玻璃钢夹砂管管材接口的保护技术

丁玉龙

（中铁十六局集团有限公司，北京 100018）

管道工程中应用的管材，除了需要考虑满足运行阶段的强度、刚度和稳定性要求和管道接口的密封性要求外，还要考虑管道在施工阶段的相应要求[1-6]。

对于顶管管材的保护技术，一些专家和学者做过不少的研究和探索[7-9]，但由于实际工程中，将复合管材应用于有压顶管隧道的情况尚属首次[10-11]，因此对于其接口的保护有着更高的要求，应当从多个角度进行研究和分析。

1 管口形式的设计

青草沙凌桥支线C3标J26-J29顶管施工段，是国内顶管施工领域第一次将复合管材应用于长距离压力曲线顶管施工，标段自海高路J26井起，沿高桥港，在外环线与高桥港交叉处穿越高桥港，到港城路东侧J29井。管线包括直线段和曲线段两个部分，其中直线段长度为124.97 m，曲线段长度为666.06 m，曲率半径为R=1 200 m，管线总长791.03 m，见图 1。顶管中心设计标高为-6.6 m，覆土10 m，主要穿越土层为③层灰色淤泥质粉质粘土与③夹层灰色粘质粉土夹淤泥质粉质粘土。

图1 工程平面示意图Fig.1 Engineering Sketch Map

复合管材采用的材料为玻璃纤维增强塑料与石英砂，该种复合管材道的管壁结构通常被制成夹层结构的形式，而且内外玻璃纤维增强塑料层厚度基本相同，当该厚度越接近，夹层结构的刚度就越高，但抗弯强度差。所以这种结构形式的管道与接口通常应用于污水等无压直线管道施工。而凌桥支线为压力管道，必须保证管道有足够的强度，更要保证接口能够承受闭水试验压力及运营阶段的内水压，为此该工程对复合管材接口进行了研究应用。

1.1 管壁结构形式

通过估算，确定管材在曲线顶进过程中需要的允许顶力为8 000 kN，而本管线的工作压力为0.80 MPa，通过管道工程结构设计，确定管材的压力等级1.0 MPa（即PN1.0），管道的环向拉伸强度应不小于6 300 kN／m。根据管壁中的玻璃纤维增强塑料层（GRP层）的环向拉伸强度和轴向压缩强度值，确定管壁中玻璃纤维增强塑料层厚度约在40 mm左右，最终选择了如图2所示的不对称夹层管壁结构形式，总厚度为73 mm，其中的内玻璃纤维增强塑料层为40 mm（包含内衬层），树脂砂浆层（RM层）厚度约33 mm。图3为最后确定的管壁结构剖面的实拍照片。

图2 管壁结构（mm)Fig.2 Structure of Pipe(mm)

图3 管壁结构照片Fig.3 Photo of Pipe Structure

1.2 管口结构形式

为保证压力管的的密闭性，选择了套筒式接口，套筒压缩厚度为33 mm。而套筒与管壁外径一致的情况下，在接口处管壁结构只能剩余40 mm厚度，即为玻璃纤维增强塑料层厚度。管壁结构中，由于玻璃纤维增强塑料层的抗压强度（标准值在120 MPa以上）明显高于树脂砂浆层（65 MPa～75 MPa），通过计算，此40 mm厚纯玻璃纤维增强层能够保证管口连接区管壁的抗压强度，满足施工要求。最终确定管口处管壁厚度为40 mm。见图4。

图4 接口详图Fig.4 Detailing of Pipe Joint

在试安装测试时发现，端口直角外棱会对密封胶圈产生不同程度的损坏，导致连接处密封性能下降。为此对接口进行了进一步的改进，对管口端面外棱进行倒角处理。倒角半径成为问题的关键，倒角半径太大会影响端面的强度，不能满足施工要求。通过试验发现，倒角半径小于3 mm，管端轴向压缩强度下降较小，倒角半径再大，压缩强度下降过大，结果见表1。因此规定管口的倒角半径为3 mm。

表1 管口区管壁轴向压缩强度试验数据Tab.1 Axial Compressive Strength Test Data of Pipe Joint

2 管口有限元模型分析

在曲线顶管施工过程中，管口为传力的薄弱环节。管口在节间转动过程中受到止水套环的约束，使得管口受到弯矩应力、剪应力和轴向压应力共同作用下，受力状态复杂，无法通过常规计算方法得到其实际应力分布状态。该工程通过有限元分析来模拟复合管曲线顶管过程中管口的实际受力情况，有效地为施工提供参考依据，保证顶管施工的顺利进行。

2.1 计算模型

由于管材厚度与管材直径、长度差异较大，选择厚壳单元进行建模计算。整个模型的计算关键位置在于管口，故在管口处单元划分精度加密，而管身处的单元划分精度适当放宽。实际划分单元时，管口单元最大边长为50 mm，管身单元最大边长为100 mm。图5为单节管节的结构模型，单元划分加密处为管口截面，余为管身截面。

图5 单管节结构模型Fig.5 Structure Model of Single Pipe

图6 止水套环与管节结构模型Fig.6 Structure Model of Pipe and Sealing Ring

止水套环也采用厚壳单元模拟，厚度为30 mm，单元最大尺寸为50 mm。图6为止水套环与单节管节的模型。

为了合理模拟套环与管口间的共同作用，建模过程中在套环与管口之间设置滑动摩擦接触面，即套环与管口之间存在一定量的滑移的同时不失去套环对管口的环向约束作用。无套环侧管节边界无约束。

曲线顶管管节之间传力宜采用不张口接头的受力模式，为防止管节集中应力破坏管材，在管节间连接处用垫木垫圈，厚度15 mm，其内径应比管道内径大2 mm，外径应等于接头的最小内径。

接头处转折角 θ＝arctan［（L+a）／R］=0.144°，张口尺寸 ΔL＝2×D外sin（θ／2）＝5.15 mm。见图 7。

图7 曲线张口示意图Fig.7 Open of Pipe

计算中取顶管管节间夹角为0.15°，计算工况按照规范规定的管节间夹角0.3°计算。管节顶力考虑6 000 kN（600 t）。通过几何关系可以计算得到加载截面上侧中点的张开量ΔL=6 mm，进而施加到模型上，模拟管节的偏转。

2.2 计算结果分析

（1）管节发生0.3°转角（不考虑顶力作用）

从图8可以看出，当发生管节偏转后，套环受到管节偏转作用发生环向变形（膨胀）。

图8 发生0.3°偏转后管节侧视图Fig.8 Side View of Pipe after 0.3°Deflection Occurs

发生0.30°偏转时，管口受到套环约束作用而产生较大弯曲应力，该应力为拉应力最大值位于上部开口处，管口最大纵向拉应力约为25 MPa，接近管身位置的纵向拉应力约为10 MPa，低于管材强度。

在0.30°转角时，管口环向压应力分布如图10所示，开口侧为上侧。从图中可以发现，受到套环的约束管口的环向压应力值较高，且离管口50 mm范围内的应力接近了100 MPa，已接近材料的抗压强度。

图9 发生0.30°偏转时管口纵向应力Fig.9 Longitudinal Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

图10 发生0.30°偏转时管口环向应力Fig.10 Radial Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

（2）管节发生0.3°转角（考虑顶力作用）

图11 发生0.3度偏转时管口纵向应力Fig.11 Longitudinal Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

施加顶力后，管口位置既存在纵向拉应力又存在压应力，最大拉应力约为12.5 MPa，最大压应力约为50 MPa。无顶力工况下管节间为下部点接触，施加顶力后，管节间的接触面增加，以传递更多顶力，从而在一定程度上降低了管口纵向的拉应力。

图12 发生0.30度偏转时管口环向应力Fig.12 Radial Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

管口的最大环向压应力约为85 MPa，随着顶力的施加，使得管口的开口角度略有减小，从而使得计算环向压应力小于无顶力的工况。环向压应力最大值发生在开口处，该应力分布在距离管口边沿约100 mm范围内，且沿截面高度向下减小。

从计算结果可知，管口为最薄弱的环节，需要采取合理的保护措施，以保证工程施工的质量。

3 管口保护技术措施

3.1 衬垫选择

（1）材质选择

尽管应用于该工程的复合管材在结构上对接口处进行了加强设计，但复合管材相对其他管材而言其允许顶力偏小，尤其在管段接口处最为薄弱，局部受力不均会导致接口破损。尤其曲线段，每两节管道外侧张角都是0.144°，管端面不是均匀受力，主要是单侧受力，受力简图见图13。

图13 曲线管段传力图Fig.13 Force of Curve Section of Pipe

为防止管节处应力集中破坏管材，同时有效的传递后方顶力，两管节之间设置衬垫材料，使端面整体均匀受力。根据多年对衬垫的研究，一般选用的衬垫材料的性能应该符合图14中应力应变要求：

图14 衬垫的应力-应变曲线Fig.14 Stress-Strain Curve of Pad

该工程选择了弹性较好的人工芯木板，并通过试验确定其物理性能，判定可以作为木衬垫使用。

（2）厚度确定

图15 曲线张口示意图Fig.15 Open of Curve

材质确定后，木垫圈厚度的选择成为问题的关键。首先明确下列各管口的数据，见图15。

张口计算：

式中：R为曲线半径（m）；D为管外径（m）；L为管节长度（m）；t为管壁厚度（m）；S为衬垫被压缩后的厚度（m）。

根据以上公式和J26-J29段曲线顶管中已知：

计算可得：

根据管节承插口的尺寸（图16）可以看出，当S1+S0=30 mm时，止水橡胶圈的外沿已退至接口的外沿，为保证止水橡胶圈生效必须有S1+S0≤30 mm，当 S1=5.12 mm 时，S0≤14.82 mm，考虑到木垫圈装入管缝，开始顶进时就会压缩，选用15 mm厚的木垫圈，要应用中的木垫圈见图17。

图16 管节插口尺寸Fig.16 Size of Pipe Socket

图17 木垫圈Fig.17 Wooden Washer

3.2 采用特殊顶铁

针对复合管承插式管口特点，设计专用“O”型顶铁进行顶进，具体见图18。“O”型顶铁的关键是与复合管材的接口部分，与复合管材正对部分，接触面比复合管材的端面40 mm宽6 mm，为46 mm，可以防止端头插入时的误差。开口处内边有个坡度，最外端比里面单边宽5 mm，整体加宽1 cm，方便复合管材插入，避免直角棱角破坏管材。

图18 “O”型顶铁Fig.18 “O”Type Top Iron

3.3 防止错台预案

在曲线顶管过程中，曲线形成转角后，前后两节管子会发生少量的错台，即前后管内表面不在一个平面上，管子接触面由40 mm宽急剧下降，管端有可能产生应力集中，甚至出现破坏现象。针对这种情况制作出内撑圈，用足够厚度的钢板，加工成弧形，分为四段，通过螺栓连接，在应急情况下可以起到阻止管道错台继续增大和断裂处继续扩张的作用，见图19。而在实际顶管过程中经监测未发现管节错口较大情况，如果有这种情况发生，我标段计划采用该项措施，避免外侧套管受力过大而破损，如图20。

图19 管口发生破坏断裂示意图Fig.19 Damage of Pipe Joint

图20 内撑圈示意图Fig.20 Internal Support Ring

4 张口监测数值

表2 监测数值Tab.2 Monitoring Data

表2为施工中部分曲线段张口的监测数值，从表中可以看出，实际监测数值与设计值非常接近，说明施工过程及所采取的保护措施等是合理的。

5 结论

（1）结合青草沙凌桥支线C3标J26-J29复合管材施工，阐述了复合管材管口形式的设计，选定了管壁结构形式，并对管口结构形式做了改进。

（2）用大型有限元计算软件ABAQUS建立了管节的三维模型，对顶力及管口张开角度条件下，管节的环向和径向受力进行了分析，计算结果表明，管节及管口的受力均在设计范围内，是安全的。

（3）制定了详细的管口保护技术措施，包括衬垫的选择制作、采用特殊顶铁、防止错台预案等。监测结果表明，施工过程及采用的管口保护措施是合理的。

（4）青草沙凌桥支线复合管施工已经顺利完工，顶进过程中未发生管口损坏的情况，目前该段管道已经投入运营，状况良好。工程的成功实施表明，玻璃纤维增强塑料管的管壁结构形式、接口形式等满足本工程曲线压力顶管的要求。只要针对工程实际情况，合理地确定复合管材的管道与管口结构形式，保证制造质量，同时顶管施工过程中采取有效的技术措施，复合管材可广泛的应用于曲线压力管道施工。

［1］余彬泉,陈传灿.顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社,1998.

［2］马谢尔勒.顶管工程[M].北京：中国建筑工业出版社,1983.

［3］Prevost R C，Kienow K K.Design of non-pressure very flexible plastic pipe[J].Pipes and Pipelines International,1985,30(6)：12-17.

［4］王亮.玻璃纤维增强塑料夹砂管顶管管道结构设计 [J].市政技术,2011,28(2)：135-138.

［5］熊旺.大口径玻璃钢夹砂管进行顶管施工的实践 [J].中国给水排水,2003,19(13)：163-166.

［6］邵成猛,王军辉.玻璃钢夹砂管施工的接缝处理与试压技术[J].净水技术,2012,31(4)：129-133.

［7］冯一辉,王康,王剑锋.长距离大口径钢顶管施工关键技术[J].中国市政工程,2010,146(3)：41-43.

［8］邵晓红,车冬冬.PCCP顶管在软土层中接口处的施工隐患[J].河南科技,2010,(9)：84.

［9］方明,黄瑾.玻璃钢夹砂管顶管在上海地区的应用分析[J].中国市政工程,2006,122(4)：62-63.

［10］顾金山.青草沙原水输水工程大规模应用钢顶管技术的决策研究[J].给水排水,2008,34(8)：106-110.

［11］钟俊彬,汪洪涛,许龙,等.严桥支线工程曲线钢顶管设计[J].给水排水,2010,36(4)：54-56.