港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道曲線鋼管幕管節連接技術

劉應亮

(中鐵十八局集團有限公司，天津300222)

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道曲線鋼管幕管節連接技術

劉應亮

(中鐵十八局集團有限公司，天津300222)

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定區域，采用“曲線管幕+凍結法”施工。由于其地質條件復雜，施工方法特殊，對管節連接有較高要求。本文介紹了曲線管幕管節連接承插口F形接頭的結構，通過有限元數字仿真模擬密封效果，進行了1∶1的模型接頭受力分析試驗以及管節連接安裝施工工藝研究，系統地總結了曲線鋼管幕管節連接的結構特征、密封效果、受力特性和操作要點。

港珠澳大橋;拱北隧道;曲線鋼管幕;管節連接技術

頂管技術在市政工程中的應用越來越廣泛，但是由于城市基礎設施日益增多，在施工時往往為了避開地下建筑物而使得頂進軌跡改為曲線。由于鋼管壁薄，剛度小，大多采用焊接方式處理管節間接頭，一般被認為不適合曲線頂管。港珠澳大橋拱北隧道段曲線鋼管幕的施工中，為了滿足工程施工要求，對管節接頭進行了針對性設計，取得了非常好的效果。

1　工程背景

拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定區域，條件復雜，位于曲率半徑885.852～906.298 m的緩和曲線和圓曲線上，是國內第1座采用曲線管幕法施工的隧道［1］。管幕由36根1 620 mm鋼管組成，管節均由A3Q235BZ型鋼板制作，有效長度為4 m，由1.83，2.0 m卷焊鋼管和1節0.17 m承口、1節0.155 m插口組焊而成，每根管節質量4.4 t，連接方式采用承插口F形接頭［2-5］，其結構示意詳見圖1。

圖1　承插口F形接頭結構示意(單位:mm)

2　曲線鋼管幕管節連接技術研究

2.1鋼管曲線頂管承插接頭應用現狀

工程中常用的鋼管曲線頂管承插接頭主要有3種形式:無預留油缸的固定式接頭、有預留油缸的固定式接頭和有預留油缸的可拆式(裝配式)接頭。

1)無預留油缸的固定式接頭［6］在曲線段頂進時，由工具管千斤頂產生一定的角度，再將后續管節接頭一側的限位螺栓插入楔形木墊片，形成管節之間的張開角度。然后利用周圍土體提供的足夠抗力，在頂推力的作用下使管節轉向，形成曲線段。

2)有預留油缸的固定式接頭［7-8］在2節管道接頭處局部安裝預留糾偏油缸，在曲線段頂進時，油缸可以調節管節之間的張開角度，從而改變局部管節的頂進角度。這種接頭主要用于軌跡曲率半徑發生變化的曲線頂管中。

3)有預留油缸的可拆卸式(裝配式)接頭［9］結構與固定式接頭類似，不同之處是將前、后固定板改為可拆式，通過螺栓連接咬合在關節的固定環狀貼板上。在曲線段頂進時，通過油缸調節管節之間的張開角度。頂管完成后，可以很方便地拆掉前、后固定板，減少了很多切割和焊接工作量。

2.2承插口F形接頭特點

為了滿足本工程鋼管幕頂進需要，對管節采用了針對性設計，本工程采用了上文所述的第1種承插接頭，即“無預留油缸的固定式接頭”。該管節接頭結構參見圖1，其優點如下:

1)F形接頭可以使頂管中由于曲線轉角、施工偏差等原因造成的應力、變形能夠及時釋放，為以后管幕的承載力提供了保障。

2)F形接頭承口端的坡口、插口端凹線及承插口之間5 mm間隙(見圖1)可以滿足不小于0.26°轉角，達到最小間隙滿足施工和管幕曲線的要求，頂進時有利于管節間的穩定。

3)由于管節屬于薄壁結構，因此在管節接頭兩端承插口環向設置加勁板，每端40塊，以提高接頭處環向剛度，控制接頭處的徑向變形。

4)兩管節間設置20 mm厚的臨時木質墊片，以避免管節在不均勻頂力下的變形和失穩。

5)插口上設2道凹槽，安裝2道遇水可膨脹鷹嘴橡膠圈，防止接口結合面處產生滲漏，且橡膠圈壓縮變形量應滿足止水要求。

6)承口端設置45°坡口，便于管節安裝。

缺點:

1)由于在曲線頂進過程中，F形承插口接頭可能造成管節靠近接頭位置的應力集中，增加了這些位置屈服破壞的可能性。

2)為了確保接頭密封性，要求接頭鷹嘴橡膠必須滿足較高的密封要求，承插口加工尺寸也需要達到較高精度。

3)承插口存在多條焊縫，且為應力集中處，焊接質量要求高。所以要實現曲線管幕施工安全必須以工廠化精加工管節為基礎。

從承插口F形接頭連接結構的特點可以看出，研究曲線鋼管幕管節連接的密封效果以及該結構的應力特征十分重要。

2.3曲線鋼管幕管節連接密封性研究

管節的密封結構主要是鷹嘴橡膠圈，其密封原理是通過管節安裝過程中對其產生一定的壓縮變形，使橡膠圈與密封面緊密貼合產生接觸壓力。接觸壓力的大小直接反應密封圈的密封能力，傳統理論很難準確求得接觸壓力。因此利用ABAQUS有限元軟件分析密封接觸面壓力來衡量橡膠圈結構是否合理。

1)鷹嘴橡膠圈計算模型

考慮到Q235鋼材彈性模量比橡膠高很多，故可以把承插口看作剛體，采用解析剛體來模擬。鷹嘴橡膠密封圈為不可壓縮材料，在模擬過程中其材料特征設置為超彈性材料，利用Mooney-Rivlin應變能函數來表征。材料模型參數如表1所示。

2)橡膠圈受力分析

本工程管幕最大地下水壓力為0.26 MPa，計算模擬鷹嘴橡膠圈受地下水壓力為0.1，0.2，0.3，1.0 MPa下的應力云圖。計算結果見表2，應力云圖以0.3 MPa為例見圖2。由表2可知，隨著作用在橡膠圈上的水壓力增大，其應力先減小后變大，水壓力作用可以改善橡膠圈受力。各級水壓下最大接觸壓力均大于水壓力，密封效果良好。

表1　鷹嘴橡膠圈參數

表2　模擬計算結果

圖2　0.3 MPa壓力下鷹嘴橡膠圈應力和接觸壓力云圖(單位:MPa)

3)承插口間隙對密封影響

設計中管節接頭承插口之間的間隙為5 mm，但是加工過程中難免存在誤差，為了研究承插口加工誤差對管節密封性能的影響，采用ABAQUS模擬分析不同的承插口間隙下橡膠圈與插口的接觸壓力。分析中間隙分別為5～13 mm，施加水壓力為0.4 MPa。計算結果對比詳見圖3。

隨著間隙的增加，橡膠圈的最大接觸壓力隨之增大，但相對增加量不大。由圖3可得橡膠圈與插口的接觸長度隨著間隙的增加而減小，而接觸長度越長密封性越好，可見間隙越小密封性越好。5 mm間隙下接觸長度約為20 mm，而13 mm間隙下接觸長度只有約6 mm，密封性能減弱。再增加間隙，接觸長度急劇減小，計算無法收斂，所以建議承插口間隙不要＞10 mm。

圖3　不同間隙橡膠圈接觸壓力對比

2.4曲線鋼管幕管節連接接頭應力分析

在曲線軌跡條件下管節之間存在一定的偏角，在頂進力作用下，在靠近接頭的位置應力會重新分布，造成分布不均勻的現象。現有理論計算主要針對混凝土曲線頂管，鋼頂管接頭應力分布多采用試驗加以確定［10-11］。為了研究曲線鋼管幕頂管中管節連接結構的應力特征，采用1∶1的模型測試接頭應力情況，見圖4。

圖4　管節應力與密封性測試試驗系統

試驗管道由3節管節組成，采用MTS擬動力加載系統加載，利用木墊片厚度的差造斜，通過幾何關系即可將木墊片厚度差換算成管節的偏角。

試驗采用了1塊34 mm木墊片及3塊29 mm木墊片，換算得出管節偏角為0.18°。頂推力分級加載，每級增加200 kN。由于試驗目的在于研究管節接頭連接造成的管節應力集中，因此監測斷面主要布置在靠近接頭的位置(見圖5)。

圖5　監測斷面布置

其中3，4，9，10號斷面位于接頭縱向肋板間隙，距離接頭法蘭100 mm，主要監測F形承插接頭肋板之間的應力重分布狀況。1(500 mm)，2(330 mm)，5(230 mm)，6(400 mm)，7(500 mm)，8(330 mm)，11(230 mm)，12(400 mm)號斷面距離接頭稍遠(括號內為斷面到臨近接頭法蘭的相對距離)，旨在利用靠近接頭位置的應力狀況反映該結構造成的應力集中。

試驗結果表明，管節連接接頭附近最大軸向應力－29.79 MPa，最大環向應力27.39 MPa，均出現在800 kN頂推力作用過程中。這遠遠小于管材Q235鋼材的屈服極限。可以證明在800 kN頂推力作用下，最靠近頂推油缸的3節管(也可以認為是承載最大的3節管)承載力能夠滿足要求。

圖6以600 kN頂推力作用下管節接頭軸向應力分布為例，展示了管節接頭附近應力在管軸線方向的分布情況。該圖選取了規律性較為明顯的0°，144°，180°和216°這4個位置各斷面的軸向應力分布。

圖6　600 kN頂力下，管節沿軸線的軸向應力分布

從圖6中不難看出，在最為靠近管節連接承插接頭的3，4，9，10號斷面，應力明顯出現低谷，這很好地印證了在連接接頭縱向筋板附近，應力向筋板焊縫集中的推測。在距離接頭稍遠的2，5，8，11號斷面，應力明顯增大，形成一個較大的應力峰值。在距接頭更遠的1，6，7，12號斷面，應力值迅速回落。這一現象也是F形承插口接頭造成應力重分布的有力證明。

通過對管節連接結構的應力試驗可以看出，F形承插口接頭在曲線頂管過程中很可能形成應力在接頭附近集中的現象。這對管節承受頂推荷載是不利的。在管節設計中，需要將管節接頭位置作為“危險位置”進行更加謹慎的設計。

2.5管節連接操作要點

1)管節吊耳與管節螺栓孔在同一條直線上，能快速地與前一管節螺栓孔相應對接。

2)木質墊板放入承口后采用扎帶穿過螺栓孔綁扎牢固。

3)承口導入面及鷹嘴橡膠圈均勻涂抹一層潤滑劑，會使安裝更加輕巧、快捷，并有效地保護橡膠圈在管節對接中不會被損壞。

4)管節連接頂進施工中螺栓保持松弛狀態，預留7 mm空隙，形成柔性連接，從而保證了管節的張開角度和管道的曲線軌跡符合設計要求。管幕在貫通后，取出木質墊板，并將螺栓逐一擰緊，形成最終的剛性連接的曲線管幕。

3　結語

通過對港珠澳大橋拱北隧道曲線管幕工程頂管管節連接技術的總結，并結合密封性數值模擬和室內管節接頭受力試驗，改進了高水壓條件下曲線管幕頂管管節連接技術，為今后類似工程提供一定的參考。

1)F形鋼管管節接頭連接方便，容易偏轉造斜，適合用于曲線頂管施工。但承插口加工尺寸精度要求高，焊接部位容易出現應力集中，焊接質量要求高。因此，工廠化精加工管節是曲線管幕施工的基礎。

2)通過室內管節接頭應力試驗結果可知，在管節接頭附近應力集中明顯，管節中部應力水平較低，所以管節接頭處是受力最薄弱的區域，需要重點加強。

3)通過ABAQUS有限元軟件對鷹嘴橡膠圈進行密封模擬，發現在各級水壓力作用下，橡膠圈與承插口的接觸壓力均大于作用水壓力，表面密封性良好。隨著承插口間隙的增大，接觸壓力減小，密封性能降低。因此管節接頭密封性的關鍵是選擇合適的承插口間隙，使得接觸壓力始終大于作用水壓力。

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(責任審編 趙其文)

Pipe Connection Technology for Curved Steel Pipe Roof of Gongbei Tunnel at Zhuhai Link of Hong Kong－Zhuhai－Macao Bridge Project

LIU Yingliang
(China Railway 18th Bureau Group Co．，Ltd．，Tianjin 300222，China)

The underground part of Gongbei tunnel at Zhuhai Link of Hong Kong－Zhuhai－Macao Bridge，passing underneath a restricted area of Gonebei Port，was built with curved pipe roof method and freezing method．Complicated geological condition and special construction method require high quality of pipe connection．The structure of F-shaped joint was introduced．Anum erical simulation of sealing effect was conducted with finite element method．Ascale of 1:1 model was used to study the joint's performance．The construction procedure of the pipe connection was studied．With the above analysis of the pipe connection of curved steel pipe roof，its structural features，sealing effect，performance and construction method were dem onstrated．

Hong Kong－Zhuhai－Macao Bridge;Gongbei Tunnel;Curved steel pipe roof;Pipe connection techno logy

U455．49

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．17

1003-1995(2016)11-0065-04

2016-05-29;

2016-08-26

劉應亮(1980—)，男，高級工程師。