鄭經(jīng)緯，鐘潤輝，王振宇

(1.中國能源建設(shè)股份有限公司，北京 100022；2.中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200333)

0 引言

頂管法是采用后座千斤頂作為主要動力來源，將鋼管分節(jié)頂出頂管工作井，最終形成完整管道結(jié)構(gòu)的地下空間施工技術(shù)[1]。由于頂管技術(shù)具有施工速度快、不需要大面積施工場地、施工現(xiàn)場隱蔽、非開挖對周圍環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)，在工程中已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。垂直頂升法則是在施工完成的水平隧道內(nèi)采用豎向千斤頂將取排水立管分節(jié)垂直頂出隧道進(jìn)入水域，形成取排水通道的施工技術(shù)。

以往火力發(fā)電廠工程建設(shè)中，垂直頂升法多用于盾構(gòu)法取排水管道[2]，而在頂管法取排水管道中工程實(shí)例較少。與常規(guī)頂管相比，由于立管的預(yù)留開孔破壞了鋼管原有的整體性，因此主鋼管的受力和穩(wěn)定性較差，需要對其進(jìn)行更細(xì)致的分析。

目前國內(nèi)外對頂管管道結(jié)構(gòu)的計(jì)算研究多是針對不帶肋的完整鋼管[3-4]，研究方法上主要有理論分析法[5-6]、數(shù)值分析法[7]以及現(xiàn)場實(shí)測法[8]。針對頂管中垂直頂升法的研究目前尚少，陳閩、黃永富[9]結(jié)合某污水處理廠DN2880的頂管探討了豎管頂升的技術(shù)和應(yīng)用；楊志祥[10]論述了頂管中采用垂直頂升法的地基處理和施工控制方案，解決了原方案運(yùn)營產(chǎn)生的水體污染問題；富忠權(quán)[11]結(jié)合現(xiàn)場施工情況，詳細(xì)介紹了在海底采用垂直頂升方案的止水技術(shù)；王壽生，葛春輝[12]研究了兩種計(jì)算垂直頂力的方法，認(rèn)為采用土體剪切破壞的模式計(jì)算頂力更為合適。

本文介紹某燃?xì)怆姀S排水頂管，探討在頂管中采用垂直頂升方法時(shí)設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意的問題，為將來類似工程提供參考。

1 工程概況

某燃?xì)怆姀S循環(huán)水排水鋼頂管1根，采用頂管法施工，排水工作井作為頂管始發(fā)工作井，距長江大堤約50 m，橫向管道直徑2.84 m，陸域段及穿越大堤段約78 m，全長356.373 m。管道軸線標(biāo)高-12.8 m(吳淞高程，下同)，頂管穿越土層比較復(fù)雜，管頂土層②3灰色砂質(zhì)粉土，管底土層④灰色淤泥質(zhì)粘土，在部分?jǐn)嗝婀艿理敳繒佑|軟弱土夾層②3夾灰黃色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。本工程共設(shè)5根排水立管，直徑均為1.22 m。主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要土層特性表

2 排水管道結(jié)構(gòu)

2.1 主體結(jié)構(gòu)

排水管道分兩段，即垂直頂升段及不加肋的標(biāo)準(zhǔn)段，標(biāo)準(zhǔn)段采用常規(guī)的圓形鋼管結(jié)構(gòu)，Q235鋼材，直徑2 840 mm，壁厚30 mm。垂直頂升段立管開孔附近的鋼頂管增設(shè)環(huán)向及縱向加勁肋，遠(yuǎn)離立管處環(huán)向加勁肋按500 mm間距布置，靠近立管處環(huán)向加勁肋按400 mm間距布置，在正對立管開口處環(huán)向加勁肋增加至300 mm間距一道，并設(shè)置翼板；縱向加勁肋布置時(shí)按沿環(huán)向30°一道，環(huán)向及縱向加勁肋均高200 mm。原則上加固后管道極限頂力不低于原管道。

排水管道在垂直頂升段共布置5根排水立管，中心間距6 m，排水立管采用φ1 220 mm×12 mm垂直鋼頂管。垂直頂升段斷面如圖1所示。

圖1 垂直頂升段斷面圖

2.2 垂直頂升段防水設(shè)計(jì)

垂直頂升段開口處的防水設(shè)計(jì)對整個(gè)排水管道而言至關(guān)重要，一旦發(fā)生大量滲水將導(dǎo)致水土涌入進(jìn)而造成管道結(jié)構(gòu)的破壞。本工程開口處采用兩道防水，第一道防水采用止水密封圈，第二道防水采用油浸石棉盤根，下方采用法蘭固定。防水裝置細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 開口處防水裝置細(xì)部結(jié)構(gòu)圖

3 管道結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 標(biāo)準(zhǔn)段管道

標(biāo)準(zhǔn)段即為常規(guī)的圓形無肋鋼管，根據(jù)GB 50332—2017《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)公式計(jì)算。按施工工況、空管工況、運(yùn)行工況三種情況分別計(jì)算，施工工況最大組合折算應(yīng)力150 MPa，最大豎向變形19.4 mm；空管工況最大組合折算應(yīng)力101 MPa，最大豎向變形19.4 mm；運(yùn)行工況最大組合折算應(yīng)力82.0 MPa，最大豎向變形20.0 mm，滿足要求。

3.2 垂直頂升段管道

3.2.1 穩(wěn)定計(jì)算

由于垂直頂升段豎向留有立管開孔，破壞了其原有結(jié)構(gòu)的整體性，因此在橫向頂進(jìn)的過程中，是否會發(fā)生屈曲破壞是設(shè)計(jì)中特別關(guān)注的問題。這種既考慮雙向加勁肋又考慮立管開孔的情況，常規(guī)方法無法滿足，因此需要采用有限元方法來對其進(jìn)行分析。本工程頂管的縱向屈曲穩(wěn)定分析利用大型通用有限元軟件中的非線性屈曲模塊進(jìn)行計(jì)算，有限元模型中的屈曲判別模式可用頂力來控制。在加載的初始階段，頂力隨著某一控制點(diǎn)的位移的增加而增加。當(dāng)達(dá)到某一極值點(diǎn)后，頂力隨著位移的增加呈現(xiàn)出下降趨勢，我們將此極值點(diǎn)的應(yīng)力作為臨界屈曲應(yīng)力。

建立的有限元模型如圖3所示。材料本構(gòu)采用理想彈塑性模型，鋼頂管彈性模量E =206 GPa，泊松比 μ = 0.3。

圖3 鋼頂管有限元模型

模型四周設(shè)置土彈簧，第一步施加土體圍壓，第二步在管道兩端施加頂力，模擬管道橫向頂進(jìn)時(shí)的受力變形狀況。圖4為鋼頂管壁厚和加勁肋間距變化時(shí)臨界屈曲壓力的變化曲線，可以看到隨著環(huán)向間距減小、鋼管壁厚增加，鋼頂管所能承受的頂推力也相應(yīng)增大。屈曲首先發(fā)生在鋼頂管開口處，此處由于孔洞的存在，剛度相對較弱，屈曲應(yīng)力為205 MPa，表明材料已經(jīng)進(jìn)入屈服階段。

圖4 臨界屈曲壓力曲線

3.2.2 強(qiáng)度計(jì)算

對排水管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同樣只能采用有限元方法，并且應(yīng)同時(shí)計(jì)算頂管橫向頂進(jìn)以及立管垂直頂升兩種主要工況。鋼管材料采用彈性本構(gòu)模型，模型外表面設(shè)置單向彈簧模擬土體對頂管的作用，地基基床系數(shù)k值根據(jù)地質(zhì)報(bào)告選取，外部土壓力以面荷載形式施加于殼單元外表面。

1)橫向頂進(jìn)工況

橫向頂進(jìn)時(shí)，立管還未施工，僅有首節(jié)管節(jié)暫時(shí)固定在頂管開口處，建立的有限元模型如圖5所示。模型中應(yīng)同時(shí)考慮環(huán)向、縱向加勁肋以及開口處異形加勁環(huán)。

圖5 橫向頂進(jìn)模型

在本工程最不利水土壓力的作用下，環(huán)向加勁肋受力最大，最大mises應(yīng)力(基于剪切應(yīng)變能的等效應(yīng)力)為54.51 MPa，位于拱腰處；鋼管外殼最大應(yīng)力為28.74 MPa，縱肋最大mises應(yīng)力為13.88 MPa，開口處異形加勁環(huán)最大應(yīng)力為35.43 MPa。此階段管道變形呈橫向橢圓狀。

2)垂直頂升工況

垂直頂升時(shí)，立管的頂升反力作用于鋼管下方，施工時(shí)同一時(shí)間只頂升一根立管，因此每次頂升不同立管對結(jié)構(gòu)而言是存在差異的，分析時(shí)重點(diǎn)研究施工中間3號立管以及施工最靠近標(biāo)準(zhǔn)段的1號立管兩種情況。有限元模型如圖6所示。立管頂推反力施加形式如圖7所示。

圖6 垂直頂升模型及立管編號

圖7 立管頂推反力施加形式

1號立管頂升時(shí)，外殼最大mises應(yīng)力44.28 MPa，位于頂升段與標(biāo)準(zhǔn)段連接處；縱向加勁肋最大應(yīng)力52 MPa，位于開口處；環(huán)向加勁肋最大應(yīng)力62.34 MPa，位于頂升段與標(biāo)準(zhǔn)段連接處。此時(shí)管道整體變形趨向于豎向的橢圓形。與1號立管相近的標(biāo)準(zhǔn)段外壁最大應(yīng)力50.6 MPa，此處外壁應(yīng)力和變形都比頂升段大，因此使得環(huán)向加勁肋最大受力和變形也位于與標(biāo)準(zhǔn)段連接處。

3號立管頂升時(shí)，影響范圍主要在頂升段，此處離標(biāo)準(zhǔn)段較遠(yuǎn)，對其影響較小。鋼管外壁最大應(yīng)力65.76 MPa，位于立管開口處；縱向加勁肋最大應(yīng)力55.76 MPa，位于立管開口處；環(huán)向加勁肋最大應(yīng)力60.63 MPa，位于開口位置拱腰處。此時(shí)，由于頂升反力作用在拱底，立管所在斷面處變形為豎向的橢圓形。

4 結(jié)語

本文基于某燃?xì)怆姀S循環(huán)水排水管道工程，對布置有垂直頂升立管的取排水管道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明垂直頂升立管的布置能滿足排水管道結(jié)構(gòu)在施工和運(yùn)行過程中的安全要求。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意管道開口處的加固措施以及防水裝置；在對管道整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用不同模型分工況研究。

此外，由于最終工程的成敗很大程度上也取決于施工質(zhì)量的控制，因此施工過程中應(yīng)加強(qiáng)測量，“勤測、勤糾”，保證立管開口處位于設(shè)計(jì)人員所規(guī)定的位置。