HOBAS管在原水壓力管道工程曲線中頂管的應用

蘇 宇，蘇耀軍

（上海市水務建設工程安全質量監督中心站，上海市 200232）

1 工程背景

青草沙水源地原水工程某支線工程在J26-J29頂管施工段由于J27井與J28井位征地拆遷困難無法實施，經調整管位后改由J26井到J29井一次頂進，并采用曲線頂管方式頂進以避讓沿線高壓鐵塔及過河橋樁。該段管線總長791 m，其中直線段長度為124.97 m，曲線段長度為666.06 m，曲率半徑為R=1 200 m，管線布置如圖1所示，由J26井向J29井頂進。該施工段頂管主要穿越土層為③層灰色淤泥質粉質粘土、③夾層灰色粘質粉土夾淤泥質粉質粘土，地質剖面見圖2所示。③層土透水性較差，屬高含水量、高塑性、高壓縮性、低強度、低滲透性的飽和軟土，蠕變量大，土層靈敏度高；而③夾層土層不穩定，滲透性較好。該施工區段內地表水體豐富，管線沿線地下水受大氣降水及沿線主要河流水位漲落影響較大，且臨近高壓鐵塔、橋梁、民房等建構筑物。

圖1 凌橋支線QLZ-C3標J26-J29井總平面布置圖

圖2 J26-J29井工程地質剖面圖

2 壓力管道曲線頂管技術方案的比較和選擇

該工程為輸送原水的壓力管道，原設計鋼管內徑為DN2200，管道運行最大工作壓力為0.80MPa。管位調整后的頂管施工屬長距離曲線頂管（長791 m、曲率半徑1 200 m）。因此除了常規頂管施工技術要求外，方案重點在于管材如何滿足內水壓和曲線頂管施工要求。

2.1 鋼管

鋼管能夠滿足設計內水壓要求，而曲線頂管目前有兩種方法。（1）采用接口焊接形式，利用鋼管本身的彈性敷設能力（軸向可以有一定的彎曲變形能力），進行曲線頂管。由于該工程管徑為DN2200，其軸向抗彎剛度很大，通過頂管機進行曲線頂管，一般要求曲率半徑大于10 000 m以上。（2）采用管道接口“先柔后剛”技術（即鋼管制作成類似“F型”柔性接口管節，待曲線頂管貫通后為保證抗內水壓能力，再對管接縫進行閉合焊接處理，使管道形成整體）。由于綜合成本較高、管道內作業環境差、安全風險高，尤其是貫通后割除加勁板（環）、安裝加強板、角縫焊接等工后處理工作量大等原因，施工難度大。

2.2 鋼筋混凝土管

采用“F型”鋼套環柔性接口形式的鋼筋混凝土管，可以滿足曲率半徑為1 200 m的曲線頂管施工要求，但鋼筋混凝土管以及“F型”鋼套環接口無法滿足設計內水壓的要求。

2.3 玻璃纖維增強夾砂管

采用企口式、套環式柔性接口的離心澆筑成型工藝的玻璃纖維增強夾砂管，可以滿足曲率半徑為1 200 m的曲線頂管施工要求；同時，玻璃纖維增強夾砂管能夠滿足設計內水壓要求；另外，玻璃纖維增強夾砂管具有內壁光滑磨阻小、不易結垢、耐腐蝕性好、能抵抗多種無機溶劑、有機溶劑的侵蝕、抗老化、重量輕等有特點。因此較適合該工程，但需要研究管道接口技術，以解決在設計內水壓條件下的管縫接口抗滲漏能力。同時，還應結合該工程頂管施工的技術特點，改進管材結構設計，以滿足頂力要求和克服管道受軸向頂力作用而擠壓變形的影響。

綜合上述分析，該曲線頂管工程確定采用玻璃纖維增強夾砂管，并就頂管用管節結構形式、管節接口形式等關鍵技術進行了重點研究。

3 曲線頂管用HOBAS管管節設計與制作控制

3.1 管材制作工藝的確定

玻璃纖維增強夾砂管的制作工藝分為連續或定長纏繞工藝、離心澆筑工藝，其成型管材均具有較大的抗內水壓能力，因此對于該工程主要是考慮管材結構能否滿足頂管要求，即施工性。由于纏繞工藝制作的復合結構管壁斷面材質分布呈環向較大差異、分層明顯和不均勻性，其軸向壓縮強度相對較低（小于100 MPa）、強度離散性較大，不是很適合該工程頂管用管。而玻璃纖維增強夾砂管（簡稱HOBAS管)為離心澆筑工藝，其管壁密實度較高、材質分布連續、穩定、均勻性較好，軸向壓縮強度較高（不小于120 MPa）、強度離散性較小，因此該工程選用HOBAS管作為頂管用管。同時，由于該管材內表面光潔，根據其粗糙系數計算，將原內徑DN2200鋼管（水泥砂漿內防腐層） 改為管道公稱直徑為DN2000的HOBAS管。

3.2 管壁結構形式

該工程頂管工作井設計允許最大頂力為4500 kN，綜合考慮管材抗軸向變形能力，以及曲線頂管技術要求（管口端面受力、接口保護等） 因素，按軸向壓縮強度設計值取120 MPa，并提高管材富裕安全頂力，將HOBAS管的設計允許頂力確定為8 000 KN，但施工允許頂力控制在4 500 kN以下；根據該工程管道運行最大工作壓力、結合正常運行壓力，將HOBAS管的設計壓力等級確定為1.0MPa，管材的環向拉伸強度應不小于6 300 kN/m。因此根據軸向壓縮強度和環向拉伸強度值，確定管壁的玻璃纖維層（GRP層）厚度為40 mm。

另外，由于頂管管材采用柔性接口，其接口構造形式的原因，接口范圍的壁厚較管身薄，但力學性能應不低于管身。這就要求接口范圍的材質和壁厚應與管身相同，即玻璃纖維層（GRP層）、厚度為40 mm。因此，需要增加管身厚度，以滿足管節接口構造要求。該工程接口采用套筒式，根據套筒尺寸要求，將管身壁厚分為內壁層（40 mmGRP層）和外壁層（33 mmRM層），考慮經濟成本并結合管材制作工藝的可行性，外壁層采用29 mm厚的樹脂砂漿層、并在其中間夾4 mm厚的玻璃纖維增強層（提高外壁層受彎抗裂能力）。管身管壁設計總厚度為73 mm、設計環剛度為50 000 N/m2，結構形式如圖3、圖4所示。

圖3 管節接口與套筒連接形式示意圖

圖4 HOBAS管管壁結構（GRP層+RM層的復合疊層結構）示意圖

3.3 管道接口連接形式

頂管管道柔性接口有企口式、套筒式，鑒于鋼套環在鋼筋混凝土管頂管中的成熟應用，加之企口式要求管壁厚進一步增加（成本也隨之增加），該工程最終確定為套筒式接口連接形式。套筒采用純玻璃纖維增強層為連續玻璃纖維纏繞制成，其環向和軸向拉伸強度基本于管身內壁層一致。套管內表面覆襯倒齒形橡膠止水帶，該止水帶外型構造上呈突起齒型，當兩管節承插后突起頂部向管縫方向翻轉，在承受內水壓時具有較好的壓密性，能承受較高的內水壓力。同時，考慮曲線頂管的管縫張開角度需要0.15°（單節管長取3 m），而套筒式能夠適應這要求。套筒接頭形式見圖5所示。

圖5 FWC套筒接頭形式示意圖

3.4 管道接口連接形式

由于壓力管道曲線頂管用HOBAS管是首次應用與原水輸水工程，因此在前期大量試驗的基礎上，有針對性地增加、調整、優化設計，其制作標準以國家標準《玻璃纖維增強塑料頂管》(GB/T 21492—2008)為主。同時，根據該工程設計和管材技術要求，就管身、接口、套環分別具體明確了制作質量指標，其增加、調整的關鍵技術指標主要為軸向壓縮強度、管身和套筒的環向拉伸、管身和套筒的軸向拉伸、管節水壓滲漏性能、兩管安裝后的接口偏轉0.5°水壓滲漏性能等。還有，應嚴格產品出廠的檢驗要求，其中：非破壞性檢驗包括管道和套筒尺寸和外觀質量，每根100%檢驗；破壞性檢驗包括管身和接口偏轉的水壓滲漏、環剛度、撓曲性、環向拉伸、軸向拉伸、壓縮強度，按1%比例檢驗。在產品定性前，還進行了擴展性試驗研究，其中接口偏轉水壓滲漏分別在1.0°、1.5°情況下無滲漏。

4 HOBAS管曲線頂管施工的主要技術控制要點

套筒式柔性接口的HOBAS管曲線頂管施工可以借鑒鋼套環柔性接口的鋼筋混凝土管道施工技術，但由于管材材性、接口形式、使用工況的不同，應重點解決曲線頂管軸線的形成與控制、管節接口保護、管材保護等關鍵技術。

4.1 曲線頂管軸線的形成與控制

曲線頂管的管節接縫張開一側的接口部位管壁受土體的垂直反力較大，HOBAS管及套筒容易發生變形失穩甚至破壞，因此允許頂力較鋼筋混凝土管小。同時，要求在曲線形成、保持過程中應減少接口部位、套筒的集中應力，以保證管接縫的完好。這對機頭及后續管節的“組合彎曲頂頭”提出了較高要求。該工程采用了靈敏度較好的“兩段一鉸式”大刀盤土壓平衡頂管機，其后部增設了5節特殊鋼鉸接管并配小行程糾偏油缸，通過調整螺栓與螺母位置來強制打開、保持鉸接管開口量，以形成較理想、穩定的“組合彎曲頂頭”，各管節通過機頭后部鉸接段形成的通道自動形成設計張角，完成后續HOBAS管較自由的被導入曲線段通道。

4.2 管節接口保護

該工程曲率半徑R=1 200 m、單節管長L=3 000mm、管節外徑D=2 046mm，根據L1·D/R≤S公式，經計算曲線段管縫張口值S應控制在5.12 mm。在曲線頂進和頂進糾偏中，為使管節端面盡可能的均勻受力、減少應力集中，除“組合彎曲頂頭”、泥漿套、最大允許頂力控制等技術運用外，管縫木襯圈的選擇是關鍵之一。該工程根據套筒式接口止水密封構造尺寸，結合不同木襯圈材質和厚度的試驗，要求管縫寬度與張口值之和控制在20.0 mm以內，因此，選用木襯圈的厚度為15 mm的人工松木芯板。

4.3 管材保護

頂管工程不可避免地會涉及施工外力沖擊、機具摩擦等情況，對于壓力管道還涉及鋼制中繼間閉合焊接等需要。HOBAS管采用了玻璃纖維、樹脂砂漿等化工材料，其抗沖擊能力較差、耐磨性較差、且不耐高溫，因此施工期間對HOBAS管的保護也有特殊要求。為此，該工程在管道吊運過程中要求采用采用軟式吊帶抱箍起吊，以防止管壁損傷或管道接口破損；進入工地現場后采用定型化的表面抱覆橡膠板的存管平臺和托架，保護管節表面；管道內出土土方運輸采用泥漿泵系統，管底鋪設耐磨的木制走道板，減少施工磨損；專門設計管道內置物托架，擱置進水管、排泥管、電纜、中繼泵等設備，保護管材表面不被劃傷，其內撐托架見圖6所示。針對頂管中繼間需采用高溫切割、焊接作業的實際情況，優化可拆卸型式中繼間設計（僅保留一道焊縫），將中繼間承插滑動部分加長以增加高溫作業點與HOBAS管距離，同時在作業過程中采用噴淋降溫措施，保證HOBAS管材處于允許溫度范圍內。

圖6 定型化管道內撐托架實景

5 結語

HOBAS管頂管的順利進洞、整體管道壓力試驗的成功，證明了該類管材在青草沙工程中得到了成功應用。其2 m的管口直徑、791 m的頂管頂程、1 200 m曲率的曲線頂進在國內均為首次運用，也解決了傳統鋼管曲線頂管鉸接管后續處理工作量大的難點，為原水工程曲線頂管提供了新的發展方向。

[1]蘇宇，蘇耀軍.大口徑復合管材在曲線頂管壓力管道中的應用與施工技術研究[R].上海市青草沙投資建設發展有限公司，中鐵十六局集團有限公司，2013.