翟之阳，彭春强，周质炎，张 毅

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092)

超大直径装配式顶管结构设计研究

翟之阳，彭春强，周质炎，张 毅

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092)

装配式顶管可以有效地解决超大直径顶管运输困难的问题，简要介绍装配式顶管管节的组成，通过理论分析及有限元模拟研究装配式顶管管节内力计算方法，为装配式顶管管节的设计提供理论基础。

超大直径顶管；装配式顶管；内力分析

1 研究背景

随着社会经济的发展，城市化进程速度的加快，城市人口的不断增多，使得基础设施建设与维护问题日益突出，并严重制约城市经济的发展，影响城市居民的生活质量。敷设新的煤气、热力、电力、给排水等地下管道以及地下通道，沿用以往开槽敷设已感到越来越困难，甚至难以实施。顶管是地下管道非开挖施工的一种,这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下构筑物和管线复杂的市区来说非常重要。为了减少对交通、市民正常活动的干扰，减少不必要的拆迁，减少对市容和环境卫生的影响，顶管已成为市政基础设施工程中的最佳选择。

目前国内采用的最大钢筋混凝土顶管内径已经达到4 m，而世界上顶管管道已有不少超过4 m的案例，德国最大口径已达4.4 m，日本更是成功将顶管管径做到了5 m。从受力角度来说，大直径顶管并不存在技术问题，但是使用顶管法施工大直径管道(管道直径在3.50～5.00 m)时，管节的运输成为施工中的重大问题。由于顶管采用的是整节管道顶进，每节管节长度为2m或2.5 m，管节运输存在超宽或超高的问题，这是制约大直径顶管发展的重要因素［1-2］。

2 装配式顶管管节结构

为解决超大直径顶管管节运输问题，可采用装配式顶管管节，即将顶管管节拆分为若干片管片，由工厂预制，运至施工现场后通过现场拼装形成完成管节，再吊装进入顶管工作井内进行顶进。该方案可以有效地解决超大直径顶管运输困难的问题。

装配式顶管管节一般由2片管片组成，上、下管片为呈180°的半圆环管片，在其两侧的纵拼装面上分别预留有若干定位孔和预埋孔道，其中定位孔和预埋管道依次相互间隔设置；定位孔为开设于纵向拼接面上且具有一定深度的圆孔，其内用于设置定位销，在管片拼装时，采用定位销控制管片拼装，防止半圆管片拼装成环时在纵向和横向上产生的位移误差，同时可以抵抗顶管顶进时产生的管片间不均衡顶力；两片半圆管片拼装成圆环后，在管片预埋孔道内插入预应力钢筋进行张拉，从而使拼装成环的管节形成整体，满足承载力要求，见图1、图2。

图1 装配式顶管管节示意图

图2 装配式管节剖面示意图

3 装配式顶管管节内力分析

装配式顶管管节荷载沿用《给水排水工程顶管技术规程》(CECS246：2008)［3］中的荷载规定。对顶管施工管道管顶竖向土压力采用太沙基计算模型不考虑粘聚力影响。管侧土压力采用朗肯主动土压力，不考虑粘聚力影响，侧向土压力沿圆形管道管侧分布视为直线分布，计算值为地面至管中心主动土压力。管道基座按克莱茵假定。

装配式顶管管节有两片半圆管片组成，管片之间通过预应力张拉形成整体。内力计算时以《给水排水工程顶管技术规程》为基础，参考盾构管片计算中的修正惯用法，引入弯曲刚度有效率。通过弯曲刚度有效率体现管片结合面的刚度削弱引起的内力重分配。

预应力筋张拉会对管道产生环向压力，该压力对管片受弯是有利的，考虑到在施工顶进过程中由于不均匀顶力使预应力筋产生错位，减小有效应力，为提高管片结构的安全性，引入预压轴力折减系数［4-6］。

具体内力可按下式计算：

管片结合面内力：

管片内内力：

式中：M1、N1——不考虑结合面刚度折减计算的管片内力；

Ny——预应力筋产生的预压轴力；

η——弯曲刚度有效率；

ω——预压轴力折减系数；

Mj、Nj——考虑结合面刚度折减计算管片结合面内力；

Mp、Np——考虑结合面刚度折减计算管片内内力。

4 计算示例

假定设计条件：管道内径4 000 mm，管道壁厚320 mm，管顶覆土厚度9.5 m，最低地下水位-3 m，土层内摩擦角，土层粘聚力，见图3。

图3 管节计算简图

首先根据《给水排水工程顶管技术规程》(CECS246：2008)计算整环内力，最不利内力点处于A、B、C点。在管片拼装时，当管片结合面位于A、B、C点时，此时管片结合面处内力最不利。

管片内及管片结合面处内力值见表1、表2。

5 有限元分析

利用有限元软件模拟土体与管片间相互作用，管片结合面采用通过调整节点转动刚度模拟。由于转动刚度对于计算结果影响较大，计算时采用两种不同转动刚度进行分析。计算模型及结果见图4～图6。

表1 管片内各工况标准组合内力值(M：kN·m/m,N：kN/m)

表2 管片结合面各工况标准组合内力值(M：kN·m/m,N：kN/m)

图4 装配式顶管管节计算模型

图5 装配式顶管较大转动刚度下管节内力图

图6 装配式顶管较小转动刚度下管节内力图

对比普通顶管与装配式顶管的计算结果，由于管片结合面的存在削弱了管片局部刚度，结合面处的弯矩减小，从而引起管片内的内力重分布，管片内的最大弯矩两者基本一致。这种情况说明前面的假设是偏于安全的。

根据Ansys的计算结果，考虑土体与管片共同作用时，内力分布与理论计算结果类似，但内力计算结果明显小于理论计算结果。

6 存在问题

η弯曲刚度有效率、ω预压轴力折减系数确尚需通过理论分析和试验确定

7 总结

顶管作为非开挖施工技术，已成为市政基础设施工程中的重要选择。装配式顶管可以有效解决超大直径顶管运输困难的问题。在日本已经有工程成功使用了装配式管节(内径3 500 mm)。

本文通过理论分析及有限元模拟解决装配式顶管的内力计算问题，通过两者计算结果的比较，有限元模拟得出内力分布与理论计算结果类似，但是内力计算结果明显小于理论计算结果。

但在理论计算中，弯曲刚度有效率η和预压轴力折减系数ω的取值尚需通过理论分析及一系列的试验确定，在下一步的工作中将对这一问题进行展开研究。

［1］ GB50332-2002,给水排水工程管道结构设计规范［S］.

［2］ CECS143：2002,给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程［S］.

［3］ CECS246：2008,给水排水工程顶管技术规程［S］.

［4］ 葛春辉.顶管设计与施工［M］.北京∶中国建筑工业出版社,2012.

［5］ 张厚美,区希,夏明耀.圆形装配式衬砌结构力学模型研究［J］.建筑结构,2001,31(5)∶ 61-64.

［6］ 李春良,王国强,刘福寿,等.盾构管片结构的力学行为分析［J］.吉林大学学报(工学版),2011,41(6)∶1669-1672.

TU992.23

A

1009-7716(2015)08-0210-03

2015-05-14

翟之阳(1983-)，男，江苏常州人，工程师，从事市政工程结构设计工作。