翟之陽，彭春強(qiáng)，周質(zhì)炎，張 毅

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092)

超大直徑裝配式頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

翟之陽，彭春強(qiáng)，周質(zhì)炎，張 毅

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092)

裝配式頂管可以有效地解決超大直徑頂管運(yùn)輸困難的問題，簡要介紹裝配式頂管管節(jié)的組成，通過理論分析及有限元模擬研究裝配式頂管管節(jié)內(nèi)力計(jì)算方法，為裝配式頂管管節(jié)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

超大直徑頂管；裝配式頂管；內(nèi)力分析

1 研究背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程速度的加快，城市人口的不斷增多，使得基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與維護(hù)問題日益突出，并嚴(yán)重制約城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，影響城市居民的生活質(zhì)量。敷設(shè)新的煤氣、熱力、電力、給排水等地下管道以及地下通道，沿用以往開槽敷設(shè)已感到越來越困難，甚至難以實(shí)施。頂管是地下管道非開挖施工的一種,這對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下構(gòu)筑物和管線復(fù)雜的市區(qū)來說非常重要。為了減少對交通、市民正?；顒拥母蓴_，減少不必要的拆遷，減少對市容和環(huán)境衛(wèi)生的影響，頂管已成為市政基礎(chǔ)設(shè)施工程中的最佳選擇。

目前國內(nèi)采用的最大鋼筋混凝土頂管內(nèi)徑已經(jīng)達(dá)到4 m，而世界上頂管管道已有不少超過4 m的案例，德國最大口徑已達(dá)4.4 m，日本更是成功將頂管管徑做到了5 m。從受力角度來說，大直徑頂管并不存在技術(shù)問題，但是使用頂管法施工大直徑管道(管道直徑在3.50～5.00 m)時(shí)，管節(jié)的運(yùn)輸成為施工中的重大問題。由于頂管采用的是整節(jié)管道頂進(jìn)，每節(jié)管節(jié)長度為2m或2.5 m，管節(jié)運(yùn)輸存在超寬或超高的問題，這是制約大直徑頂管發(fā)展的重要因素［1-2］。

2 裝配式頂管管節(jié)結(jié)構(gòu)

為解決超大直徑頂管管節(jié)運(yùn)輸問題，可采用裝配式頂管管節(jié)，即將頂管管節(jié)拆分為若干片管片，由工廠預(yù)制，運(yùn)至施工現(xiàn)場后通過現(xiàn)場拼裝形成完成管節(jié)，再吊裝進(jìn)入頂管工作井內(nèi)進(jìn)行頂進(jìn)。該方案可以有效地解決超大直徑頂管運(yùn)輸困難的問題。

裝配式頂管管節(jié)一般由2片管片組成，上、下管片為呈180°的半圓環(huán)管片，在其兩側(cè)的縱拼裝面上分別預(yù)留有若干定位孔和預(yù)埋孔道，其中定位孔和預(yù)埋管道依次相互間隔設(shè)置；定位孔為開設(shè)于縱向拼接面上且具有一定深度的圓孔，其內(nèi)用于設(shè)置定位銷，在管片拼裝時(shí)，采用定位銷控制管片拼裝，防止半圓管片拼裝成環(huán)時(shí)在縱向和橫向上產(chǎn)生的位移誤差，同時(shí)可以抵抗頂管頂進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的管片間不均衡頂力；兩片半圓管片拼裝成圓環(huán)后，在管片預(yù)埋孔道內(nèi)插入預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉，從而使拼裝成環(huán)的管節(jié)形成整體，滿足承載力要求，見圖1、圖2。

圖1 裝配式頂管管節(jié)示意圖

圖2 裝配式管節(jié)剖面示意圖

3 裝配式頂管管節(jié)內(nèi)力分析

裝配式頂管管節(jié)荷載沿用《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS246：2008)［3］中的荷載規(guī)定。對頂管施工管道管頂豎向土壓力采用太沙基計(jì)算模型不考慮粘聚力影響。管側(cè)土壓力采用朗肯主動土壓力，不考慮粘聚力影響，側(cè)向土壓力沿圓形管道管側(cè)分布視為直線分布，計(jì)算值為地面至管中心主動土壓力。管道基座按克萊茵假定。

裝配式頂管管節(jié)有兩片半圓管片組成，管片之間通過預(yù)應(yīng)力張拉形成整體。內(nèi)力計(jì)算時(shí)以《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》為基礎(chǔ)，參考盾構(gòu)管片計(jì)算中的修正慣用法，引入彎曲剛度有效率。通過彎曲剛度有效率體現(xiàn)管片結(jié)合面的剛度削弱引起的內(nèi)力重分配。

預(yù)應(yīng)力筋張拉會對管道產(chǎn)生環(huán)向壓力，該壓力對管片受彎是有利的，考慮到在施工頂進(jìn)過程中由于不均勻頂力使預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生錯(cuò)位，減小有效應(yīng)力，為提高管片結(jié)構(gòu)的安全性，引入預(yù)壓軸力折減系數(shù)［4-6］。

具體內(nèi)力可按下式計(jì)算：

管片結(jié)合面內(nèi)力：

管片內(nèi)內(nèi)力：

式中：M1、N1——不考慮結(jié)合面剛度折減計(jì)算的管片內(nèi)力；

Ny——預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的預(yù)壓軸力；

η——彎曲剛度有效率；

ω——預(yù)壓軸力折減系數(shù)；

Mj、Nj——考慮結(jié)合面剛度折減計(jì)算管片結(jié)合面內(nèi)力；

Mp、Np——考慮結(jié)合面剛度折減計(jì)算管片內(nèi)內(nèi)力。

4 計(jì)算示例

假定設(shè)計(jì)條件：管道內(nèi)徑4 000 mm，管道壁厚320 mm，管頂覆土厚度9.5 m，最低地下水位-3 m，土層內(nèi)摩擦角，土層粘聚力，見圖3。

圖3 管節(jié)計(jì)算簡圖

首先根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS246：2008)計(jì)算整環(huán)內(nèi)力，最不利內(nèi)力點(diǎn)處于A、B、C點(diǎn)。在管片拼裝時(shí)，當(dāng)管片結(jié)合面位于A、B、C點(diǎn)時(shí)，此時(shí)管片結(jié)合面處內(nèi)力最不利。

管片內(nèi)及管片結(jié)合面處內(nèi)力值見表1、表2。

5 有限元分析

利用有限元軟件模擬土體與管片間相互作用，管片結(jié)合面采用通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度模擬。由于轉(zhuǎn)動剛度對于計(jì)算結(jié)果影響較大，計(jì)算時(shí)采用兩種不同轉(zhuǎn)動剛度進(jìn)行分析。計(jì)算模型及結(jié)果見圖4～圖6。

表1 管片內(nèi)各工況標(biāo)準(zhǔn)組合內(nèi)力值(M：kN·m/m,N：kN/m)

表2 管片結(jié)合面各工況標(biāo)準(zhǔn)組合內(nèi)力值(M：kN·m/m,N：kN/m)

圖4 裝配式頂管管節(jié)計(jì)算模型

圖5 裝配式頂管較大轉(zhuǎn)動剛度下管節(jié)內(nèi)力圖

圖6 裝配式頂管較小轉(zhuǎn)動剛度下管節(jié)內(nèi)力圖

對比普通頂管與裝配式頂管的計(jì)算結(jié)果，由于管片結(jié)合面的存在削弱了管片局部剛度，結(jié)合面處的彎矩減小，從而引起管片內(nèi)的內(nèi)力重分布，管片內(nèi)的最大彎矩兩者基本一致。這種情況說明前面的假設(shè)是偏于安全的。

根據(jù)Ansys的計(jì)算結(jié)果，考慮土體與管片共同作用時(shí)，內(nèi)力分布與理論計(jì)算結(jié)果類似，但內(nèi)力計(jì)算結(jié)果明顯小于理論計(jì)算結(jié)果。

6 存在問題

η彎曲剛度有效率、ω預(yù)壓軸力折減系數(shù)確尚需通過理論分析和試驗(yàn)確定

7 總結(jié)

頂管作為非開挖施工技術(shù)，已成為市政基礎(chǔ)設(shè)施工程中的重要選擇。裝配式頂管可以有效解決超大直徑頂管運(yùn)輸困難的問題。在日本已經(jīng)有工程成功使用了裝配式管節(jié)(內(nèi)徑3 500 mm)。

本文通過理論分析及有限元模擬解決裝配式頂管的內(nèi)力計(jì)算問題，通過兩者計(jì)算結(jié)果的比較，有限元模擬得出內(nèi)力分布與理論計(jì)算結(jié)果類似，但是內(nèi)力計(jì)算結(jié)果明顯小于理論計(jì)算結(jié)果。

但在理論計(jì)算中，彎曲剛度有效率η和預(yù)壓軸力折減系數(shù)ω的取值尚需通過理論分析及一系列的試驗(yàn)確定，在下一步的工作中將對這一問題進(jìn)行展開研究。

［1］ GB50332-2002,給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ CECS143：2002,給水排水工程埋地預(yù)制混凝土圓形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.

［3］ CECS246：2008,給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ 葛春輝.頂管設(shè)計(jì)與施工［M］.北京∶中國建筑工業(yè)出版社,2012.

［5］ 張厚美,區(qū)希,夏明耀.圓形裝配式襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)模型研究［J］.建筑結(jié)構(gòu),2001,31(5)∶ 61-64.

［6］ 李春良,王國強(qiáng),劉福壽,等.盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為分析［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,41(6)∶1669-1672.

TU992.23

A

1009-7716(2015)08-0210-03

2015-05-14

翟之陽(1983-)，男，江蘇常州人，工程師，從事市政工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。