measures such as coating lubricant on the pipe surface and using thixotropic mud for grouting，which can even make the jacking force below 50% of the designed value.With the action of jacking force loaded on the prefabricated working shaft，the bolts were not tensioned obviously.Only the concrete outside of the segmental shaft at the backseat wall was significantly tensioned，attention should be paid to it during the design，and some reinforcement should be carried out if necessary.Compared to the bonding CFRP reinforcement scheme，bonding steel plate reinforcement scheme had the advantages of higher material utilization and a more obvious reinforcement effect.The research results can provide a theoretical basis and reference for promoting the application of prefabricated buildings in municipal pipeline engineering.

Key words：underground engineering；pipe jacking；prefabricated circular；working shaft；segment shaft；jacking force；prefabricated buildings