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        預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管在供水工程中的應(yīng)用研究

        2018-05-12 02:52:34葉源新
        特種結(jié)構(gòu) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:頂力管節(jié)頂管

        葉源新

        (上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司 201103)

        引言

        預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,簡(jiǎn)稱PCCP)最先起源于法國(guó)。1939年法國(guó)邦納管道公司利用新發(fā)明的預(yù)應(yīng)力混凝土原理,制造了PCCP。1942年,美國(guó)將PCCP運(yùn)用于給水工程[1]。我國(guó)于1985年開(kāi)始對(duì)PCCP生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行研究和探索,1988年電力行業(yè)首先開(kāi)始設(shè)計(jì),于1990年生產(chǎn)并在電廠循環(huán)水管投入使用[2]。PCCP具有抗?jié)B性好、耐久性強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)單快捷、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)多個(gè)長(zhǎng)距離輸水工程中得到應(yīng)用[3-6],管徑達(dá)到 DN2800~DN4000,施工方式普遍采用開(kāi)槽埋管,大多為放坡開(kāi)挖。通過(guò)多年的發(fā)展和研究,形成了適應(yīng)我國(guó)行業(yè)特點(diǎn)的埋管PCCP制造和設(shè)計(jì)規(guī)程[7]。對(duì)于軟土層較厚、地下水位較高的地區(qū),由于需要采用支護(hù)開(kāi)挖,且征借地和綠化賠償費(fèi)用較高,降低了經(jīng)濟(jì)性;有時(shí)還會(huì)因地面沒(méi)有開(kāi)挖條件,無(wú)法應(yīng)用。

        近年來(lái)國(guó)內(nèi)多家單位也逐步開(kāi)展了將PCCP用于頂進(jìn)施工的研究和嘗試應(yīng)用,將PCCP與頂管(Jacking)工藝相結(jié)合,發(fā)揮兩者優(yōu)點(diǎn),即預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管(Jacking of Prestressed Concrete Cylinder Pipe,簡(jiǎn)稱JPCCP),主要有兩種結(jié)構(gòu)形式:(1)僅將外層砂漿保護(hù)層置換成細(xì)石混凝土層[8];(2)將外層砂漿保護(hù)層置換成鋼筋混凝土層,在端口設(shè)置注漿管[9]。通過(guò)實(shí)踐,上述結(jié)構(gòu)形式局限于短距離、中小口徑頂管工程,但長(zhǎng)距離、大口徑頂管應(yīng)用案例鮮見(jiàn)報(bào)道。究其原因,主要有以下幾點(diǎn):(1)細(xì)石混凝土層不能有效地傳遞縱向頂力;(2)PCCP頂管的插口位于內(nèi)側(cè),外部泥沙易進(jìn)入管節(jié)間的張口,導(dǎo)致后期糾偏困難,影響長(zhǎng)距離頂進(jìn);(3)外壁注漿為點(diǎn)狀噴射,在管周不能有效形成泥漿套;(4)未形成一套適用于頂管設(shè)計(jì)、施工的計(jì)算理論。

        為滿足大口徑JPCCP長(zhǎng)距離頂進(jìn)應(yīng)用實(shí)踐的需要,2014年初,上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司依托黃浦江上游閔奉原水支線工程組織包括設(shè)計(jì)單位、施工單位、制造單位和高校在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì),著手開(kāi)展研究適用于長(zhǎng)距離頂進(jìn)的JPCCP。

        1 JPCCP研究難點(diǎn)和思路

        JPCCP長(zhǎng)距離頂管相較以往埋管工程和短距離頂管工程存在很大的差異,不能簡(jiǎn)單套用之前的技術(shù)。JPCCP應(yīng)用于供水領(lǐng)域長(zhǎng)距離、大口徑頂管存在著一系列挑戰(zhàn)和難點(diǎn):需要研發(fā)適用于長(zhǎng)距離頂進(jìn)的管體構(gòu)造和接口形式,接口還要滿足內(nèi)水壓使用需求;針對(duì)理論空白,需要形成一套JPCCP的設(shè)計(jì)和計(jì)算理論;針對(duì)新型管材,需要開(kāi)發(fā)JPCCP的制造技術(shù);同時(shí)還需要開(kāi)發(fā)一套適用于高精度承插式頂管的施工技術(shù)。為此,在四個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)研究:結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造,理論計(jì)算,制造技術(shù),施工技術(shù)。

        在結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造方面,主要采用查閱資料、原型管試驗(yàn)、仿真模擬等方法,采用原型管的模擬拼裝、模擬頂進(jìn)、接口反復(fù)轉(zhuǎn)角試壓等手段來(lái)驗(yàn)證新型結(jié)構(gòu)的可靠性。

        在理論計(jì)算方面,主要采用計(jì)算推導(dǎo)、仿真計(jì)算、原型管試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法,經(jīng)歷了從初步理論計(jì)算、仿真計(jì)算、廠內(nèi)原型試驗(yàn)、理論校核、試驗(yàn)段試驗(yàn)、理論復(fù)核、最終形成理論這一較為完備的過(guò)程。

        在制造技術(shù)方面,對(duì)適應(yīng)頂管工況的管子的制造精度需求進(jìn)行了實(shí)測(cè)和分析,開(kāi)發(fā)并精加工適用于高精度要求的模具。

        在施工技術(shù)方面,主要采用原型管試拼裝、試頂進(jìn),施工過(guò)程仿真分析,類(lèi)似工程對(duì)比分析,施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證、反演等方法。

        2 JPCCP主要研究成果

        2.1 結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造研究

        由于現(xiàn)有JPCCP管體及接口構(gòu)造方面存在著不能有效傳遞頂力、在含砂量較大的土層頂進(jìn)容易產(chǎn)生糾偏困難、注漿不均勻等不足,本文研究在接口和管體結(jié)構(gòu)構(gòu)造上進(jìn)行以下幾方面改進(jìn):(1)為了便于制作,提高管子頂進(jìn)過(guò)程中的傳力可靠性,設(shè)置80mm厚鋼筋保護(hù)層;(2)為了防止外部泥砂進(jìn)入接口,設(shè)置外壁鋼承口和楔形膠圈;(3)改進(jìn)注漿管形式,與外壁鋼承口配合,在外壁形成注漿套,真正起到減阻作用。改進(jìn)后的管子接口形式如圖1所示。

        在經(jīng)過(guò)多個(gè)原型試驗(yàn)的研究和改進(jìn)后,研制出了高精度的JPCCP,能適用于長(zhǎng)距離頂進(jìn),更能適應(yīng)高內(nèi)水壓和復(fù)雜地質(zhì)條件工況。以DN3000的JPCCP管材為例,其結(jié)構(gòu)形式如圖2和圖3所示,由鋼筒、預(yù)應(yīng)力鋼絲、環(huán)筋、預(yù)應(yīng)力混凝土、普通鋼筋混凝土等組成復(fù)合結(jié)構(gòu)。

        圖1 改進(jìn)后的JPCCP接口示意Fig.1 Improved JPCCP interface diagram

        圖2 JPCCP剖面Fig.2 JPCCP profile

        圖3 管道局部剖面Fig.3 Pipeline section view

        2.2 計(jì)算理論研究

        PCCP為一種多層、多材料組合的復(fù)合管材,國(guó)內(nèi)外對(duì)其有大量的研究。JPCCP將PCCP原有的砂漿層改成鋼筋混凝土保護(hù)層,還需承受縱向頂力工況,對(duì)JPCCP的計(jì)算理論研究面臨更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和受力工況。為了準(zhǔn)確地掌握其結(jié)構(gòu)受力特性,將理論研究、原型試驗(yàn)[9]和數(shù)值模擬相結(jié)合。本次開(kāi)展的原型試驗(yàn)包括內(nèi)壓試驗(yàn)、外壓試驗(yàn),還有創(chuàng)新性地開(kāi)展了內(nèi)外壓聯(lián)合試驗(yàn),模擬頂進(jìn)試驗(yàn),通過(guò)數(shù)據(jù)采集,掌握了各結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)。在數(shù)值模擬過(guò)程中,首次將彈塑性損傷力學(xué)的本構(gòu)模型和追蹤單元技術(shù)應(yīng)用到JPCCP有限元仿真計(jì)算。

        1.環(huán)向設(shè)計(jì)

        在環(huán)向設(shè)計(jì)理論方面,通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),JPCCP外保護(hù)層中的鋼筋雖然能在結(jié)構(gòu)破壞時(shí)達(dá)到屈服,但由于鋼絲屈服在前,且配筋面積有限,其對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力并沒(méi)有明顯的提高。在設(shè)計(jì)時(shí),建議不考慮鋼筋參與承載力極限狀態(tài)的抗力貢獻(xiàn),且外環(huán)筋在配筋設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)以控制開(kāi)裂的構(gòu)造配筋為目標(biāo),并且為了使結(jié)構(gòu)不發(fā)生超筋脆性破壞,鋼筋的面積不建議配置過(guò)高。由于JPCCP管的破壞模式與現(xiàn)有PCCP管規(guī)范中提出的設(shè)計(jì)方法中各項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)基本一致,所以沿用其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行JPCCP管極限承載力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)計(jì)算是合理可靠的。

        2.縱向設(shè)計(jì)

        在縱向設(shè)計(jì)理論方面,分別就直線頂進(jìn)和曲線頂進(jìn)工況進(jìn)行了研究,考察了原有普通鋼筋混凝土頂管最大允許頂力計(jì)算方法的適用性,發(fā)現(xiàn)直線頂進(jìn)時(shí),由于在頂力作用下,JPCCP頂管與鋼筋混凝土管的結(jié)構(gòu)響應(yīng)相近且安全度很接近,鋼筋混凝土頂管的計(jì)算模式適用于JPCCP,且實(shí)測(cè)預(yù)應(yīng)力鋼絲應(yīng)力增量處于安全的范圍內(nèi)。通過(guò)研究,給出了JPCCP允許頂力計(jì)算方法,在允許頂力作用下,復(fù)合結(jié)構(gòu)各層之間不會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng),結(jié)構(gòu)是安全的。

        2.3 制造技術(shù)研究

        與常規(guī)PCCP懸吊安裝不同,JPCCP放置在頂管導(dǎo)軌上,采用頂推法進(jìn)行拼裝、頂進(jìn)。一般導(dǎo)軌高程控制誤差為±2mm,當(dāng)管外徑尺寸、局部圓度、承插口同心度超過(guò)該誤差時(shí),接口膠圈很容易受到損壞,因此管道的制作精度要求大大提高,如外壁局部圓度允許偏差不超過(guò)3mm,承口局部圓度允許偏差為0~2mm,插口局部圓度允許偏差為±2.5mm。

        管節(jié)制作通過(guò)全面升級(jí)管道制作工藝、模具制作工藝,創(chuàng)新性地研制出JPCCP結(jié)構(gòu)鋼模,為制作高精度混凝土構(gòu)件開(kāi)辟了新途徑。制作時(shí),采用兩套模具分別進(jìn)行預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力混凝土部分的澆注。第一次澆注用模具管體內(nèi)壁的密封性接口尺寸、圓整度、管芯層外壁直徑尺寸和平整度應(yīng)滿足精度要求。第二次澆注用模具管體外接口的擋砂環(huán)承插口尺寸、管體外壁平整度、圓度及直徑尺寸、管兩端受力面尺寸、承口端面平整度應(yīng)滿足精度要求。管芯內(nèi)外模采用可自動(dòng)變徑的圓模,管外壁模具采用圓形兩半模結(jié)構(gòu),頂模采用焊接件,底模采用整體鑄鋼件。內(nèi)外模、頂模、底模要有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,減少吊裝、制作時(shí)引起的變形,保證管節(jié)制作各部位尺寸在允許偏差范圍內(nèi)。

        同時(shí)針對(duì)管節(jié)的關(guān)鍵接口部位,研發(fā)新型雙接口連接方式,對(duì)該型式接口中使用的密封橡膠圈展開(kāi)了尺寸、材料及整體性能的系列研究。

        2.4 施工技術(shù)研究

        與常規(guī)混凝土承插管相比,JPCCP的高精度接口對(duì)管節(jié)的拼裝提出了很高的要求,接口允許偏差在2mm以內(nèi),稍有不慎就會(huì)威脅到密封橡膠圈的安全,強(qiáng)行承插易出現(xiàn)膠條被剪切失效或鋼套環(huán)變形的情況。針對(duì)高要求,開(kāi)發(fā)研制針對(duì)JPCCP的管節(jié)尺寸配對(duì)技術(shù)、管節(jié)姿態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)以及管節(jié)脫離復(fù)核技術(shù)三項(xiàng)特殊技術(shù),從拼接前、拼接中、拼接失敗重拼三個(gè)階段嚴(yán)格控制JPCCP拼接過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié),細(xì)化每一步的控制參數(shù),確保整個(gè)拼管過(guò)程始終處于受控狀態(tài)。特別是其中的管節(jié)姿態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)是拼裝的關(guān)鍵,即在頂管主軌內(nèi)安裝設(shè)置副軌,利用副軌升降千斤頂來(lái)調(diào)節(jié)管節(jié)接口處的縱橫向姿態(tài),利用副軌增加了管體上下、左右兩個(gè)方向的調(diào)節(jié)機(jī)制,與軸線推進(jìn)方向形成三維立體式調(diào)節(jié)機(jī)制。另外在頂鐵中安裝副頂,即小千斤頂進(jìn)行末端小頂力推進(jìn),推進(jìn)速度按毫米計(jì),同時(shí)配備人工輔助測(cè)量,機(jī)動(dòng)推進(jìn),大大提高了接口拼裝成功率[9]。

        除了拼裝技術(shù),研發(fā)了與JPCCP精度相匹配的高精度、微變形剛性頂管中繼環(huán),該中繼環(huán)有易于高精度拼裝、高頂力狀態(tài)下變形小、承受內(nèi)水壓力能力高、頂管后期處理簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

        3 JPCCP工程應(yīng)用與運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)

        3.1 工程應(yīng)用概述

        黃浦江上游閔奉原水支線工程規(guī)模為215萬(wàn)m3/d。管道安全等級(jí)二級(jí),設(shè)計(jì)使用年限50年。管道內(nèi)徑3m,工作壓力0.6MPa,設(shè)計(jì)壓力0.9MPa,單口打壓試驗(yàn)壓力 1.8MPa,埋深約10m。頂管穿越土層為第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。第一應(yīng)用段長(zhǎng)273m,第二應(yīng)用段長(zhǎng)830m,其中第二應(yīng)用段一次頂進(jìn)830m,屬全國(guó)首例長(zhǎng)距離頂管。

        根據(jù)理論研究成果,本次JPCCP總壁厚為300mm,其中預(yù)應(yīng)力混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,壁厚為220mm,鋼筋混凝土保護(hù)層強(qiáng)度等級(jí)為C50,抗?jié)B等級(jí)為S8,厚度為80mm,采用的預(yù)應(yīng)力鋼絲直徑為7mm,纏絲螺距為15mm。管道單節(jié)長(zhǎng)度為3m。通過(guò)前期完成的制作研究,制造單位成功制成了滿足精度要求的成品管。

        2015年8月6日至9月7日,通過(guò)施工技術(shù)研究的應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)探索,順利完成了273m的第一段頂進(jìn)作業(yè)。第二段830m于2015年10月30號(hào)開(kāi)始,12月30日結(jié)束,歷時(shí)2個(gè)月。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明,隨著技術(shù)人員的逐步探索和適應(yīng),該新型管的頂進(jìn)和拼裝速度在后期明顯加快,一天可完成6~9節(jié)管頂進(jìn),拼裝成功率也由90%提高到97%。圖4為現(xiàn)場(chǎng)坐落在導(dǎo)軌上的JPCCP。

        圖4 工作井內(nèi)導(dǎo)軌上的JPCCPFig.4 JPCCP on the track

        該兩段工程應(yīng)用段分別在2015年10月和2016年3月水務(wù)質(zhì)監(jiān)站的監(jiān)督下進(jìn)行試壓驗(yàn)收,最大試驗(yàn)壓力0.9MPa,試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到規(guī)范要求。

        3.2 工程實(shí)測(cè)研究

        為了掌握J(rèn)PCCP實(shí)際受力狀況,進(jìn)一步驗(yàn)證和完善計(jì)算理論,在第一應(yīng)用段和第二應(yīng)用段進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究。在第一應(yīng)用段,對(duì)4個(gè)管節(jié)的預(yù)應(yīng)力鋼絲、混凝土、界面接觸壓力、外部水土壓力等進(jìn)行了測(cè)試研究,在第二應(yīng)用段,對(duì)1個(gè)管節(jié)的預(yù)應(yīng)力鋼絲進(jìn)行了再次實(shí)測(cè)。管節(jié)中不同角度(0°~315°)和截面(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)的測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

        圖5 測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)Fig.5 Distribution of test points(unit:mm)

        現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)主要分為頂進(jìn)施工、試壓、靜置三個(gè)階段。以下選取相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

        預(yù)應(yīng)力鋼絲在頂進(jìn)之前的狀態(tài)為施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生拉應(yīng)變,圖6為頂進(jìn)期間各角度測(cè)點(diǎn)下鋼絲應(yīng)力變化的增量圖,負(fù)號(hào)表示拉應(yīng)變減小值。在環(huán)向水土作用下,管頂、底實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)增量處于理論計(jì)算范圍內(nèi),但管腰應(yīng)變?cè)隽康膶?shí)測(cè)數(shù)據(jù)均為拉應(yīng)變減小,而理論計(jì)算為拉應(yīng)變?cè)黾?,兩者有所不同。從鋼絲數(shù)據(jù)分析,管子各點(diǎn)基本呈現(xiàn)出壓應(yīng)變?cè)黾拥内厔?shì),表明受到較為均勻的外部水土圍壓作用。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)和土中超孔隙水壓力的消散,靜水壓力的增加,使得預(yù)應(yīng)力鋼絲壓應(yīng)變進(jìn)一步增加。預(yù)應(yīng)力混凝土的受力變化也呈現(xiàn)出此類(lèi)特點(diǎn)。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了相關(guān)文獻(xiàn)[9]表述的軟土地區(qū)大口徑頂管管周土壓力分布較為均勻的特點(diǎn),與常規(guī)認(rèn)識(shí)的頂管土壓力分布有一定出入。

        表1是不同截面的內(nèi)表面預(yù)應(yīng)力混凝土在水壓試驗(yàn)過(guò)程中,不同角度測(cè)點(diǎn)位置的內(nèi)水壓力作用下的應(yīng)變變化量,最后一列為混凝土在彈性狀態(tài)下的理論計(jì)算值。數(shù)據(jù)表明,實(shí)測(cè)的混凝土應(yīng)變變化量與理論計(jì)算值基本吻合,表面混凝土處于彈性狀態(tài)。

        在縱向頂力作用下,鋼絲和混凝土的數(shù)據(jù)變化能基本與理論研究相吻合,各層間的接觸面實(shí)測(cè)也表明各層未發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。頂進(jìn)結(jié)束后各構(gòu)件的縱向應(yīng)變也基本回到初始狀態(tài)。上述實(shí)測(cè)表明管節(jié)在允許頂力作用下結(jié)構(gòu)是安全的,所采用的理論計(jì)算是可靠的。

        從現(xiàn)場(chǎng)三個(gè)階段的鋼絲、混凝土數(shù)據(jù)分析,管道結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài),表明結(jié)構(gòu)是安全的。

        圖6 鋼絲應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.6 Steel strain curve

        表1 內(nèi)表面混凝土應(yīng)變變化量(με)Tab.1 Strain of internal surface concrete(με)

        3.3 運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)

        在2016年年底通水運(yùn)營(yíng)階段,對(duì)管子運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè),這也是國(guó)內(nèi)外為數(shù)不多的對(duì)運(yùn)營(yíng)壓力管道監(jiān)測(cè)的案例。圖7選取了管道中層預(yù)應(yīng)力混凝土在各角度測(cè)點(diǎn)下的變化曲線,數(shù)據(jù)表明,運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)變變化量約維持在25με~55με,與實(shí)際的工作壓力0.3MPa~0.4MPa反算得到的數(shù)值相吻合。圖中的數(shù)據(jù)基本保持穩(wěn)定,沒(méi)有發(fā)生大的突變和增加趨勢(shì),這也表明了管道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

        圖7 混凝土縱向應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.7 Longitudinal strain curve of concrete

        4 結(jié)語(yǔ)

        1.本次JPCCP系統(tǒng)性研究具有較強(qiáng)的科學(xué)邏輯性,流程合理,組織嚴(yán)密,為建立完整的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

        2.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,摸清了JPCCP的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,形成了一套環(huán)向、縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。

        3.通過(guò)黃浦江上游閔奉原水支線工程的實(shí)際應(yīng)用,此次研發(fā)的JPCCP結(jié)構(gòu)形式能滿足長(zhǎng)距離頂進(jìn)要求,相關(guān)制造和施工技術(shù)研究是切實(shí)可行的。

        4.通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各結(jié)構(gòu)層的實(shí)測(cè)研究,以及運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,數(shù)據(jù)顯示管道各層材料均處于彈性狀態(tài),結(jié)構(gòu)是安全的。這也表明JPCCP技術(shù)可靠,成果研究和工程應(yīng)用是成功的。

        5.本次研究成果已由上海市建委科技委組織專(zhuān)家進(jìn)行成果驗(yàn)收,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。該研究成果可為今后深覆土低內(nèi)壓供水頂管工程應(yīng)用提供參考。

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