管道顶进用装配式圆形工作井承载性能研究

张兴其 杨帆 姚华彦

摘要：近年来装配式建筑正逐步应用在地下管道工程中，为了研究管道顶进用装配式圆形工作井的承载性能，结合现场监测的顶管顶进力情况，采用三维有限元方法对装配式圆形工作井的井片混凝土以及连接螺栓进行了受力分析。研究结果表明：通过在管壁涂刷润滑剂、采用触变泥浆进行压浆等减阻措施可以明显降低顶进力荷载，甚至可以使其达到设计值的50%以下；装配式圆形工作井在顶进力荷载的作用下，螺栓受拉情况不明显，仅后座墙位置的井片外侧混凝土呈明显受拉，设计中需要关注，必要时需对该部位制定加固方案；粘贴钢板加固方案相对于粘贴CFRP加固方案具有材料利用率更高、加固效果更加明显的优势。研究成果可为推广装配式建筑在管道工程中的应用提供理论依据和参考借鉴。

关 键 词：地下工程；顶管；装配式圆形工作井；井片；顶进荷载；装配式建筑

中图法分类号：TU992

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.019

0 引 言

随着中国城市化进程的加快，地下工程管道的敷设以及改建都在如火如荼的进行中。为了减少地面开挖范围，保障城市道路畅通，在管道的建设和改造过程中，通常采用顶管法施工。其中顶管的工作井一般都是在现场浇筑而成，该施工方法占用场地面积大、施工工期长，且易对工程周边产生较大的环境污染、噪声污染^［1-3］。在“双碳”目标引领下，装配式建筑作为一种节能减排的绿色建筑已经迎来了历史性的发展机遇。而装配式工作井则是在工厂预制井片，在工程现场采用高强度螺栓连接预制井片拼装成环，相比传统的现浇式工作井，采用装配式施工方法可大幅度缩减工期，有效降低施工期对城市交通的影响。

目前，这种装配式工作井在一些顶管以及竖井工程中已得到了初步的应用，与之相关的施工技术也在逐步成熟^［4-7］。在这类结构的承载性能研究方面，戴颜斌^［8］建立了装配工作井和现浇工作井的三维有限元模型，分析了二者的结构性能以及在顶推荷载作用下对周边土体的影响。关成立^［9］提出了一套可预紧、可回收的圆形竖井拼装式钢结构，并通过理论计算、数值模拟、现场加载试验及施工应用对该竖井结构进行了验证。张云辉^［10］提出了一种新型的装配式型钢-钢板可回收工作井结构，并结合有限元数值模拟和现场试验对该结构的受力变形规律进行了研究。翟文博等^［11-12］提出了一种新型型钢-高聚物复合装配式顶管工作井，并结合工程现场试验和有限元数值模拟对顶管施工过程中工作井周围的土体沉降变形和支护结构的力学响应进行了分析，验证了该新型工作井用于顶管施工的可靠性。Zhang等^［13］提出了一种由H型钢、钢板和止水带通过焊接或螺栓连接组装形成的一种可重复使用的工作井结构，并通过有限元数值模拟和全尺寸试验，验证了这种新型工作井结构的承载性能，给出了结构的安全设计参数。

可以看出，有关装配式工作井的研究主要是侧重于新型装配式结构的研发及其可靠性的验证，目前还鲜有涉及由预制钢筋混凝土井片通过螺栓连接、拼装成环的圆形工作井结构的承载性能研究。这种装配式圆形工作井的结构同盾构隧道管片衬砌结构类似，但二者的运行环境、布置方式不同，其承受的土压力荷载形式明显不同，且工作井的底部刃脚环还需要承担较大的顶进力荷载，导致装配式圆形工作井的井片受力状态更加复杂^［14-16］。除此之外，由于装配式圆形工作井目前尚处于初步运用阶段，与之相关的设计理论还不完善，也无可供直接参考的设计规范，其承载机理尚不明晰。因此，本文依托具体工程建立装配式圆形工作井三维有限元分析模型，通过分析工作井在不同顶进荷载作用下的井片及螺栓受力情况，揭示装配式圆形工作井的承载性能特性，为类似工程的结构设计和施工提供理论依据，以此推动装配式建筑在地下管道工程中的应用。

1 工程概况

合肥市宿松路快速化改造工程位于合肥南部（南二环路-深圳路），整体呈南北走向，从北向南依次经过包河区、经开区、滨湖新区，终点到达肥西县深圳路。项目工程包含桥梁部分、道路挡墙部分和新建管线部分等。其中新建管线以雨水管为主，管道均为钢筋混凝土结构，管径有500，600，800 mm和1 000 mm，累计长度在2 km以上，埋深在1～4 m。管道采用顶管法施工，其中顶进用圆形工作井采用预制装配式井片结构。图1为管径为800 mm的顶进用工作井的结构拼装及受力情况示意图，其中每一环由6块C40混凝土井片拼装形成，沿深度方向由三环井片错缝拼装形成工作井，井片内径为6 000 mm，外径为6 600 mm，宽度为2 000 mm。工作井底部一环井片（刃脚环）环向采用8.8级M39螺栓相连，上部两环井片环向以及竖向采用8.8级M30螺栓相连。

2 装配式工作井三维有限元模型

2.1 材料参数

计算模型主要涉及的材料有C40混凝土、钢筋、8.8级螺栓以及土体，其中采用线弹性本构模型模拟钢筋混凝土和螺栓结构，采用Drucker-Prager模型模拟土体结构，具体材料参数如表1所列。

2.2 单元类型

土体采用8节点三维结构实体单元SOLID45模拟，混凝土采用8节点SOLID65单元模拟，该单元与SOLID45单元相似，两种单元均能够较好地模拟三维固体结构。螺栓采用2节点三维梁单元BEAM188模拟，该单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，并且能够考虑剪切变形的影响。位于刃脚环的后座墙顶力作用面采用4节点表面效应单元SURF154模拟。沉井整体模型以及井片与螺栓细部模型如图2所示。

计算模型中包含两种接触关系：① 井片与土层接触，② 井片与井片之间的接触。模型中采用“面-面”接触单元（TARGE170、CONTA174）对这种只传递法向压应力和切向摩擦力，而不传递法向拉应力的接触行为进行模拟，鉴于混凝土的摩擦系数一般为0.3～0.4，模型中取0.35^［17-18］。

2.3 模型范围

如图2所示，为了充分考虑土体对沉井结构受力的影响，土体模型长、宽均取30 m，高取12 m。在模型底部施加全约束，前后左右施加法向约束。计算模型整体总共包含81 707个单元、81 068个节点。

2.4 荷载工况

根据相关技术规范^［19-20］，顶管顶进过程中作用在后座墙的总顶力可按（1）～（3）式估算：

式中：F为总顶力，kN；F₁为管道与土层的摩阻力，kN；D为管道外径，m；L为管道顶进长度，m；f为管道外壁与土的平均摩阻力，取5 kPa；F₂为顶管机的迎面阻力，kN；D′为顶管机的外径，m；γ为土的重度，kN/m³；H为覆盖层厚度，m。

随着顶管顶进深度的增加，将根据规范计算的作用在沉井后座墙的顶进力与现场实测值进行比较，如图3所示。可以看出实际总顶进力远小于规范的理论计算结果，根据规范计算出的最大顶进力可达 2 000 kN 以上，然而实际监测的顶进力值不到 1 000 kN。考虑原因是，与设计计算值相关的一些参数在规范中的建议取值较为保守，因为在实际施工中采取了一些减阻措施，如：在管壁涂刷了润滑剂、采用触变泥浆进行压浆、消减管道误差和管节错口等。

考虑到顶管的最大顶进力理论计算值可达到 2 000 kN，为了充分分析装配式沉井在顶进力荷载作用下的受力性能，在工作井受自重以及土压力的荷载下，分别计算了顶进力F=0，500，1 000，1 500 kN和 2 000 kN各工况下井片混凝土以及连接螺栓的受力情况。

3 计算结果分析

3.1 混凝土受力分析

分别计算了在顶进力逐步增大过程中井片混凝土的主拉应力和主压应力，如图4～5所示。根据计算结果可以看出，当顶管未顶进、沉井在仅受到土压力荷载的作用下，井片混凝土的主拉应力和主压应力会随着沉井深度的增加而增加。然而，由于工作井的埋深较浅，作用在井片上的土压力值较小，实际上受地层不均匀分布的影响，井片上的土压力荷载应是不均匀的，由于模型中对其进行了均匀分布的假定，最终使计算得出的井片最大主拉应力和最大主压应均很小。如图4所示，随着顶进力的逐步增加，后座墙位置的井片外侧有明显的拉应力集中现象，且最大主拉应力会随着顶进力的增加而明显增大，该部位混凝土易出现开裂。然而，其余井片的混凝土主拉应力值随着顶进力的增大几乎没有明显变化。如图5所示，随着顶进力的逐步增加，后座墙位置的井片内侧有明显的压应力集中现象，且最大主压应力会随着顶进力的增加而明显增大，但始终未超过混凝土的抗压强度，而其余井片的混凝土主压应力值随着顶进力的增大几乎没有明显变化。

3.2 螺栓受力分析

根据图6，分析环向螺栓在顶进力逐步增大的过程中螺栓轴力变化情况，可以看出仅后座墙位置的井片与左右相邻井片相连的螺栓轴力较大，在顶进力达到2 000 kN时，环向螺栓最大轴力约为62.97 kN，而其余环向螺栓的轴力较小，基本上都未达到10 kN。

根据图7，分析竖向螺栓在顶进力逐步增大的过程中螺栓轴力变化情况，可以看出仅后座墙位置的井片与上部相邻井片相连的螺栓轴力较大，在顶进力达到 2 000 kN 时，竖向螺栓最大值轴力约为16.67 kN，而其余竖向螺栓轴力很小，基本上都未达到5 kN。

根据螺栓轴力的计算结果，提取受拉程度最明显的环向螺栓和竖向螺栓，其最大主拉应力分别如图8和图9所示。可以看出在相同顶进力作用下，环向螺栓的最大拉应力相对竖向螺栓较大，但当顶进力为 2 000 kN 时，环向螺栓拉应力也仅为263.78 MPa，远小于8.8级螺栓的抗拉强度。

综合环向螺栓和竖向螺栓的轴力和应力情况可以看出，基本上仅连接后座墙位置井片的螺栓会在顶进力作用下呈明显受拉状态，并且最大轴力和最大拉应力均较小，远未达到螺栓的抗拉强度，而其余螺栓受拉程度更小，几乎可以忽略不计。总体上，未能充分发挥螺栓的材料力学性能。

4 井片加固方案分析

4.1 加固方案

根据装配式沉井在顶进力作用下的井片混凝土应力分析结果可以看出，对于这种装配式结构需重点关注后座墙位置的井片受力状态。该部位的井片外侧受拉、内侧受压，类似于板、梁等受弯构件，若要对其进行补强加固，可以借鉴类似工程中常采用的粘贴钢板或者粘贴碳纤维布（CFRP）加固方案，即在该井片外侧通过胶层粘贴一定厚度的钢板或者一定层数的高弹模CFRP，具体加固方案及相关材料参数参考类似工程^［21-23］，如表2所列。

三维有限元模型中假定井片“混凝土-胶层-钢板/CFRP”各材料相互之间粘贴完好并协同变形，采用4节点多层壳单元SHELL181通过输入各层的厚度，并指定相应的材料属性来模拟胶层与钢板/CFRP的复合层结构。

4.2 加固效果分析

为了分析两种加固方案的加固效果，对后座墙井片外侧粘贴1层5 mm的钢板和粘贴1层0.143 mm的CFRP的两种方案进行对比，分析井片混凝土及加固材料在2 000 kN顶进荷载作用下的受力情况。

如图10所示，分析后座墙位置的井片混凝土最大主拉应力情况可以看出，在井片外侧粘贴钢板或者粘贴CFRP均能降低井片混凝土的最大主拉应力，能够在一定程度上起到降低井片混凝土在顶进力荷载作用下发生破坏的风险。然而相比较之下，粘贴1层5 mm钢板的加固方案可使混凝土的最大主应力降低25%，而粘贴1层0.143 mm CFRP的加固方案仅使混凝土的最大主应力降低1.2%。由此可见，粘贴钢板方案的加固效果更加明显。

若设加固材料的材料性能利用率为材料的最大应力与其极限强度的比值，根据图11可以计算出两种加固方案的钢板和CFRP的材料性能利用率分别约为40.0%和19.5%。由此可见，粘贴钢板方案的加固材料性能的利用率更高。

4.3 加固参数讨论

实际工程中，可以通过增加钢板的厚度或者增加CFRP的粘贴层数来提高加固效果。为了讨论上述两种加固参数的变化对井片加固效果的影响，分析了不同加固参数条件下混凝土的最大主拉应力与加固材料性能利用率的变化情况，分别如图12和图13所示。

混凝土最大主应力的降低程度能直接反映加固效果。从图12可以看出，随着钢板厚度的增加或者CFRP层数的增加，混凝土最大主应力的降低程度均会明显增加。其中，混凝土最大主应力的降低程度会随着CFRP层数的增加呈近似线性增长关系，但总体上混凝土最大应力的降低程度较小，最大仅达到10%左右。相比较之下，粘贴钢板最大可使混凝土的最大应力降低60%以上，其加固效果要明显优于粘贴CFRP。然而，当钢板厚度超过10 mm后，随着钢板厚度的进一步增加，混凝土最大主应力的降低程度开始增长缓慢，对加固效果的提升开始减弱。

如图13所示，分析两种加固方案的加固材料的性能利用率可以看出，随着粘贴钢板厚度的增加或者粘贴CFRP层数的增加，两种加固材料的性能利用率逐渐降低。其中CFRP的性能利用率随着CFRP层数的增加呈近似线性递减的关系，总体上CFRP的材料性能利用率较低，均不到30%。而钢板在厚度从5 mm提高到10 mm阶段，其材料性能利用率降低幅度较大，但总体上均能达到30%以上。相比较之下，钢板的材料性能利用率要明显要高于CFRP，粘贴钢板的加固方案更能充分发挥粘贴材料的力学性能。

5 结 论

（1） 通过综合采用各种减阻措施，如在管壁涂刷润滑剂、采用触变泥浆进行压浆等减阻措施，可以明显降低顶管工作井的实际顶进力荷载，甚至可以使其达到设计值的50%以下，有利于沉井结构安全的同时能够节能提效。

（2） 装配式工作井在设计过程中需重点关注后座墙位置的井片受力状态，防止该部位井片外侧在顶进过程中出现大面积的受拉开裂破坏。而螺栓在沉井工作运行中受拉不明显，因此可以适当降低螺栓的等级或者减小螺栓的截面积。

（3） 在后座墙井片外侧粘贴钢板或者粘贴CFRP均能起到降低混凝土的拉应力，从而提高沉井的结构安全性，并且其固效果会随着钢板厚度或者CFRP的层数的增加而提高。相比之下，粘贴钢板加固方案的钢板材料利用率更高，加固效果更加明显，但是粘贴CFRP加固方案具有施工更加便利简单的优势，工程实践中可根据实际加固需求选择合理的加固方案。

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（编辑：郑 毅）

Research on mechanical performance of prefabricated circular working shaft for pipe jacking

ZHANG Xingqi¹，YANG Fan²，YAO Huayan²

（1.Hefei Municipal Design and Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230041，China；2.School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract：In recent years，prefabricated buildings have gradually been widely used in underground pipeline engineering.To study the mechanical performance of prefabricated circular working shafts for pipe jacking，a three-dimensional finite element method was used to analyze the stress of the segment shaft concrete and the connecting bolts for the prefabricated circular working shaft according to the in-situ monitoring of the jacking forces.The results showed that the jacking force can be significantly reduced by some drag reduction measures such as coating lubricant on the pipe surface and using thixotropic mud for grouting，which can even make the jacking force below 50% of the designed value.With the action of jacking force loaded on the prefabricated working shaft，the bolts were not tensioned obviously.Only the concrete outside of the segmental shaft at the backseat wall was significantly tensioned，attention should be paid to it during the design，and some reinforcement should be carried out if necessary.Compared to the bonding CFRP reinforcement scheme，bonding steel plate reinforcement scheme had the advantages of higher material utilization and a more obvious reinforcement effect.The research results can provide a theoretical basis and reference for promoting the application of prefabricated buildings in municipal pipeline engineering.

Key words：underground engineering；pipe jacking；prefabricated circular；working shaft；segment shaft；jacking force；prefabricated buildings