港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线钢管幕管节连接技术

刘应亮

(中铁十八局集团有限公司，天津300222)

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线钢管幕管节连接技术

刘应亮

(中铁十八局集团有限公司，天津300222)

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定区域，采用“曲线管幕+冻结法”施工。由于其地质条件复杂，施工方法特殊，对管节连接有较高要求。本文介绍了曲线管幕管节连接承插口F形接头的结构，通过有限元数字仿真模拟密封效果，进行了1∶1的模型接头受力分析试验以及管节连接安装施工工艺研究，系统地总结了曲线钢管幕管节连接的结构特征、密封效果、受力特性和操作要点。

港珠澳大桥;拱北隧道;曲线钢管幕;管节连接技术

顶管技术在市政工程中的应用越来越广泛，但是由于城市基础设施日益增多，在施工时往往为了避开地下建筑物而使得顶进轨迹改为曲线。由于钢管壁薄，刚度小，大多采用焊接方式处理管节间接头，一般被认为不适合曲线顶管。港珠澳大桥拱北隧道段曲线钢管幕的施工中，为了满足工程施工要求，对管节接头进行了针对性设计，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区域，条件复杂，位于曲率半径885.852～906.298 m的缓和曲线和圆曲线上，是国内第1座采用曲线管幕法施工的隧道［1］。管幕由36根1 620 mm钢管组成，管节均由A3Q235BZ型钢板制作，有效长度为4 m，由1.83，2.0 m卷焊钢管和1节0.17 m承口、1节0.155 m插口组焊而成，每根管节质量4.4 t，连接方式采用承插口F形接头［2-5］，其结构示意详见图1。

图1　承插口F形接头结构示意(单位:mm)

2　曲线钢管幕管节连接技术研究

2.1钢管曲线顶管承插接头应用现状

工程中常用的钢管曲线顶管承插接头主要有3种形式:无预留油缸的固定式接头、有预留油缸的固定式接头和有预留油缸的可拆式(装配式)接头。

1)无预留油缸的固定式接头［6］在曲线段顶进时，由工具管千斤顶产生一定的角度，再将后续管节接头一侧的限位螺栓插入楔形木垫片，形成管节之间的张开角度。然后利用周围土体提供的足够抗力，在顶推力的作用下使管节转向，形成曲线段。

2)有预留油缸的固定式接头［7-8］在2节管道接头处局部安装预留纠偏油缸，在曲线段顶进时，油缸可以调节管节之间的张开角度，从而改变局部管节的顶进角度。这种接头主要用于轨迹曲率半径发生变化的曲线顶管中。

3)有预留油缸的可拆卸式(装配式)接头［9］结构与固定式接头类似，不同之处是将前、后固定板改为可拆式，通过螺栓连接咬合在关节的固定环状贴板上。在曲线段顶进时，通过油缸调节管节之间的张开角度。顶管完成后，可以很方便地拆掉前、后固定板，减少了很多切割和焊接工作量。

2.2承插口F形接头特点

为了满足本工程钢管幕顶进需要，对管节采用了针对性设计，本工程采用了上文所述的第1种承插接头，即“无预留油缸的固定式接头”。该管节接头结构参见图1，其优点如下:

1)F形接头可以使顶管中由于曲线转角、施工偏差等原因造成的应力、变形能够及时释放，为以后管幕的承载力提供了保障。

2)F形接头承口端的坡口、插口端凹线及承插口之间5 mm间隙(见图1)可以满足不小于0.26°转角，达到最小间隙满足施工和管幕曲线的要求，顶进时有利于管节间的稳定。

3)由于管节属于薄壁结构，因此在管节接头两端承插口环向设置加劲板，每端40块，以提高接头处环向刚度，控制接头处的径向变形。

4)两管节间设置20 mm厚的临时木质垫片，以避免管节在不均匀顶力下的变形和失稳。

5)插口上设2道凹槽，安装2道遇水可膨胀鹰嘴橡胶圈，防止接口结合面处产生渗漏，且橡胶圈压缩变形量应满足止水要求。

6)承口端设置45°坡口，便于管节安装。

缺点:

1)由于在曲线顶进过程中，F形承插口接头可能造成管节靠近接头位置的应力集中，增加了这些位置屈服破坏的可能性。

2)为了确保接头密封性，要求接头鹰嘴橡胶必须满足较高的密封要求，承插口加工尺寸也需要达到较高精度。

3)承插口存在多条焊缝，且为应力集中处，焊接质量要求高。所以要实现曲线管幕施工安全必须以工厂化精加工管节为基础。

从承插口F形接头连接结构的特点可以看出，研究曲线钢管幕管节连接的密封效果以及该结构的应力特征十分重要。

2.3曲线钢管幕管节连接密封性研究

管节的密封结构主要是鹰嘴橡胶圈，其密封原理是通过管节安装过程中对其产生一定的压缩变形，使橡胶圈与密封面紧密贴合产生接触压力。接触压力的大小直接反应密封圈的密封能力，传统理论很难准确求得接触压力。因此利用ABAQUS有限元软件分析密封接触面压力来衡量橡胶圈结构是否合理。

1)鹰嘴橡胶圈计算模型

考虑到Q235钢材弹性模量比橡胶高很多，故可以把承插口看作刚体，采用解析刚体来模拟。鹰嘴橡胶密封圈为不可压缩材料，在模拟过程中其材料特征设置为超弹性材料，利用Mooney-Rivlin应变能函数来表征。材料模型参数如表1所示。

2)橡胶圈受力分析

本工程管幕最大地下水压力为0.26 MPa，计算模拟鹰嘴橡胶圈受地下水压力为0.1，0.2，0.3，1.0 MPa下的应力云图。计算结果见表2，应力云图以0.3 MPa为例见图2。由表2可知，随着作用在橡胶圈上的水压力增大，其应力先减小后变大，水压力作用可以改善橡胶圈受力。各级水压下最大接触压力均大于水压力，密封效果良好。

表1　鹰嘴橡胶圈参数

表2　模拟计算结果

图2　0.3 MPa压力下鹰嘴橡胶圈应力和接触压力云图(单位:MPa)

3)承插口间隙对密封影响

设计中管节接头承插口之间的间隙为5 mm，但是加工过程中难免存在误差，为了研究承插口加工误差对管节密封性能的影响，采用ABAQUS模拟分析不同的承插口间隙下橡胶圈与插口的接触压力。分析中间隙分别为5～13 mm，施加水压力为0.4 MPa。计算结果对比详见图3。

随着间隙的增加，橡胶圈的最大接触压力随之增大，但相对增加量不大。由图3可得橡胶圈与插口的接触长度随着间隙的增加而减小，而接触长度越长密封性越好，可见间隙越小密封性越好。5 mm间隙下接触长度约为20 mm，而13 mm间隙下接触长度只有约6 mm，密封性能减弱。再增加间隙，接触长度急剧减小，计算无法收敛，所以建议承插口间隙不要＞10 mm。

图3　不同间隙橡胶圈接触压力对比

2.4曲线钢管幕管节连接接头应力分析

在曲线轨迹条件下管节之间存在一定的偏角，在顶进力作用下，在靠近接头的位置应力会重新分布，造成分布不均匀的现象。现有理论计算主要针对混凝土曲线顶管，钢顶管接头应力分布多采用试验加以确定［10-11］。为了研究曲线钢管幕顶管中管节连接结构的应力特征，采用1∶1的模型测试接头应力情况，见图4。

图4　管节应力与密封性测试试验系统

试验管道由3节管节组成，采用MTS拟动力加载系统加载，利用木垫片厚度的差造斜，通过几何关系即可将木垫片厚度差换算成管节的偏角。

试验采用了1块34 mm木垫片及3块29 mm木垫片，换算得出管节偏角为0.18°。顶推力分级加载，每级增加200 kN。由于试验目的在于研究管节接头连接造成的管节应力集中，因此监测断面主要布置在靠近接头的位置(见图5)。

图5　监测断面布置

其中3，4，9，10号断面位于接头纵向肋板间隙，距离接头法兰100 mm，主要监测F形承插接头肋板之间的应力重分布状况。1(500 mm)，2(330 mm)，5(230 mm)，6(400 mm)，7(500 mm)，8(330 mm)，11(230 mm)，12(400 mm)号断面距离接头稍远(括号内为断面到临近接头法兰的相对距离)，旨在利用靠近接头位置的应力状况反映该结构造成的应力集中。

试验结果表明，管节连接接头附近最大轴向应力－29.79 MPa，最大环向应力27.39 MPa，均出现在800 kN顶推力作用过程中。这远远小于管材Q235钢材的屈服极限。可以证明在800 kN顶推力作用下，最靠近顶推油缸的3节管(也可以认为是承载最大的3节管)承载力能够满足要求。

图6以600 kN顶推力作用下管节接头轴向应力分布为例，展示了管节接头附近应力在管轴线方向的分布情况。该图选取了规律性较为明显的0°，144°，180°和216°这4个位置各断面的轴向应力分布。

图6　600 kN顶力下，管节沿轴线的轴向应力分布

从图6中不难看出，在最为靠近管节连接承插接头的3，4，9，10号断面，应力明显出现低谷，这很好地印证了在连接接头纵向筋板附近，应力向筋板焊缝集中的推测。在距离接头稍远的2，5，8，11号断面，应力明显增大，形成一个较大的应力峰值。在距接头更远的1，6，7，12号断面，应力值迅速回落。这一现象也是F形承插口接头造成应力重分布的有力证明。

通过对管节连接结构的应力试验可以看出，F形承插口接头在曲线顶管过程中很可能形成应力在接头附近集中的现象。这对管节承受顶推荷载是不利的。在管节设计中，需要将管节接头位置作为“危险位置”进行更加谨慎的设计。

2.5管节连接操作要点

1)管节吊耳与管节螺栓孔在同一条直线上，能快速地与前一管节螺栓孔相应对接。

2)木质垫板放入承口后采用扎带穿过螺栓孔绑扎牢固。

3)承口导入面及鹰嘴橡胶圈均匀涂抹一层润滑剂，会使安装更加轻巧、快捷，并有效地保护橡胶圈在管节对接中不会被损坏。

4)管节连接顶进施工中螺栓保持松弛状态，预留7 mm空隙，形成柔性连接，从而保证了管节的张开角度和管道的曲线轨迹符合设计要求。管幕在贯通后，取出木质垫板，并将螺栓逐一拧紧，形成最终的刚性连接的曲线管幕。

3　结语

通过对港珠澳大桥拱北隧道曲线管幕工程顶管管节连接技术的总结，并结合密封性数值模拟和室内管节接头受力试验，改进了高水压条件下曲线管幕顶管管节连接技术，为今后类似工程提供一定的参考。

1)F形钢管管节接头连接方便，容易偏转造斜，适合用于曲线顶管施工。但承插口加工尺寸精度要求高，焊接部位容易出现应力集中，焊接质量要求高。因此，工厂化精加工管节是曲线管幕施工的基础。

2)通过室内管节接头应力试验结果可知，在管节接头附近应力集中明显，管节中部应力水平较低，所以管节接头处是受力最薄弱的区域，需要重点加强。

3)通过ABAQUS有限元软件对鹰嘴橡胶圈进行密封模拟，发现在各级水压力作用下，橡胶圈与承插口的接触压力均大于作用水压力，表面密封性良好。随着承插口间隙的增大，接触压力减小，密封性能降低。因此管节接头密封性的关键是选择合适的承插口间隙，使得接触压力始终大于作用水压力。

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(责任审编 赵其文)

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

刘应亮(1980—)，男，高级工程师。