超大直徑裝配式頂管結構設計研究

翟之陽，彭春強，周質炎，張 毅

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

超大直徑裝配式頂管結構設計研究

翟之陽，彭春強，周質炎，張 毅

(上海市政工程設計研究總院(集團)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輸困難的問題，簡要介紹裝配式頂管管節的組成，通過理論分析及有限元模擬研究裝配式頂管管節內力計算方法，為裝配式頂管管節的設計提供理論基礎。

超大直徑頂管；裝配式頂管；內力分析

1 研究背景

隨著社會經濟的發展，城市化進程速度的加快，城市人口的不斷增多，使得基礎設施建設與維護問題日益突出，并嚴重制約城市經濟的發展，影響城市居民的生活質量。敷設新的煤氣、熱力、電力、給排水等地下管道以及地下通道，沿用以往開槽敷設已感到越來越困難，甚至難以實施。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、地下構筑物和管線復雜的市區來說非常重要。為了減少對交通、市民正常活動的干擾，減少不必要的拆遷，減少對市容和環境衛生的影響，頂管已成為市政基礎設施工程中的最佳選擇。

目前國內采用的最大鋼筋混凝土頂管內徑已經達到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，管節的運輸成為施工中的重大問題。由于頂管采用的是整節管道頂進，每節管節長度為2m或2.5 m，管節運輸存在超寬或超高的問題，這是制約大直徑頂管發展的重要因素［1-2］。

2 裝配式頂管管節結構

為解決超大直徑頂管管節運輸問題，可采用裝配式頂管管節，即將頂管管節拆分為若干片管片，由工廠預制，運至施工現場后通過現場拼裝形成完成管節，再吊裝進入頂管工作井內進行頂進。該方案可以有效地解決超大直徑頂管運輸困難的問題。

裝配式頂管管節一般由2片管片組成，上、下管片為呈180°的半圓環管片，在其兩側的縱拼裝面上分別預留有若干定位孔和預埋孔道，其中定位孔和預埋管道依次相互間隔設置；定位孔為開設于縱向拼接面上且具有一定深度的圓孔，其內用于設置定位銷，在管片拼裝時，采用定位銷控制管片拼裝，防止半圓管片拼裝成環時在縱向和橫向上產生的位移誤差，同時可以抵抗頂管頂進時產生的管片間不均衡頂力；兩片半圓管片拼裝成圓環后，在管片預埋孔道內插入預應力鋼筋進行張拉，從而使拼裝成環的管節形成整體，滿足承載力要求，見圖1、圖2。

圖1 裝配式頂管管節示意圖

圖2 裝配式管節剖面示意圖

3 裝配式頂管管節內力分析

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

裝配式頂管管節有兩片半圓管片組成，管片之間通過預應力張拉形成整體。內力計算時以《給水排水工程頂管技術規程》為基礎，參考盾構管片計算中的修正慣用法，引入彎曲剛度有效率。通過彎曲剛度有效率體現管片結合面的剛度削弱引起的內力重分配。

預應力筋張拉會對管道產生環向壓力，該壓力對管片受彎是有利的，考慮到在施工頂進過程中由于不均勻頂力使預應力筋產生錯位，減小有效應力，為提高管片結構的安全性，引入預壓軸力折減系數［4-6］。

具體內力可按下式計算：

管片結合面內力：

管片內內力：

式中：M1、N1——不考慮結合面剛度折減計算的管片內力；

Ny——預應力筋產生的預壓軸力；

η——彎曲剛度有效率；

ω——預壓軸力折減系數；

Mj、Nj——考慮結合面剛度折減計算管片結合面內力；

Mp、Np——考慮結合面剛度折減計算管片內內力。

4 計算示例

假定設計條件：管道內徑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，土層內摩擦角，土層粘聚力，見圖3。

圖3 管節計算簡圖

首先根據《給水排水工程頂管技術規程》(CECS246：2008)計算整環內力，最不利內力點處于A、B、C點。在管片拼裝時，當管片結合面位于A、B、C點時，此時管片結合面處內力最不利。

管片內及管片結合面處內力值見表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，管片結合面采用通過調整節點轉動剛度模擬。由于轉動剛度對于計算結果影響較大，計算時采用兩種不同轉動剛度進行分析。計算模型及結果見圖4～圖6。

表1 管片內各工況標準組合內力值(M：kN·m/m,N：kN/m)

表2 管片結合面各工況標準組合內力值(M：kN·m/m,N：kN/m)

圖4 裝配式頂管管節計算模型

圖5 裝配式頂管較大轉動剛度下管節內力圖

圖6 裝配式頂管較小轉動剛度下管節內力圖

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

根據Ansys的計算結果，考慮土體與管片共同作用時，內力分布與理論計算結果類似，但內力計算結果明顯小于理論計算結果。

6 存在問題

η彎曲剛度有效率、ω預壓軸力折減系數確尚需通過理論分析和試驗確定

7 總結

頂管作為非開挖施工技術，已成為市政基礎設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輸困難的問題。在日本已經有工程成功使用了裝配式管節(內徑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力計算問題，通過兩者計算結果的比較，有限元模擬得出內力分布與理論計算結果類似，但是內力計算結果明顯小于理論計算結果。

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

［1］ GB50332-2002,給水排水工程管道結構設計規范［S］.

［2］ CECS143：2002,給水排水工程埋地預制混凝土圓形管管道結構設計規程［S］.

［3］ CECS246：2008,給水排水工程頂管技術規程［S］.

［4］ 葛春輝.頂管設計與施工［M］.北京∶中國建筑工業出版社,2012.

［5］ 張厚美,區希,夏明耀.圓形裝配式襯砌結構力學模型研究［J］.建筑結構,2001,31(5)∶ 61-64.

［6］ 李春良,王國強,劉福壽,等.盾構管片結構的力學行為分析［J］.吉林大學學報(工學版),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，從事市政工程結構設計工作。