崔 紅 虎

(太原市市政公用工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030012)

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曲線頂管施工過程中的施工工藝和力學(xué)分析

崔 紅 虎

(太原市市政公用工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030012)

總結(jié)了曲線頂管施工技術(shù)的主要施工方法，通過建立曲線頂管施工技術(shù)的力學(xué)模型，研究了曲線頂管的軸向應(yīng)力理論，在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上，對簡化力學(xué)模型進(jìn)行受力分析，推導(dǎo)了管道在偏心力偶作用下管道外側(cè)受到圍巖的作用力的計(jì)算公式。

曲線頂管，施工工藝，力學(xué)模型，受力分析

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，很大一部分的城市建設(shè)屬于地下工程，如地下排水管道。傳統(tǒng)的地下工程施工需要開挖地面，但是由于地面的交通、建筑、河流等會(huì)對施工產(chǎn)生一定的影響[1]。為了降低地下施工工程對城市交通的影響，需要一種不需要地面開挖的施工工藝就顯得越來越重要。

利用暗挖施工工藝的施工方法進(jìn)行施工時(shí)，對地面破壞面積較小，能夠有效緩解全線開挖施工中造成的環(huán)境污染問題、交通堵塞問題、土地占用問題。因此暗挖施工工藝具有安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢。頂管施工法是一種暗挖施工工藝，是繼盾構(gòu)法之后而發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，它采用一種不全線開挖地面的方式進(jìn)行施工，而是根據(jù)施工要求在特定位置管線進(jìn)行開挖，完成管道的頂進(jìn)、圍護(hù)等施工任務(wù)[2-4]。美國是在北太平洋鐵路鋪設(shè)工程中最早采用頂管施工技術(shù)的國家[5，6]。我國自20世紀(jì)50年代開始采用頂管施工技術(shù)，隨著工程科學(xué)的發(fā)展，頂管施工工藝也日趨完善，方法也不斷改進(jìn)[7]。

曲線頂管施工技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，也是比較好的、比較難的施工技術(shù)，頂管施工隨著管道建設(shè)的發(fā)展已越來越普及，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越寬，本文總結(jié)了曲線頂管施工技術(shù)的主要施工工藝方法。通過建立曲線頂管施工技術(shù)的力學(xué)模型，對曲線頂管的軸向應(yīng)力理論進(jìn)行研究，在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上，對簡化力學(xué)模型進(jìn)行受力分析，推導(dǎo)了管道在偏心力偶作用下管道外側(cè)受到圍巖的作用力的計(jì)算公式。該研究可以對曲線頂管施工技術(shù)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

2 曲線頂管技術(shù)

2.1 曲線頂管頂進(jìn)的施工方法

在頂管的設(shè)計(jì)和施工過程中，尤其是長距離頂管施工中，由于地質(zhì)條件的差異性、地面建筑物的環(huán)境保護(hù)要求以及原有地下構(gòu)筑物的擁擠等原因，為了減少對周圍建筑物和交通的影響，往往通過更改管道的行進(jìn)路線來實(shí)現(xiàn)，最終管道的行進(jìn)路線為曲線。在此情況下，采用頂管或盾構(gòu)機(jī)械設(shè)施使管節(jié)的中心線按照設(shè)計(jì)的弧線前進(jìn)的施工技術(shù)，此施工技術(shù)稱為曲線頂管技術(shù)。

曲線頂管施工技術(shù)最早出現(xiàn)在美國，隨后日本的曲線頂管施工技術(shù)也大力發(fā)展，日本熊本市的某下水管道的施工就采用此方法，并且取得一定的施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。隨后曲線頂管施工技術(shù)在20世紀(jì)80年代得到了全世界的廣泛應(yīng)用，并不斷研究和發(fā)展。曲線頂管施工主要存在三種頂進(jìn)情況：第一是頂管在水平面的曲線頂進(jìn)；第二種是頂管在垂直面的曲線頂進(jìn)；第三種是頂管沿S形頂進(jìn)。總體來說曲線頂管施工工藝都能按照工程需要進(jìn)行改變。

目前全世界成熟的曲線頂管頂進(jìn)技術(shù)包含四種方法：楔形套環(huán)及楔形墊塊法、蚯蚓式頂進(jìn)方法、半盾構(gòu)法和單元曲線頂管法。

2.1.1 楔形套環(huán)及楔形墊塊法

楔形套環(huán)及楔形墊塊法是曲線頂管頂進(jìn)技術(shù)比較成熟且簡單的方法。該方法主要應(yīng)用于曲率半徑固定的情況。其主要施工方法為施工過程中在管道之間插入根據(jù)曲率計(jì)算出的楔形套環(huán)，或者在管道節(jié)頭使用楔形墊塊，楔形套環(huán)和楔形墊塊都能改變管道的前進(jìn)方向，管道在千斤頂?shù)淖饔孟拢蜁?huì)按照楔形塊的斜度進(jìn)行頂進(jìn)。管道按照設(shè)計(jì)的路線前進(jìn)，前一節(jié)管道頂進(jìn)結(jié)束，在后面的每一節(jié)管道相繼插入楔形套環(huán)或楔形墊塊來逐節(jié)頂進(jìn)，其工作原理如圖1所示。圖1a)給出了楔形套環(huán)隨工具管頂出，頂力通過主壓千斤頂實(shí)現(xiàn)，圖1b)為首節(jié)楔形墊塊插入管節(jié)，刃腳和第一節(jié)管彎折，圖1c)給出第二節(jié)楔形墊塊插入管節(jié)之間，該方法的頂進(jìn)原理根據(jù)自然地質(zhì)的情況，按照圍巖的壓力施加在頂進(jìn)管道上，管道在圍巖壓力的作用下自然轉(zhuǎn)向。

2.1.2 蚯蚓式頂進(jìn)方法

蚯蚓式頂進(jìn)方法不同于別的頂進(jìn)方法的最大區(qū)別是頂進(jìn)方式所用的推力方式不同。其他的曲線頂進(jìn)施工的頂力是通過千斤頂實(shí)現(xiàn)的，但是蚯蚓式頂進(jìn)方法是通過氣壓來實(shí)現(xiàn)的。具體的施工方式為：首先將管道分成若干節(jié)，在每一節(jié)管道之間設(shè)置特質(zhì)的耐壓充氣氣囊。當(dāng)充氣氣囊膨脹時(shí)，可依靠氣壓來推進(jìn)一節(jié)管子，然后氣囊排氣收縮，接著再讓另一氣囊充氣、排氣，以此反復(fù)進(jìn)行將后續(xù)管道頂進(jìn)。特別注意的是在每一節(jié)氣囊充氣頂進(jìn)后，必須要排氣，這樣頂進(jìn)的管道不會(huì)因?yàn)榈诙€(gè)氣囊的頂進(jìn)而受到相應(yīng)的影響。

2.1.3 半盾構(gòu)法

半盾構(gòu)法是將盾構(gòu)法和頂管技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。將第一節(jié)管前加裝盾頭，盾頭內(nèi)部安裝多臺(tái)盾頭千斤頂，盾頭頂進(jìn)主要是用來承擔(dān)隧道的前進(jìn)力度和方向。后面連續(xù)多節(jié)管道并通過千斤頂頂進(jìn)。由于整個(gè)施工過程的迎面阻力是由盾頭來承擔(dān)，主壓千斤頂只承受管道與圍巖之間的摩擦力，這樣就減輕了施工過程中主壓千斤頂?shù)墓ぷ髫?fù)擔(dān)。盾頭前進(jìn)可以精確計(jì)算頂進(jìn)速度和頂進(jìn)距離，同時(shí)管線在轉(zhuǎn)彎的過程中可以做到精確曲線頂進(jìn)。在施工過程中可以通過降低管道的粗糙度，或者在管道和土體之間的空隙加入支撐介質(zhì)，可以降低管道與土體之間的摩擦力。對于支撐和滑動(dòng)介質(zhì)來說，除了滾動(dòng)摩擦還存在靜摩擦和滑動(dòng)摩擦，存在以下關(guān)系：

f=μFN

(1)

其中,f為摩擦力；μ為摩擦系數(shù)；FN為土體壓力。

滑動(dòng)摩擦還包括干摩擦和液體摩擦。其中干摩擦為管道與滑動(dòng)面直接接觸，液體摩擦為管道和滑動(dòng)面之間存在潤滑介質(zhì)。對于液體摩擦，摩擦系數(shù)隨著潤滑介質(zhì)的流動(dòng)阻力的變化而變化，其規(guī)律滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，即流動(dòng)阻力與液體的運(yùn)動(dòng)粘度和流動(dòng)速度有關(guān)，其表達(dá)式為：

(2)

其中,f′為液體內(nèi)摩擦力；λ為動(dòng)力粘性系數(shù)；其為與流體性質(zhì)相關(guān)的比例系數(shù)；A為流體層接觸面積；du/dy為速度梯度。由式(1)，式(2)得知，當(dāng)f=f′時(shí)，物體和潤滑介質(zhì)便處于平衡狀態(tài)。即物體浸潤在液體中，且沒有跟土層相接觸。當(dāng)f>f′時(shí)，此時(shí)接觸面的靜摩擦大于液體摩擦，潤滑介質(zhì)便會(huì)從運(yùn)動(dòng)物體和滑動(dòng)面之間的縫隙中逐漸被擠壓出去。

2.1.4 單元曲線頂管法

單元曲線頂管法是在每段管道的尾部設(shè)置一組節(jié)點(diǎn)調(diào)整器，節(jié)點(diǎn)調(diào)整器通常是由四個(gè)螺旋千斤頂組成，通常工程中會(huì)將緩沖橡膠墊置于千斤頂和管道之間來釋放管道之間的壓力。在曲線頂管施工過程中，可以通過四個(gè)千斤頂來調(diào)節(jié)頂進(jìn)力的力度，防止頂進(jìn)力過大或者過小，且在頂進(jìn)過程中，根據(jù)分別調(diào)節(jié)上下各兩個(gè)千斤頂?shù)捻斶M(jìn)力度來調(diào)整管道的前進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)頂進(jìn)過程中的曲線前進(jìn)。當(dāng)頂進(jìn)完成后，可以將每節(jié)管道之間的千斤頂撤掉并將管道之間的縫隙通過焊接實(shí)現(xiàn)連接。

2.2 曲線頂管施工的力學(xué)分析

由于曲線頂管施工技術(shù)相對復(fù)雜，管道走向?yàn)榍€，因此管道的受力是不均勻的，管道與管道之間存在“V”型縫隙，在管道內(nèi)側(cè)的受力較大，而在管道外側(cè)的受力很小甚至接近于零，因此管道會(huì)產(chǎn)生偏心力偶，偏心力偶將導(dǎo)致管道對于圍巖產(chǎn)生不均勻載荷。要使管道在偏心力偶下不偏離曲線施工線，則管道外側(cè)的圍巖必須提供足夠抗力。

2.2.1 第一節(jié)管道的力學(xué)分析

當(dāng)?shù)谝还?jié)管道進(jìn)入施工曲線段時(shí)，假設(shè)第一節(jié)管道與第二節(jié)管道之間的夾角為θ，對第一節(jié)管道進(jìn)行研究，其長度為L，管道的半徑為R。工具管道對第一節(jié)管道產(chǎn)生的反力為P0，管道圍巖對其的摩擦力為f，第二節(jié)管道對第一節(jié)管道產(chǎn)生的均布反力為P1，將均布反力P1等效為集中力，作用點(diǎn)位于距離中心點(diǎn)R/3處，偏心力矩由管道側(cè)面的圍巖反作用力矩來平衡，第一節(jié)管道的受力模型如圖2所示。根據(jù)伯格—馬夸特理論和工程經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)管道側(cè)面的圍巖反作用力由120°范圍內(nèi)的圍巖來承擔(dān)，設(shè)管道側(cè)面的圍巖反作用力的最大值為σ1，圍巖反作用力矩表達(dá)式為：

(3)

根據(jù)圖2受力分析，對O點(diǎn)列力偶平衡方程，得到：

(4)

由式(4)可得到圍巖對第一節(jié)管道的應(yīng)力為：

(5)

2.2.2 后續(xù)管道的力學(xué)分析

假設(shè)第N節(jié)管道進(jìn)入曲線段時(shí)，取第N-1節(jié)管道和第N+1節(jié)管道進(jìn)行受力分析，管道與管道之間的夾角為θ，每一節(jié)管道的長度為L，管道的半徑為R。對第N節(jié)管道進(jìn)行受力分析，其受到第N-1節(jié)管道的反作用力PN-1，受到第N+1節(jié)管道的頂進(jìn)力PN+1，管道圍巖對其的摩擦力f，第N-1節(jié)管道上徑向力引起的彎矩為PN-1Lsinθ/2，它產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力為σN1。第N節(jié)管道上徑向力引起的彎矩為fR/3，它產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力為σN2。第N+1節(jié)管道上徑向力引起的彎矩為PN+1Lsinθ/2，它產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力為σN3。圍巖對第N節(jié)管道的應(yīng)力為以上三類圍巖應(yīng)力之和，第N節(jié)管道的受力模型如圖3所示。根據(jù)伯格—馬夸特理論和工程經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)管道側(cè)面的圍巖反作用力由120°范圍內(nèi)的圍巖來承擔(dān)，可得到三類圍巖應(yīng)力分別為：

(6)

由式(6)可得到管道側(cè)面的圍巖反作用力為:

(7)

3 結(jié)語

曲線頂管施工技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，也是比較好的、比較難的施工技術(shù)，頂管施工隨著管道建設(shè)的發(fā)展已越來越普及，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越寬。

本文總結(jié)了曲線頂管施工技術(shù)的主要四種施工工藝方法，包括楔形套環(huán)及楔形墊塊法、蚯蚓式頂進(jìn)方法、半盾構(gòu)法和單元曲線頂管法。通過建立曲線頂管施工技術(shù)的力學(xué)模型，對曲線頂管的軸向應(yīng)力理論進(jìn)行研究，在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上，對簡化力學(xué)模型進(jìn)行受力分析，推導(dǎo)了管道在偏心力偶作用下管道外側(cè)受到圍巖的作用力的計(jì)算公式。該研究可以對曲線頂管施工技術(shù)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

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The construction technology and mechanical analysis in curved pipe jacking construction process

Cui Honghu

(TaiyuanMunicipalPublicEngineeringQualitySupervisionStation,Taiyuan030012,China)

Through the establishment of mechanical model of curved pipe jacking construction technology, this paper researched the axial stress theory of curve pipe jacking, based on certain assumptions, made force analysis on simplified mechanical model, derived the force calculation formula of external pipeline under surrounding rock of pipeline under eccentric force coupling action.

curved pipe jacking, construction technology, mechanical model, force analysis

1009-6825(2017)10-0108-03

2017-01-20

崔紅虎(1982- )，男，工程師

TU745.39

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