垂直頂升法在頂管法取排水管道中的應用

鄭經緯，鐘潤輝，王振宇

(1.中國能源建設股份有限公司，北京 100022；2.中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200333)

0 引言

頂管法是采用后座千斤頂作為主要動力來源，將鋼管分節頂出頂管工作井，最終形成完整管道結構的地下空間施工技術[1]。由于頂管技術具有施工速度快、不需要大面積施工場地、施工現場隱蔽、非開挖對周圍環境影響較小等優點，在工程中已經得到越來越廣泛的應用。垂直頂升法則是在施工完成的水平隧道內采用豎向千斤頂將取排水立管分節垂直頂出隧道進入水域，形成取排水通道的施工技術。

以往火力發電廠工程建設中，垂直頂升法多用于盾構法取排水管道[2]，而在頂管法取排水管道中工程實例較少。與常規頂管相比，由于立管的預留開孔破壞了鋼管原有的整體性，因此主鋼管的受力和穩定性較差，需要對其進行更細致的分析。

目前國內外對頂管管道結構的計算研究多是針對不帶肋的完整鋼管[3-4]，研究方法上主要有理論分析法[5-6]、數值分析法[7]以及現場實測法[8]。針對頂管中垂直頂升法的研究目前尚少，陳閩、黃永富[9]結合某污水處理廠DN2880的頂管探討了豎管頂升的技術和應用；楊志祥[10]論述了頂管中采用垂直頂升法的地基處理和施工控制方案，解決了原方案運營產生的水體污染問題；富忠權[11]結合現場施工情況，詳細介紹了在海底采用垂直頂升方案的止水技術；王壽生，葛春輝[12]研究了兩種計算垂直頂力的方法，認為采用土體剪切破壞的模式計算頂力更為合適。

本文介紹某燃氣電廠排水頂管，探討在頂管中采用垂直頂升方法時設計人員應注意的問題，為將來類似工程提供參考。

1 工程概況

某燃氣電廠循環水排水鋼頂管1根，采用頂管法施工，排水工作井作為頂管始發工作井，距長江大堤約50 m，橫向管道直徑2.84 m，陸域段及穿越大堤段約78 m，全長356.373 m。管道軸線標高-12.8 m(吳淞高程，下同)，頂管穿越土層比較復雜，管頂土層②3灰色砂質粉土，管底土層④灰色淤泥質粘土，在部分斷面管道頂部會接觸軟弱土夾層②3夾灰黃色淤泥質粉質粘土。本工程共設5根排水立管，直徑均為1.22 m。主要土層的物理力學指標如表1所示。

表1 主要土層特性表

2 排水管道結構

2.1 主體結構

排水管道分兩段，即垂直頂升段及不加肋的標準段，標準段采用常規的圓形鋼管結構，Q235鋼材，直徑2 840 mm，壁厚30 mm。垂直頂升段立管開孔附近的鋼頂管增設環向及縱向加勁肋，遠離立管處環向加勁肋按500 mm間距布置，靠近立管處環向加勁肋按400 mm間距布置，在正對立管開口處環向加勁肋增加至300 mm間距一道，并設置翼板；縱向加勁肋布置時按沿環向30°一道，環向及縱向加勁肋均高200 mm。原則上加固后管道極限頂力不低于原管道。

排水管道在垂直頂升段共布置5根排水立管，中心間距6 m，排水立管采用φ1 220 mm×12 mm垂直鋼頂管。垂直頂升段斷面如圖1所示。

圖1 垂直頂升段斷面圖

2.2 垂直頂升段防水設計

垂直頂升段開口處的防水設計對整個排水管道而言至關重要，一旦發生大量滲水將導致水土涌入進而造成管道結構的破壞。本工程開口處采用兩道防水，第一道防水采用止水密封圈，第二道防水采用油浸石棉盤根，下方采用法蘭固定。防水裝置細部結構如圖2所示。

圖2 開口處防水裝置細部結構圖

3 管道結構計算

3.1 標準段管道

標準段即為常規的圓形無肋鋼管，根據GB 50332—2017《給水排水工程管道結構設計規范》相關公式計算。按施工工況、空管工況、運行工況三種情況分別計算，施工工況最大組合折算應力150 MPa，最大豎向變形19.4 mm；空管工況最大組合折算應力101 MPa，最大豎向變形19.4 mm；運行工況最大組合折算應力82.0 MPa，最大豎向變形20.0 mm，滿足要求。

3.2 垂直頂升段管道

3.2.1 穩定計算

由于垂直頂升段豎向留有立管開孔，破壞了其原有結構的整體性，因此在橫向頂進的過程中，是否會發生屈曲破壞是設計中特別關注的問題。這種既考慮雙向加勁肋又考慮立管開孔的情況，常規方法無法滿足，因此需要采用有限元方法來對其進行分析。本工程頂管的縱向屈曲穩定分析利用大型通用有限元軟件中的非線性屈曲模塊進行計算，有限元模型中的屈曲判別模式可用頂力來控制。在加載的初始階段，頂力隨著某一控制點的位移的增加而增加。當達到某一極值點后，頂力隨著位移的增加呈現出下降趨勢，我們將此極值點的應力作為臨界屈曲應力。

建立的有限元模型如圖3所示。材料本構采用理想彈塑性模型，鋼頂管彈性模量E =206 GPa，泊松比 μ = 0.3。

圖3 鋼頂管有限元模型

模型四周設置土彈簧，第一步施加土體圍壓，第二步在管道兩端施加頂力，模擬管道橫向頂進時的受力變形狀況。圖4為鋼頂管壁厚和加勁肋間距變化時臨界屈曲壓力的變化曲線，可以看到隨著環向間距減小、鋼管壁厚增加，鋼頂管所能承受的頂推力也相應增大。屈曲首先發生在鋼頂管開口處，此處由于孔洞的存在，剛度相對較弱，屈曲應力為205 MPa，表明材料已經進入屈服階段。

圖4 臨界屈曲壓力曲線

3.2.2 強度計算

對排水管道進行結構強度計算時，由于結構的復雜性，同樣只能采用有限元方法，并且應同時計算頂管橫向頂進以及立管垂直頂升兩種主要工況。鋼管材料采用彈性本構模型，模型外表面設置單向彈簧模擬土體對頂管的作用，地基基床系數k值根據地質報告選取，外部土壓力以面荷載形式施加于殼單元外表面。

1)橫向頂進工況

橫向頂進時，立管還未施工，僅有首節管節暫時固定在頂管開口處，建立的有限元模型如圖5所示。模型中應同時考慮環向、縱向加勁肋以及開口處異形加勁環。

圖5 橫向頂進模型

在本工程最不利水土壓力的作用下，環向加勁肋受力最大，最大mises應力(基于剪切應變能的等效應力)為54.51 MPa，位于拱腰處；鋼管外殼最大應力為28.74 MPa，縱肋最大mises應力為13.88 MPa，開口處異形加勁環最大應力為35.43 MPa。此階段管道變形呈橫向橢圓狀。

2)垂直頂升工況

垂直頂升時，立管的頂升反力作用于鋼管下方，施工時同一時間只頂升一根立管，因此每次頂升不同立管對結構而言是存在差異的，分析時重點研究施工中間3號立管以及施工最靠近標準段的1號立管兩種情況。有限元模型如圖6所示。立管頂推反力施加形式如圖7所示。

圖6 垂直頂升模型及立管編號

圖7 立管頂推反力施加形式

1號立管頂升時，外殼最大mises應力44.28 MPa，位于頂升段與標準段連接處；縱向加勁肋最大應力52 MPa，位于開口處；環向加勁肋最大應力62.34 MPa，位于頂升段與標準段連接處。此時管道整體變形趨向于豎向的橢圓形。與1號立管相近的標準段外壁最大應力50.6 MPa，此處外壁應力和變形都比頂升段大，因此使得環向加勁肋最大受力和變形也位于與標準段連接處。

3號立管頂升時，影響范圍主要在頂升段，此處離標準段較遠，對其影響較小。鋼管外壁最大應力65.76 MPa，位于立管開口處；縱向加勁肋最大應力55.76 MPa，位于立管開口處；環向加勁肋最大應力60.63 MPa，位于開口位置拱腰處。此時，由于頂升反力作用在拱底，立管所在斷面處變形為豎向的橢圓形。

4 結語

本文基于某燃氣電廠循環水排水管道工程，對布置有垂直頂升立管的取排水管道進行了結構分析，結果表明垂直頂升立管的布置能滿足排水管道結構在施工和運行過程中的安全要求。

設計時應特別注意管道開口處的加固措施以及防水裝置；在對管道整體結構進行設計計算時，應根據實際情況采用不同模型分工況研究。

此外，由于最終工程的成敗很大程度上也取決于施工質量的控制，因此施工過程中應加強測量，“勤測、勤糾”，保證立管開口處位于設計人員所規定的位置。