大口径预应力钢筒混凝土管顶管轴向顶进的力学性能试验研究

汪洪涛

上海城投水务工程项目管理有限公司 上海 201103

1 研究背景

预应力钢筒混凝土管（简称PCCP）是由钢板、预应力钢丝、混凝土和水泥砂浆等4种基本原材料在经过钢筒成型、混凝土浇筑、预应力控制和保护层喷射等制造工艺后，构成的一种新型复合管材。PCCP因其具有较好的耐高压性、抗渗性、耐久性及经济性等优势，在越来越多的输水、供水、排水排污工程、电厂循环水管道等水利工程与市政建设中得到广泛应用。目前国内外PCCP施工基本采用开槽埋管的方式，如地质条件较好，大多为放坡开挖。通过上海地区多个重大输水工程的前期研究发现，虽然PCCP管材价格具有优势，但上海地区由于软土层较厚、地下水位较高，需要采用支护开挖，且征借地和绿化赔偿费用较高，采用PCCP开挖埋管的成本往往高于钢管顶管，不再具有经济优势。因此，将PCCP管与顶管施工方式相结合是既降低工程造价、又发挥PCCP管特点的创新举措。国内外关于PCCP埋管和混凝土顶管的试验研究较多[1-5]，目前还鲜见关于预应力钢筒混凝土管顶管（简称JPCCP）的试验和理论研究，相应的规范更未形成。JPCCP作为一种施工形式，顶力工况是区别于常规PCCP的重要特征，而这种新型工艺的顶管管材是否能够满足顶进施工所需的抗力还缺乏相应的试验研究。为此，本文对JPCCP顶管轴向顶进力学性能进行试验研究分析，以期能为结构优化设计和规范编制提供数据支持，并为后续推广应用提供依据。

2 试验方案研究

为验证JPCCP结构设计的合理性和探究JPCCP在施工过程中的真实力学行为特性，本次试验进行了直线顶进、有偏角顶进的JPCCP原型管顶进模拟。原型试验能够充分研究管道结构在施工过程中的力学性能，更能充分研究管道复合结构之间的相互作用、结构的整体刚度等多方面特点。

2.1 顶力设计

允许顶力是顶管工程设计的重要组成部分，顶力与管材、顶管井、土层和施工措施等因素相关。本次试验管材为JPCCP，生产厂商提供的DN3 600 mm顶管的最大允许顶力不小于30 000 kN。通过调研目前国内最大的混凝土顶管工程——上海市污水治理白龙港片区南线输送干线完善工程的DN4 000 mm钢筋混凝土顶管，该工程最大顶力不超过14 000 kN。本次试验顶力以该工程的最大顶力作为参考。根据GB 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》的要求，试验顶力可为实际顶力的1.5倍。因此，此次试验设计顶力确定为14 000 kN×1.5=21 000 kN。

2.2 试验顶管井

模拟顶管顶进过程中的管节受力情况时，最重要的环节就是能够对管节施加足够量的荷载，并且施加荷载的设备与顶管设备基本相同。

为真实地满足模拟施工中JPCCP管的需要，综合考虑试验目的和保证试验安全，将管节及全套的顶进设备置入一个半地下矩形顶管井（图1）。顶管井内净尺寸为7.0 m×9.5 m×5.0 m（深），设计最大允许顶力为21 000 kN。为平衡顶力，工作井还建立了刚性后座。利用左侧千斤顶施加顶力，利用上、下两侧千斤顶来调整JPCCP管的偏离角度。

图1 试验工作井示意

2.3 试验对象及设备

试验对象为2节DN3 600 mm的JPCCP，每节长度3 m。试验前，生产厂商应出具完整的管道材料及制作检测报告。

模拟顶进荷载试验所需的设备（图2、图3）有：主顶千斤顶6只（单只顶力400 t）、双作用侧顶油缸4只（单只顶力150 t）、油压传感器3套、油泵车2台、环形顶铁1副、试验管2节、模拟顶进控制系统1套、视频监控设备1套、照明设备1套。

2.4 试验工况

试验包含10个工况（表1），共进行了3种试验：无偏转顶进试验、一定偏转角度下顶进试验、极限偏转角度下顶进试验。前3个工况是对直线顶进（无偏角）的模拟；第4～6工况是对出现偏角为0.38°的顶进模拟；第7～10工况是对出现偏角为0.5°的顶进模拟。

图2 试验设备实物

图3 千斤顶位置示意

表1 试验工况

无偏角顶进试验的两管管端截面完全接触，无张开角度或张开角度极小，两管轴线基本重合。但实际施工中由于地质条件的复杂性、顶力控制的技术难度等原因导致顶管在施工过程中会出现不同程度的偏离，偏角顶进试验就是探究顶管出现这种偏离后管的真实形变状态。

3 试验测点布置与数据采集

3.1 主要观测指标

1）顶进过程中混凝土、钢筋和钢筒的应变（轴向），测量位置包括钢筋、钢筒、中间层混凝土内部及外层混凝土外壁和内层混凝土内壁。

2）顶进过程中的裂缝观测（内壁和外壁的裂缝产生和扩展过程）。

3）顶进过程中的钢丝应力（环向），测量位置包括预应力钢丝。

4）顶进过程中钢筒与中间层混凝土、外层混凝土与预应力钢丝接触应力及接触状态。

5）顶进过程中管节接头部位的压缩、张开量。6）顶进过程中管节接头部位的应力状态。

3.2 测点的布置方案

为了研究管道结构的应力应变分布规律，并结合现场的试验条件，在每节JPCCP管上选取3个横断面，各断面混凝土管芯内部、内壁与混凝土外环外壁、钢筋及钢丝等按一定规律布置测点。

测点布置方法包括表面粘贴法和预埋传感器法。表面粘贴法是指在JPCCP管内壁和外表面上粘贴应变片等传感器；预埋传感器法是指在JPCCP管内部埋置传感器，这个过程主要在JPCCP管制作过程中完成，如浇筑内环和中环混凝土之前在钢筒内壁上安装应变计和在中间层混凝土中埋设应变计，浇筑外环混凝土之前在钢绞线、钢筋上布置应变片等。

对于管芯内壁，其本身比较光滑，直接用砂纸打磨后擦以无水酒精进行清洗，然后用502胶粘贴电阻应变片，再用长10 m的导线引出，最后涂以704硅胶以防止试验前应变片受外界因素影响。

对于外环混凝土外侧，先用砂轮机打磨出一平面并用砂纸打磨光滑，再涂以一层较薄的环氧树脂，待树脂干硬后，再用无水酒精进行清洗，然后用502胶粘贴电阻应变片，并用长10 m的导线引出，最后涂704硅胶进行密封。

为了便于浇筑试件及保护测点数据线，所有数据线均通过钢筋及焊接的支架牢靠地固定在混凝土内部，同时数据线通过在内外表面及端部设置接线盒引出。

在顶进试验中，由于管节内外表面均可方便地接线，故预埋的测点数据线接线盒的布置方案为：所有预埋测点的数据线均通过布置在钢筒外表面的接线盒引出。

4 试验结果与结论

由于篇幅限制，所以本文不对试验开展过程进行赘述，直接提取试验结果进行分析。

4.1 试验结果

试验各工况的最大压应变如表2所示。试验中内层混凝土最大压应变为460 μ ε，中间层混凝土最大压应变为790 μ ε，外层混凝土最大压应变为1 260 μ ε，钢筒最大压应变为790 μ ε，纵筋最大压应变为960 μ ε。因此，可以看出各参数均处于安全范围之内，未达到其极限压应变（3 300 μ ε）。

试验各工况的最大拉应变如表3所示（“无”表示无拉应变）。试验中内层混凝土最大拉应变为60 μ ε，中间层混凝土最大拉应变为30 μ ε，外层混凝土除后管第三截面315°处最大拉应变为102 μ ε之外，混凝土其余各测点的最大拉应变均小于80 μ ε，且都小于混凝土极限拉应变（110 μ ε）。

表2 各工况最大压应变值

表3 各工况最大拉应变值

4.2 试验结论

4.2.1 直线顶进

在顶力达到2 100 kN时，管的最大压应变为后管外表层的压应变403 μ ε，远远小于混凝土的极限压应变3 300 μ ε。外层混凝土的压应变普遍大于中间层混凝土及钢筒的压应变，表明外层混凝土与中间层及钢筒之间有错开趋势。

直线顶进中，中间层混凝土与钢筒面的接触力随荷载的增大而趋于减小。从中间层混凝土与钢筒表面、钢丝与外层混凝土接触应变曲线上看，无突变出现，表明接触处未发生错开。

试验后通过现场观测管节未发现可见的新增裂缝。在试验顶力直线顶进试验工况下，JPCCP表现出较好的结构性能。两管接触面的压应力对两管的偏角变化较为敏感，较小偏角将引起应力的快速增大，但压应力的最大值小于14 MPa。

4.2.2 偏角顶进

混凝土内外表层出现拉应变，并且拉应变主要出现在顶管截面受荷对侧的位置。管的中间层混凝土与钢筒、钢丝与外层混凝土的轴向应变不相等，表明它们之间有错动的趋势。

偏角顶进试验中，中间层混凝土与钢筒接触力状态较为复杂，当接触力呈现减小状态时，层间有错开的趋势。

试验各工况中，钢丝表面与外层混凝土之间的接触力呈现减小状态，有错开的趋势。从中间层混凝土与钢筒、钢丝与外层混凝土的接触力曲线上看，无突变出现，表明接触处在试验中未发生错开。

试验后，通过现场观测管节未发现可见的新增裂缝。在试验顶力偏角顶进下，JPCCP具有较好的结构性能。

4.2.3 建议

JPCCP中预应力钢丝对结构的力学性能及安全状态有着至关重要的作用。考虑到钢丝与外层混凝土界面在试验中随着顶力的增加有错开的趋势，为保证施工顶进中两者良好的接触，建议在条件允许的情况下，采取一定的构造措施进一步增强钢丝与外层混凝土间的连接力。为保证施工顶进时中间层混凝土与钢筒间良好的接触，建议在条件允许的情况下，采取一定的构造措施进一步增强两者间的连接力。在顶管施工中，不可避免地会出现偏差，要及时地对偏差进行纠正，避免大偏角顶进（建议控制值为0.38°）。

5 结语

本次开展的顶进试验主要研究了轴向顶进力情况下JPCCP的力学性能。而实际工程中，JPCCP除了受到轴向顶力与摩阻力作用，还要承受横向的水土压力作用，处于复杂的三向受力状态。为了进一步获取和评估JPCCP在实际顶进过程中的力学特性，并为优化管节制作、设计及施工措施提供依据，建议结合工程试验段，作为前期试验工作的延续与对比，开展施工顶进现场JPCCP的结构性能测试与状态监测，获取顶进过程中连续的混凝土应变、管节接头接触力与变形、管节变形等关键参数，为结构优化设计和大规模的推广应用提供翔实的理论数据支撑。