一種新型的大口徑玻璃鋼夾砂壓力頂管

1、一種新型的大口徑玻璃鋼夾砂壓力頂管李卓球1 陳建中1 周強(qiáng)2（1、武漢理工大學(xué)理學(xué)院； 2、永昌積水復(fù)合材料有限公司）摘要 玻璃鋼夾砂頂管作為一種新型的復(fù)合管材，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在排水排污管道中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。但對(duì)于大口徑具有壓力的頂管，以往卻尚未見(jiàn)報(bào)道。本文作者通過(guò)負(fù)責(zé)上海原水公司長(zhǎng)江引水三期輸水管道工程中玻璃鋼夾砂壓力頂管（壓力等級(jí)為0.6MPa）的技術(shù)工作，從設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬、偏轉(zhuǎn)水壓性能實(shí)驗(yàn)、以及試驗(yàn)段工程監(jiān)測(cè)等四個(gè)方面，介紹這種具有玻璃鋼承插口連接方式的新型的大口徑夾砂壓力頂管。引言玻璃鋼夾砂頂管，作為一種新型的非開(kāi)挖復(fù)合管材，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)

2、等特點(diǎn)。在施工中，玻璃鋼夾砂管重量輕，不僅便于運(yùn)輸裝卸，施工方便，而且在軟地基中不易栽頭；由于玻璃鋼夾砂頂管管外壁光滑，在無(wú)注漿減阻的條件下，特別是對(duì)于含水量高的粘土地帶，土的內(nèi)聚力不易對(duì)玻璃鋼夾砂頂管形成抱緊力，使得玻璃鋼夾砂頂管的頂力比傳統(tǒng)管材的頂管小的多。正是由于這些原因，在當(dāng)前城市排水地下管網(wǎng)的建設(shè)中，越來(lái)越多的工程采用了玻璃鋼夾砂頂管。同時(shí)，通過(guò)國(guó)內(nèi)外的這些工程實(shí)踐，玻璃鋼夾砂頂管所具有的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)的越來(lái)越充分，一些所存在的技術(shù)問(wèn)題也逐步得到了解決，得到了社會(huì)各界的認(rèn)可。上海長(zhǎng)江引水三期輸水管道工程玻璃纖維纏繞增強(qiáng)熱固性樹脂夾砂管道項(xiàng)目中，部分地段采用了玻璃鋼夾砂頂管，其直徑為DN

3、2300mm，壓力等級(jí)為0.6MPa。該項(xiàng)目實(shí)施之前，上海原水公司多次組織專家進(jìn)行論證考察，并邀請(qǐng)日本、德國(guó)的專家進(jìn)行技術(shù)咨詢。在當(dāng)時(shí)的情況下，包括國(guó)外專家，對(duì)具有壓力的大口徑玻璃鋼夾砂頂管應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道資料。在這種情況下，武漢理工大學(xué)提出了一種具有玻璃鋼承插口連接方式的、可以在施工中實(shí)時(shí)試壓的新型大口徑夾砂壓力頂管的技術(shù)方案，并由永昌積水復(fù)合材料有限公司制造與實(shí)施。2005年12月，在上海富長(zhǎng)路實(shí)施了90多米長(zhǎng)的DN2300PN6的大口徑玻璃鋼夾砂壓力頂管工程，獲得了很大成功。下面將從大口徑玻璃鋼夾砂壓力頂管的接頭設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬、偏轉(zhuǎn)水壓性能實(shí)驗(yàn)、以及試驗(yàn)段工程監(jiān)測(cè)等四個(gè)方面進(jìn)行介紹。1、接

4、頭設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，上海長(zhǎng)江引水三期輸水管道工程的玻璃鋼夾砂壓力頂管的壓力等級(jí)為0.6MPa，對(duì)于一般”F”型雙插連接的玻璃鋼夾砂頂管而言，在插口和承口均需采用兩道密封圈進(jìn)行密封，防滲效果較差，因此我們專門設(shè)計(jì)了具有更好防滲效果用于壓力頂管的玻璃鋼夾砂壓力頂管，見(jiàn)圖1。這種玻璃鋼夾砂壓力頂管采用玻璃鋼承插口方式連接，其承口和玻璃鋼管身是連接在一體，可一體制作而成的。由于采用這種玻璃鋼承插連接，從而由原來(lái)的兩個(gè)可能滲漏點(diǎn)減少到一個(gè)，防滲效果大為提高，和一般埋地壓力管具有相同的防滲性能。這種接頭設(shè)計(jì)與以往玻璃鋼夾砂頂管所不同的是：接頭全部采用玻璃鋼復(fù)合材料，而不是采用鋼套環(huán)等易銹材料。這樣就確保了

5、接頭與管身材料使用壽命的一致性。圖1 玻璃鋼夾砂壓力頂管的承插口連接方式2、數(shù)值模擬在頂管過(guò)程中，管接頭可能不斷承受著糾偏造成的不均勻的局部應(yīng)力，由于承口與管身連接在一起，能否承受這種不均勻的局部應(yīng)力，是必須得以解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。考慮玻璃鋼夾砂壓力頂管在接頭處的偏轉(zhuǎn)角為1.53°，在采用有限元計(jì)算中對(duì)于管土作用考慮一種彈簧單元。其剛度系數(shù)通過(guò)均布載荷采用彈簧單元進(jìn)行模擬計(jì)算，比較兩者結(jié)果進(jìn)行選擇。有關(guān)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表和圖2圖7。表1 接頭處的偏轉(zhuǎn)角為1.53°時(shí)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果軸向環(huán)向徑向等效位移（mm）-0.4891.893.1843.586應(yīng)力（MPa）9.38237.

6、0959.45435.089圖2 模型圖 圖3 環(huán)向位移圖 圖4 環(huán)向應(yīng)力圖 圖5 軸向位移圖圖6 軸向應(yīng)力圖 圖7 等效應(yīng)力圖由有限元分析結(jié)果可見(jiàn)，最大軸向應(yīng)力僅9.45MPa。該結(jié)果表明，即使在1.53°的偏角時(shí)，接頭的強(qiáng)度仍然是滿足要求的?？紤]在實(shí)際工程中其他因素，在實(shí)際施工中的一次偏轉(zhuǎn)角限制在0.5°。3、偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的玻璃鋼夾砂壓力頂管能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠滿足工程需要，我們制作了樣管進(jìn)行了接頭偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)。為了更好地進(jìn)行分析，在進(jìn)行接頭偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)之前，還進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)、管剛度試驗(yàn)等。3.1 強(qiáng)度和管剛度試驗(yàn)強(qiáng)度和管剛度為玻璃鋼夾砂壓力頂管的最基本的力學(xué)性能，我

7、們按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制樣測(cè)試，基本測(cè)試結(jié)果如下：承口環(huán)和管端的軸向抗壓強(qiáng)度：130.7MPa管身軸向抗壓強(qiáng)度：76.3MPa承口環(huán)和管端的軸向彈性模量：9.8GPa管身軸向彈性模量：6.9GPa管剛度：22376Pa通過(guò)計(jì)算可以得到套環(huán)和管端以及管身的最大允許軸向應(yīng)變，對(duì)于套環(huán)和管端，由于受力不均，按3倍的安全系數(shù)考慮，則承口環(huán)和管端允許軸向應(yīng)變?yōu)椋簩?duì)于管身，受力不均勻狀況比套環(huán)和管身要好，按2.5倍的安全系數(shù)考慮，則管身允許軸向應(yīng)變?yōu)椋?.2 接頭偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)對(duì)于大口徑玻璃鋼夾砂頂管的接頭偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)尚屬首次。試驗(yàn)原理見(jiàn)圖4.1，通過(guò)使得兩管接口間單邊位移為，從而產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角。根據(jù)公式可以由得

8、到，或給定來(lái)控制位移。首先將兩節(jié)管對(duì)接，在管道一側(cè)設(shè)置千斤頂，并在玻璃鋼套環(huán)外表面布置了6個(gè)應(yīng)變計(jì)。通過(guò)調(diào)節(jié)千斤頂使得管道接口兩邊出現(xiàn)位移差，同時(shí)用應(yīng)變采集系統(tǒng)對(duì)管道應(yīng)變進(jìn)行采集并人工測(cè)量接口兩邊的位移?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖見(jiàn)圖8。圖8 偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)原理圖圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。實(shí)際試驗(yàn)中當(dāng)時(shí)管道沒(méi)有任何損傷，并且打小壓至0.9MPa也沒(méi)有出現(xiàn)滲漏。后又逐漸增大，位移達(dá)到通過(guò)強(qiáng)度、管剛度和接頭偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)說(shuō)明該管道達(dá)到了設(shè)計(jì)計(jì)算得要求，能夠滿足本工程的需要。4 玻璃鋼夾砂壓力頂管現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)由于本工程是國(guó)內(nèi)外第一次在實(shí)際工程中采用玻璃鋼夾砂壓力頂管，為了慎重起見(jiàn)并進(jìn)一步確保玻璃鋼夾砂壓力頂管在實(shí)際工程中的成功應(yīng)用，同

9、時(shí)也為了研究玻璃鋼夾砂壓力頂管在實(shí)際頂管施工中的應(yīng)用情況從而指導(dǎo)改進(jìn)以后的設(shè)計(jì)，經(jīng)有關(guān)方面研究決定由武漢理工大學(xué)對(duì)本工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)全程監(jiān)測(cè)。4名現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員于2005年11月25日抵達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，到11月27日完成了現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作，11月28日開(kāi)頂后正式開(kāi)始監(jiān)測(cè)。從11月28日到12月6日進(jìn)行全天24小時(shí)監(jiān)測(cè)，前后共歷時(shí)12天。監(jiān)測(cè)過(guò)程中共布置了61個(gè)應(yīng)變計(jì)（玻璃鋼套環(huán)上13個(gè)，管身軸向39個(gè)，管身環(huán)向9個(gè)），4個(gè)土壓力傳感器，1個(gè)壓力傳感器，1個(gè)位移傳感器 ，共采集了100多萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容包括：頂力、套環(huán)應(yīng)變、管軸向應(yīng)變、管環(huán)向應(yīng)變、管徑向變形、管土接觸壓力等。其數(shù)據(jù)結(jié)果分析見(jiàn)圖104.1

10、 實(shí)時(shí)試壓 為了確保大口徑壓力頂管在最終全線試壓時(shí)一次成功，在現(xiàn)場(chǎng)頂進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，每頂進(jìn)一根管道，便在接口處進(jìn)行試壓，試壓壓力為1.0MPa，比額定的1.5倍工作壓力的0.9MPa壓力有所提高。見(jiàn)圖11。 圖 10 施工現(xiàn)場(chǎng) 圖11 實(shí)時(shí)試壓4.2 頂力 我們采用了頂力與頂距的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集，全程的頂力頂距圖如圖12所示。圖12 頂力頂距圖4.3 頂管的應(yīng)變監(jiān)測(cè) 此次玻璃鋼夾砂壓力頂管的應(yīng)變監(jiān)測(cè)分為：承口環(huán)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)；頂管管頭軸向應(yīng)變監(jiān)測(cè)；以及管身不同部位的環(huán)向與軸向的應(yīng)變監(jiān)測(cè)。圖13 承插口應(yīng)變計(jì)布置方案圖14 9#管承口環(huán)應(yīng)變?cè)诔锌诘膶?shí)測(cè)中，最大正應(yīng)變?yōu)?44，最大負(fù)應(yīng)變?yōu)?090，主要應(yīng)變一般

11、集中在5001000。并發(fā)現(xiàn)：玻璃鋼套環(huán)應(yīng)變的大小主要是由后面管道插入后的橡膠圈反作用產(chǎn)生的，正常頂進(jìn)時(shí)應(yīng)變很小。通過(guò)工程實(shí)踐的實(shí)測(cè)進(jìn)一步表明：本設(shè)計(jì)的玻璃鋼套環(huán)能夠比較好的滿足工程的要求，說(shuō)明了采用玻璃鋼套環(huán)和管身一體化制造技術(shù)能夠滿足工程需要。圖15是我們?cè)谌€頂管應(yīng)變監(jiān)測(cè)的其中一個(gè)實(shí)例。該圖描述了頂管的應(yīng)變計(jì)的布置與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖。圖15 軸向應(yīng)變計(jì)布置與4#管2號(hào)點(diǎn)的應(yīng)變變化 圖16 部分頂管的軸向應(yīng)變與環(huán)向應(yīng)變的變化監(jiān)測(cè)到的最大軸向應(yīng)變?yōu)?1823，出現(xiàn)在第20#管的尾部，其他情況一般均在-1000以內(nèi)，據(jù)此可以計(jì)算最大應(yīng)力為17.87MPa。管尾同一截面各點(diǎn)的應(yīng)變分布不均，有時(shí)相差很大

12、，在設(shè)計(jì)中需要加以考慮，管端強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)不低于3；由于在頂管施工過(guò)程中，管材主要受軸向力的作用，環(huán)向作用并不很明顯，因此，環(huán)向應(yīng)變均比較小，基本上在-400以內(nèi)。4. 4 土壓力監(jiān)測(cè)此次監(jiān)測(cè)一共布置了4個(gè)土壓力傳感器，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖17。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，在剛進(jìn)洞時(shí)土壓力很小且基本不變，主要是因?yàn)樵谶M(jìn)洞口采用灌注混凝土漿進(jìn)行了加固，土的自拱性很好，頂進(jìn)一段距離后土壓力有所增加，并且有很大的波動(dòng)，與頂進(jìn)狀態(tài)有關(guān)。在正常的穩(wěn)定頂進(jìn)時(shí)根據(jù)土壓力傳感器的標(biāo)定反算，管土接觸壓力為0.05MPa，根據(jù)前面的頂力分析可以得到管土摩擦系數(shù)為0.037。圖 17 土壓力傳感器以及監(jiān)測(cè)結(jié)果4.5 管道徑向變形監(jiān)測(cè)實(shí)

13、際監(jiān)測(cè)中采用了兩種方法對(duì)玻璃鋼夾砂壓力頂管的徑向變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)：一種方法是在頂進(jìn)前先定初始的4個(gè)點(diǎn)得到相互垂直的兩個(gè)內(nèi)徑，頂進(jìn)完成后再次對(duì)這4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，將兩次測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較；第二種方法是頂進(jìn)完成后直接測(cè)管水平和豎直內(nèi)徑，和初始內(nèi)徑進(jìn)行比較。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖18和圖19。圖18表明，方法1測(cè)量的結(jié)果最大變形量為0.21，圖19表明，方法2測(cè)量的結(jié)果最大變形量為0.25?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境的誤差，兩種方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，均表明管道的徑向變形很小。圖18 方法1監(jiān)測(cè)的管道徑向變形 圖19 方法1監(jiān)測(cè)的管道徑向變形5 結(jié)論通過(guò)對(duì)玻璃鋼夾砂壓力頂管的設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)分析、性能測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，充分展現(xiàn)出了玻璃鋼夾砂壓力頂管的優(yōu)勢(shì)：1）玻璃鋼夾砂壓力頂管采用管身和連接套環(huán)一體化制造成型技術(shù)，僅需一道雙“O”型密封圈即可達(dá)到很好的密封效果，防滲性能強(qiáng)，能很好的滿足壓力管道的要求；2）玻璃鋼夾砂壓力頂管管道和套環(huán)