汪洪濤

上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司 上海 201103

1 研究背景

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（簡(jiǎn)稱PCCP）是由鋼板、預(yù)應(yīng)力鋼絲、混凝土和水泥砂漿等4種基本原材料在經(jīng)過(guò)鋼筒成型、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力控制和保護(hù)層噴射等制造工藝后，構(gòu)成的一種新型復(fù)合管材。PCCP因其具有較好的耐高壓性、抗?jié)B性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，在越來(lái)越多的輸水、供水、排水排污工程、電廠循環(huán)水管道等水利工程與市政建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外PCCP施工基本采用開槽埋管的方式，如地質(zhì)條件較好，大多為放坡開挖。通過(guò)上海地區(qū)多個(gè)重大輸水工程的前期研究發(fā)現(xiàn)，雖然PCCP管材價(jià)格具有優(yōu)勢(shì)，但上海地區(qū)由于軟土層較厚、地下水位較高，需要采用支護(hù)開挖，且征借地和綠化賠償費(fèi)用較高，采用PCCP開挖埋管的成本往往高于鋼管頂管，不再具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。因此，將PCCP管與頂管施工方式相結(jié)合是既降低工程造價(jià)、又發(fā)揮PCCP管特點(diǎn)的創(chuàng)新舉措。國(guó)內(nèi)外關(guān)于PCCP埋管和混凝土頂管的試驗(yàn)研究較多[1-5]，目前還鮮見關(guān)于預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管頂管（簡(jiǎn)稱JPCCP）的試驗(yàn)和理論研究，相應(yīng)的規(guī)范更未形成。JPCCP作為一種施工形式，頂力工況是區(qū)別于常規(guī)PCCP的重要特征，而這種新型工藝的頂管管材是否能夠滿足頂進(jìn)施工所需的抗力還缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)研究。為此，本文對(duì)JPCCP頂管軸向頂進(jìn)力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究分析，以期能為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和規(guī)范編制提供數(shù)據(jù)支持，并為后續(xù)推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案研究

為驗(yàn)證JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和探究JPCCP在施工過(guò)程中的真實(shí)力學(xué)行為特性，本次試驗(yàn)進(jìn)行了直線頂進(jìn)、有偏角頂進(jìn)的JPCCP原型管頂進(jìn)模擬。原型試驗(yàn)?zāi)軌虺浞盅芯抗艿澜Y(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的力學(xué)性能，更能充分研究管道復(fù)合結(jié)構(gòu)之間的相互作用、結(jié)構(gòu)的整體剛度等多方面特點(diǎn)。

2.1 頂力設(shè)計(jì)

允許頂力是頂管工程設(shè)計(jì)的重要組成部分，頂力與管材、頂管井、土層和施工措施等因素相關(guān)。本次試驗(yàn)管材為JPCCP，生產(chǎn)廠商提供的DN3 600 mm頂管的最大允許頂力不小于30 000 kN。通過(guò)調(diào)研目前國(guó)內(nèi)最大的混凝土頂管工程——上海市污水治理白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程的DN4 000 mm鋼筋混凝土頂管，該工程最大頂力不超過(guò)14 000 kN。本次試驗(yàn)頂力以該工程的最大頂力作為參考。根據(jù)GB 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求，試驗(yàn)頂力可為實(shí)際頂力的1.5倍。因此，此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)頂力確定為14 000 kN×1.5=21 000 kN。

2.2 試驗(yàn)頂管井

模擬頂管頂進(jìn)過(guò)程中的管節(jié)受力情況時(shí)，最重要的環(huán)節(jié)就是能夠?qū)芄?jié)施加足夠量的荷載，并且施加荷載的設(shè)備與頂管設(shè)備基本相同。

為真實(shí)地滿足模擬施工中JPCCP管的需要，綜合考慮試驗(yàn)?zāi)康暮捅ＷC試驗(yàn)安全，將管節(jié)及全套的頂進(jìn)設(shè)備置入一個(gè)半地下矩形頂管井（圖1）。頂管井內(nèi)凈尺寸為7.0 m×9.5 m×5.0 m（深），設(shè)計(jì)最大允許頂力為21 000 kN。為平衡頂力，工作井還建立了剛性后座。利用左側(cè)千斤頂施加頂力，利用上、下兩側(cè)千斤頂來(lái)調(diào)整JPCCP管的偏離角度。

圖1 試驗(yàn)工作井示意

2.3 試驗(yàn)對(duì)象及設(shè)備

試驗(yàn)對(duì)象為2節(jié)DN3 600 mm的JPCCP，每節(jié)長(zhǎng)度3 m。試驗(yàn)前，生產(chǎn)廠商應(yīng)出具完整的管道材料及制作檢測(cè)報(bào)告。

模擬頂進(jìn)荷載試驗(yàn)所需的設(shè)備（圖2、圖3）有：主頂千斤頂6只（單只頂力400 t）、雙作用側(cè)頂油缸4只（單只頂力150 t）、油壓傳感器3套、油泵車2臺(tái)、環(huán)形頂鐵1副、試驗(yàn)管2節(jié)、模擬頂進(jìn)控制系統(tǒng)1套、視頻監(jiān)控設(shè)備1套、照明設(shè)備1套。

2.4 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)包含10個(gè)工況（表1），共進(jìn)行了3種試驗(yàn)：無(wú)偏轉(zhuǎn)頂進(jìn)試驗(yàn)、一定偏轉(zhuǎn)角度下頂進(jìn)試驗(yàn)、極限偏轉(zhuǎn)角度下頂進(jìn)試驗(yàn)。前3個(gè)工況是對(duì)直線頂進(jìn)（無(wú)偏角）的模擬；第4～6工況是對(duì)出現(xiàn)偏角為0.38°的頂進(jìn)模擬；第7～10工況是對(duì)出現(xiàn)偏角為0.5°的頂進(jìn)模擬。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備實(shí)物

圖3 千斤頂位置示意

表1 試驗(yàn)工況

無(wú)偏角頂進(jìn)試驗(yàn)的兩管管端截面完全接觸，無(wú)張開角度或張開角度極小，兩管軸線基本重合。但實(shí)際施工中由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性、頂力控制的技術(shù)難度等原因?qū)е马敼茉谑┕み^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏離，偏角頂進(jìn)試驗(yàn)就是探究頂管出現(xiàn)這種偏離后管的真實(shí)形變狀態(tài)。

3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置與數(shù)據(jù)采集

3.1 主要觀測(cè)指標(biāo)

1）頂進(jìn)過(guò)程中混凝土、鋼筋和鋼筒的應(yīng)變（軸向），測(cè)量位置包括鋼筋、鋼筒、中間層混凝土內(nèi)部及外層混凝土外壁和內(nèi)層混凝土內(nèi)壁。

2）頂進(jìn)過(guò)程中的裂縫觀測(cè)（內(nèi)壁和外壁的裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展過(guò)程）。

3）頂進(jìn)過(guò)程中的鋼絲應(yīng)力（環(huán)向），測(cè)量位置包括預(yù)應(yīng)力鋼絲。

4）頂進(jìn)過(guò)程中鋼筒與中間層混凝土、外層混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼絲接觸應(yīng)力及接觸狀態(tài)。

5）頂進(jìn)過(guò)程中管節(jié)接頭部位的壓縮、張開量。6）頂進(jìn)過(guò)程中管節(jié)接頭部位的應(yīng)力狀態(tài)。

3.2 測(cè)點(diǎn)的布置方案

為了研究管道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)條件，在每節(jié)JPCCP管上選取3個(gè)橫斷面，各斷面混凝土管芯內(nèi)部、內(nèi)壁與混凝土外環(huán)外壁、鋼筋及鋼絲等按一定規(guī)律布置測(cè)點(diǎn)。

測(cè)點(diǎn)布置方法包括表面粘貼法和預(yù)埋傳感器法。表面粘貼法是指在JPCCP管內(nèi)壁和外表面上粘貼應(yīng)變片等傳感器；預(yù)埋傳感器法是指在JPCCP管內(nèi)部埋置傳感器，這個(gè)過(guò)程主要在JPCCP管制作過(guò)程中完成，如澆筑內(nèi)環(huán)和中環(huán)混凝土之前在鋼筒內(nèi)壁上安裝應(yīng)變計(jì)和在中間層混凝土中埋設(shè)應(yīng)變計(jì)，澆筑外環(huán)混凝土之前在鋼絞線、鋼筋上布置應(yīng)變片等。

對(duì)于管芯內(nèi)壁，其本身比較光滑，直接用砂紙打磨后擦以無(wú)水酒精進(jìn)行清洗，然后用502膠粘貼電阻應(yīng)變片，再用長(zhǎng)10 m的導(dǎo)線引出，最后涂以704硅膠以防止試驗(yàn)前應(yīng)變片受外界因素影響。

對(duì)于外環(huán)混凝土外側(cè)，先用砂輪機(jī)打磨出一平面并用砂紙打磨光滑，再涂以一層較薄的環(huán)氧樹脂，待樹脂干硬后，再用無(wú)水酒精進(jìn)行清洗，然后用502膠粘貼電阻應(yīng)變片，并用長(zhǎng)10 m的導(dǎo)線引出，最后涂704硅膠進(jìn)行密封。

為了便于澆筑試件及保護(hù)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)線，所有數(shù)據(jù)線均通過(guò)鋼筋及焊接的支架牢靠地固定在混凝土內(nèi)部，同時(shí)數(shù)據(jù)線通過(guò)在內(nèi)外表面及端部設(shè)置接線盒引出。

在頂進(jìn)試驗(yàn)中，由于管節(jié)內(nèi)外表面均可方便地接線，故預(yù)埋的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)線接線盒的布置方案為：所有預(yù)埋測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)線均通過(guò)布置在鋼筒外表面的接線盒引出。

4 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

由于篇幅限制，所以本文不對(duì)試驗(yàn)開展過(guò)程進(jìn)行贅述，直接提取試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)各工況的最大壓應(yīng)變?nèi)绫?所示。試驗(yàn)中內(nèi)層混凝土最大壓應(yīng)變?yōu)?60 μ ε，中間層混凝土最大壓應(yīng)變?yōu)?90 μ ε，外層混凝土最大壓應(yīng)變?yōu)? 260 μ ε，鋼筒最大壓應(yīng)變?yōu)?90 μ ε，縱筋最大壓應(yīng)變?yōu)?60 μ ε。因此，可以看出各參數(shù)均處于安全范圍之內(nèi)，未達(dá)到其極限壓應(yīng)變（3 300 μ ε）。

試驗(yàn)各工況的最大拉應(yīng)變?nèi)绫?所示（“無(wú)”表示無(wú)拉應(yīng)變）。試驗(yàn)中內(nèi)層混凝土最大拉應(yīng)變?yōu)?0 μ ε，中間層混凝土最大拉應(yīng)變?yōu)?0 μ ε，外層混凝土除后管第三截面315°處最大拉應(yīng)變?yōu)?02 μ ε之外，混凝土其余各測(cè)點(diǎn)的最大拉應(yīng)變均小于80 μ ε，且都小于混凝土極限拉應(yīng)變（110 μ ε）。

表2 各工況最大壓應(yīng)變值

表3 各工況最大拉應(yīng)變值

4.2 試驗(yàn)結(jié)論

4.2.1 直線頂進(jìn)

在頂力達(dá)到2 100 kN時(shí)，管的最大壓應(yīng)變?yōu)楹蠊芡獗韺拥膲簯?yīng)變403 μ ε，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土的極限壓應(yīng)變3 300 μ ε。外層混凝土的壓應(yīng)變普遍大于中間層混凝土及鋼筒的壓應(yīng)變，表明外層混凝土與中間層及鋼筒之間有錯(cuò)開趨勢(shì)。

直線頂進(jìn)中，中間層混凝土與鋼筒面的接觸力隨荷載的增大而趨于減小。從中間層混凝土與鋼筒表面、鋼絲與外層混凝土接觸應(yīng)變曲線上看，無(wú)突變出現(xiàn)，表明接觸處未發(fā)生錯(cuò)開。

試驗(yàn)后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)管節(jié)未發(fā)現(xiàn)可見的新增裂縫。在試驗(yàn)頂力直線頂進(jìn)試驗(yàn)工況下，JPCCP表現(xiàn)出較好的結(jié)構(gòu)性能。兩管接觸面的壓應(yīng)力對(duì)兩管的偏角變化較為敏感，較小偏角將引起應(yīng)力的快速增大，但壓應(yīng)力的最大值小于14 MPa。

4.2.2 偏角頂進(jìn)

混凝土內(nèi)外表層出現(xiàn)拉應(yīng)變，并且拉應(yīng)變主要出現(xiàn)在頂管截面受荷對(duì)側(cè)的位置。管的中間層混凝土與鋼筒、鋼絲與外層混凝土的軸向應(yīng)變不相等，表明它們之間有錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì)。

偏角頂進(jìn)試驗(yàn)中，中間層混凝土與鋼筒接觸力狀態(tài)較為復(fù)雜，當(dāng)接觸力呈現(xiàn)減小狀態(tài)時(shí)，層間有錯(cuò)開的趨勢(shì)。

試驗(yàn)各工況中，鋼絲表面與外層混凝土之間的接觸力呈現(xiàn)減小狀態(tài)，有錯(cuò)開的趨勢(shì)。從中間層混凝土與鋼筒、鋼絲與外層混凝土的接觸力曲線上看，無(wú)突變出現(xiàn)，表明接觸處在試驗(yàn)中未發(fā)生錯(cuò)開。

試驗(yàn)后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)管節(jié)未發(fā)現(xiàn)可見的新增裂縫。在試驗(yàn)頂力偏角頂進(jìn)下，JPCCP具有較好的結(jié)構(gòu)性能。

4.2.3 建議

JPCCP中預(yù)應(yīng)力鋼絲對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及安全狀態(tài)有著至關(guān)重要的作用?？紤]到鋼絲與外層混凝土界面在試驗(yàn)中隨著頂力的增加有錯(cuò)開的趨勢(shì)，為保證施工頂進(jìn)中兩者良好的接觸，建議在條件允許的情況下，采取一定的構(gòu)造措施進(jìn)一步增強(qiáng)鋼絲與外層混凝土間的連接力。為保證施工頂進(jìn)時(shí)中間層混凝土與鋼筒間良好的接觸，建議在條件允許的情況下，采取一定的構(gòu)造措施進(jìn)一步增強(qiáng)兩者間的連接力。在頂管施工中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)偏差，要及時(shí)地對(duì)偏差進(jìn)行糾正，避免大偏角頂進(jìn)（建議控制值為0.38°）。

5 結(jié)語(yǔ)

本次開展的頂進(jìn)試驗(yàn)主要研究了軸向頂進(jìn)力情況下JPCCP的力學(xué)性能。而實(shí)際工程中，JPCCP除了受到軸向頂力與摩阻力作用，還要承受橫向的水土壓力作用，處于復(fù)雜的三向受力狀態(tài)。為了進(jìn)一步獲取和評(píng)估JPCCP在實(shí)際頂進(jìn)過(guò)程中的力學(xué)特性，并為優(yōu)化管節(jié)制作、設(shè)計(jì)及施工措施提供依據(jù)，建議結(jié)合工程試驗(yàn)段，作為前期試驗(yàn)工作的延續(xù)與對(duì)比，開展施工頂進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)JPCCP的結(jié)構(gòu)性能測(cè)試與狀態(tài)監(jiān)測(cè)，獲取頂進(jìn)過(guò)程中連續(xù)的混凝土應(yīng)變、管節(jié)接頭接觸力與變形、管節(jié)變形等關(guān)鍵參數(shù)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和大規(guī)模的推廣應(yīng)用提供翔實(shí)的理論數(shù)據(jù)支撐。