钢筋混凝土顶管F型接头改良探讨

张树俊 彭军 任佳伟 方伟 郑一夫

(南京市市政设计研究院有限责任公司 210008)

引言

在城市市政建设中，顶管法施工作为非开挖施工方法的一种，具有占地面积少、对地面活动影响较小、施工控制严格可保证交通畅通、日常活动正常、可减少沿线的拆迁工作量、节约资金和时间、不易破坏地下管线和构筑物、施工噪音较小等优点，因而被广泛应用于市政工程管道建设中。顶管施工中常用管材有钢管、钢筋混凝土管等，钢筋混凝土管因其较大的刚度和强度以及耐腐蚀性能得以广泛应用[1]。

随着城市化进程的发展，城市管网呈现规模巨大、结构复杂的趋势和特点。面对错综复杂的管网系统和地下空间环境，管道安全特别是管道薄弱环节接口的安全性越来越受到关注和重视，而近年来管道破损造成水土流失和道路塌陷的新闻不绝于耳，在加大施工质量监管的同时提高管道安全度，特别是埋深较深的大直径管道，已经成为城市安全的迫切需要。

F型钢筋混凝土顶管接口凭借其结构较简单、密封较可靠、传递顶力较均匀、动变角较大、现场施工较简便等特点在钢筋混凝土顶管施工中广泛使用。

针对F型接口研究较少，以往的研究关注于橡胶圈的种类、数量。例如李建勇[2]采用了双道橡胶圈钢筋混凝土F型接头，在理想条件下试验表明能够增加管道安全性能。吕根喜[3]对大口径钢筋混凝土管道接口密封性能检验方法进行了初步研究和探讨，管道接口密封性能的实验方法尚需进一步研究。以上分析在理想实验条件下，对钢筋混凝土接口在实际土层中受力情况并不明确。

管道所处的地质环境千差万别，很多情况下管道都是处于软弱土层和不均匀土层中，从已敷设管道施工和使用情况来看，在施工时由于施工偏差或者使用阶段外部荷载较大时，橡胶圈受损或偏移，与钢套环直接产生空隙，继而产生渗漏路径。特别是在软弱土层中，管道接头位置破坏渗漏概率较大。对于复杂地层条件下柔性F型接头受力情况需要进一步研究。本文结合实例工程，该工程管道埋深较深，地质条件复杂，对F型接头在不同地质条件下的安全性进行分析和探讨。

1 工程概况

南京市某污水建设工程(图1)总规模约15万m3/d。污水管道经提升后沿道路南侧非机动车道自东向西敷设。其中重力管道管径1.8m，长度约1500m，管道覆土约6m，考虑到现状施工场地较为狭窄，开挖施工难度大，经过对比分析确定采用顶管施工方案，管道采用钢筋混凝土Ⅲ级管，顶管接头采用F型接头。

图1 污水工程方案Fig.1 Sewage project plan

2 工程地质及水文条件

拟建场区主要位于现状道路两侧，地势起伏不大。勘察场地属河漫滩～阶地相地貌单元。根据钻探揭露，场区岩土自上而下主要为：①1层杂填土、①2层素填土、②1层粉质粘土、②2层淤泥质粉质粘土～粉质粘土、②3层粉土夹粉砂、②4层粉质粘土和③1层粉质粘土。其中②2层淤泥质粉质粘土～粉质粘土：流塑状态为主，局部软塑，高压缩性，开挖自稳性极差，为拟建场地中最为软弱土层。

拟建场地勘探深度内对本工程有影响的地下水为孔隙潜水，孔隙潜水主要赋存于②层土体以上浅层土的孔隙中。施工期间测得孔隙潜水地下水标高为4.98m～12.70m，孔隙潜水地下水年变幅1.00m左右，地下水主要接受地表水、大气降水和生活用水补给，以垂直蒸发和侧向迳流方式排泄，按不利考虑，建议设计基准期内年平均最高水位按地表下0.50m考虑。

3 管道施工方案

管道位于道路边人行道下，管径DN1800，管道埋深约为7.8m，管道施工采用顶管方案，管材采用Ⅲ级钢筋混凝土管，管道所处地层情况如图2所示。

图2 顶管井及钻孔剖面Fig.2 Pipe jacking well and drilling profile

管道接头位于②-2层淤泥质粉质粘土时，对F型管道接口进行改进，接口形式如图3所示。改良F型接口外侧设置一道橡胶圈，材料采用氯丁橡胶。内侧设置一道钢环，内置钢环尺寸80mm×6mm，中心对称布置。

4 管道计算分析

为分析F型接头在不同土层中的受力情况，本文采用ABUQAS有限元软件进行分析和计算。钢筋混凝土管道2m一节，取两节管道为研究对象。土体尺寸为20m×20m×20m，采用八节点缩减积分线性实体单元。土体和橡胶采用弹性本构模型，本模型各材料参数具体见表1。

表1 材料参数Tab.1 Material parameter

橡胶圈与管道、松木垫与管道以及土与管道之间建立自接触，法向设置为硬接触，切向采用罚函数，根据材料特性设置摩擦因数分别为0.1、0.1和0.4。接口钢环和管道之间建立绑定约束。工况如下：

工况一：周边土体为软弱土层，管道施工前土体沉降已基本完成，土体和管道后期沉降较小。

工况二：周边土体为软弱土层，管道施工前土体沉降未完成，管道顶管完成后与土体一同沉降。

工况三：周边土体不均匀分布，管道位于土层变化位置。

分别对普通F型接口和改良型F型接口进行有限元分析，具体结果如下。

4.1 工况一

土层前期已完成自重固结，管道施工完成后沉降较小。从图4中可以看出，改良F型接口管道和普通F型接口管道沉降值约为0.003m，可近似认为管道基本没有沉降位移。

图4 工况一管道沉降(单位：m)Fig.4 Settlement of pipe under condition 1(unit:m)

如图5所示在同一土质条件下，改良F型接口管道应力大于普通F型接口，最大应力发生在管道底部或两侧位置，应力相差约3.3倍。钢环应力(图6)较为集中，管道和钢环协调作用明显，更加有利于发挥钢板材质强度和刚度大的优点。

图5 工况一管道应力(单位:Pa)Fig.5 Stress of pipe under condition 1(unit:Pa)

图6 工况一改良F型接口钢环应力(单位：Pa)Fig.6 Steel ring stress of improved F-joint under condition 1(unit:Pa)

如图7所示，在同一外部条件情况下，改良F型接口橡胶圈受力远远小于普通F型接口橡胶圈，由于改良F型接口整体刚度较大，荷载由刚度和强度较大的管道和钢环承担，能够较大程度地减小外部荷载对橡胶圈的影响。根据计算结果，两者最大应力相差约2倍。

综上所述，在土层自重固结基本稳定、后期沉降基本可以忽略的情况下，改良F型接口和普通F型接口都可以满足外部荷载作用下受力和变形的要求。值得一提的是，改良F型接口的整体性和刚度要好于普通F型接口，能够大大减小橡胶圈受力，从而能够增加橡胶圈的使用寿命，减小管道接口漏水失效的风险。

图7 工况一橡胶圈应力(单位：Pa)Fig.7 Stress of rubber ring under condition 1(unit:Pa)

4.2 工况二

土体未固结进行管道施工，施工完成后管道与土体共同沉降，稳定后沉降最大值约0.57m，从图8中可以看到，改良F型接口管道在沉降后还是保持整体一致，不发生相对位移，而普通F型接口管道已经发生相对位移。

图8 工况二管道沉降(单位：m)Fig.8 Settlement of pipe under condition 2(unit:m)

如图9所示，管道在土体发生沉降时应力有所增大，但管道本身并未发生破坏，改良F型接口管道和普通F型接口管道应力相差不大。改良F型接口钢环应力见图10。普通F型接口管道由于没有钢环连接，管道虽然没有破坏，橡胶圈与管道相对位移达0.45cm，接口已经失效。

图9 工况二管道应力(单位：Pa)Fig.9 Stress of pipe under condition 2(unit:Pa)

图10 工况二改良F型接口钢环应力(单位：Pa)Fig.10 Steel ring stress of improved F-joint under condition 2(unit:Pa)

土体沉降固结过程中，普通管道接口发生较大的错动和变形，普通F型接口橡胶圈应力远远大于改良F型接口橡胶圈应力(图11)。

图11 工况二橡胶圈应力(单位：Pa)Fig.11 Stress of rubber ring under condition 2(unit:Pa)

4.3 工况三

考虑到地质土层不均匀，管道极有可能位于土层变化相接处，工况三模拟管道在土层变化位置的受力情况。

经过对比分析，如图12所示，在不均匀地层中，普通F型接口位于良好土层和软弱土层管道应力和沉降相差较大，不均匀沉降造成橡胶圈应力增加，相比工况二应力增大约6.3倍。橡胶圈与管道相对位移达0.45cm，接口已经失效。

改良F型接口在不均匀地层中产生的应力和沉降如图13所示，管道最大应力和最大沉降与普通接口相当，区别在于橡胶圈应力和管道整体沉降变化，改良型接口能够协调两段管道沉降和应力，橡胶圈应力和变形较小，与普通接口橡胶圈应力相差约14.9倍。钢环应力有所增大，如图14所示最大为29.59MPa，增大约1.7倍，但仍远小于钢材的设计强度。

图12 工况三普通F型接口计算结果Fig.12 Results of general F-joint pipe under condition 3

图13 工况三改良F型接口计算结果(单位：Pa)Fig.13 Results of improved F-joint pipe under condition 3(unit:Pa)

在软弱土层、不均匀土层环境中，普通接口在管道本身没有损坏的情况下已发生泄漏(图15所示相对位移较大)，改良型接口能够凭借钢连接保证本身相对稳定，能够保持连接继续工作。

图15 橡胶圈和管道相对位移Fig.15 Relative displacement of rubber ring and pipeline

F接口改良增加的内部钢环是整个结构关键构件，为此，对常用厚度尺寸钢环进行有限元分析并绘制影响曲线，结果如图16所示。

根据计算结果，在土体未固结情况下，应力随钢环厚度增大先降后升，在壁厚为6mm时达到最低值，而在固结情况下，应力随钢环厚度增大而增大，而且管径3.0m以下都具有类似特性。综合考虑施工要求,钢环厚度取6mm较为经济合理。

图16 钢片厚度对橡胶圈应力的影响Fig.16 The influence of steel thickness on the stress of rubber ring

5 结论与建议

1．改良F型接口整体刚度和强度较大，能够承受大部分外荷载作用，很大程度上减小对橡胶圈的作用，与普通F型接口相比,其橡胶圈应力可减少2倍以上，在不均匀地层中，可减少10倍以上。钢筋混凝土管道接口是管道的薄弱环节，通过对F型接口进行改良能够有效提高管道接口的刚度和整体性能。

2．普通F型接口对土体沉降较为敏感，当沉降较大时管道接口往往已经失效(橡胶圈与管道发生相对远向位移)，而管道本身并没有破坏甚至是远远还没达到破坏的程度。改良F型接口对于管道整体性较为有利，在土体沉降发生时，能够保证管道接口的安全并持续发挥管道功能。

3．钢环厚度选取应考虑结构构件受力情况，通过有限元计算和考虑施工焊接最小厚度要求，厚度取6mm时较为经济。

4．改良型接口由于需要顶管完成后焊接钢板，对施工要求比较高，适用于管道位于软弱土层中且管径大于1500mm的钢筋混凝土管。

5．管道工程特别是埋深较深的管道应加强监测，提高管道应急处理能力和抵抗自然灾害能力，避免发生管道泄漏影响周边造成过大经济损失，为智慧城市的发展增添一份助力。