曲線頂管初探p

1、 HYPERLINK /new_page_58.htm 曲線頂管初探 摘要本文對(duì)曲線頂管的最重要參數(shù)最小曲線半徑進(jìn)行了探討,得出最小曲線半徑與管段長(zhǎng)度、管徑成正比,與木墊片厚度成反比的關(guān)系。另外還指出曲線半徑還受土體承載力的制約,要防止管道在施工中發(fā)生縱向失穩(wěn)。關(guān)鍵詞頂管曲線頂管曲線頂管是頂管的前沿技術(shù),只有當(dāng)頂管被工程界廣泛采納后才會(huì)提出曲線頂管問(wèn)題。目前曲線頂管各國(guó)尚處于研究發(fā)展階段,有些曲線目前已能施工,有些曲線還不能。例如彎曲半徑太小,有可能造成管道失穩(wěn),管道裂縫等嚴(yán)重后果。曲線頂管多用于舊城區(qū)的改造,舊城區(qū)馬路彎曲,管道一般沿馬路敷設(shè),這就需要采用曲線頂管。另一種情況是過(guò)江過(guò)河的混凝

2、土頂管,有時(shí)為了減少投資,把管軸線設(shè)計(jì)成倒虹管或者拋物線形狀,這也需要采用曲線頂管。曲線頂管比較適合于混凝土管。曲線頂管用于鋼管,則需要很大的彎曲半徑,而且必須有中繼環(huán)。管道的彎曲半徑的大小與土質(zhì)、管徑、頂力有關(guān)。土體承載力高,彎曲半徑可以小一點(diǎn);反之,承載力低,彎曲半徑要大一點(diǎn)。管道口徑大,彎曲半徑要大一點(diǎn);反之,管道口徑小,彎曲半徑可以小一點(diǎn)。管段較長(zhǎng),彎曲半徑要大一點(diǎn);反之,管段較短,彎曲半徑可以小一點(diǎn)。施工頂力較大,彎曲半徑要大一點(diǎn);反之,頂力較小,彎曲半徑可以小一點(diǎn)。一、 混凝土管最小彎曲半徑分析最小彎曲半徑時(shí)忽略土體承載力和施工頂力影響,僅就管道口徑大小、管段長(zhǎng)度、木墊片的厚度三者

3、與最小彎曲半徑的關(guān)系進(jìn)行分析。曲線頂管的軸線,從宏觀上看是曲線,實(shí)際上是折線,是多邊形的一部份,多邊形的邊就是管段長(zhǎng)度。從圖1可知多邊形的邊、角、半徑有如下關(guān)系:=l/R式中中心角(弧度);l邊長(zhǎng);R多邊形外切圓半徑。曲線頂管中把管段的長(zhǎng)度看成是多邊形的邊,管段對(duì)應(yīng)的中心角就是多邊形的中心角,管軸線就是多邊形的外切圓。假設(shè)管道內(nèi)徑為d,壁厚為t,管段長(zhǎng)度為l,木墊片厚度為b,并假設(shè)管道壁厚是內(nèi)徑的1/10,木墊片允許最大壓縮率是50%。即t=d/10S=b50%從圖1可知,管段間的轉(zhuǎn)角與管段對(duì)應(yīng)的中心角相等。則曲線的最小彎曲半徑可按下式計(jì)算:Rmin=l(d+2t)/（b-s）或Rmin=12

4、ld/5b式中Rmin最小彎曲半徑(m);l管段的長(zhǎng)度(m);d管道內(nèi)徑(m);t管道壁厚(m);b木墊片厚度(m);s木墊片最小壓縮高度(m)。由上式確定的不同管徑混凝土管的最小彎曲半徑見(jiàn)表1。彎曲半徑太小,會(huì)使管段上應(yīng)力過(guò)于集中,使管道混凝土裂縫。這是要力求避免的。二、鋼管頂管的最小彎曲半徑 無(wú)中繼環(huán)的鋼管不能用于曲線頂管。鋼管曲線頂管的最小彎曲半徑的大小主要取決于中繼環(huán)布置的間距和中繼環(huán)的允許轉(zhuǎn)角。目前鋼管頂管沿用的老式中繼環(huán)允許轉(zhuǎn)角很小,因此不宜用于曲線頂管。組合密封中繼環(huán)研究成功后,允許中繼環(huán)有較大的轉(zhuǎn)角,因此可用于曲線頂管。已知中繼環(huán)的允許轉(zhuǎn)角和間距,鋼管管道的最小彎曲半徑可按下式

5、計(jì)算:RminL/2sin(k/2)最小彎曲半徑參考值 單位:m 表1公稱管徑(mm)木墊片厚0.03木墊片厚0.02管段長(zhǎng)2.0管段長(zhǎng)2.5管段長(zhǎng)2.0管段長(zhǎng)2.58001281601922401000160200240300120019026028836014002242803364201600256320384480180028836043254020003204004806002200352440528660240038448057672026004165206247802800448560672840300048060072090032005126407609603400544680

6、8161020360057672080410803800608760912114040006408009601200說(shuō)明:1.假定土體有足夠的承載力。2.假定頂力在允許范圍內(nèi)。3.表中未考慮施工偏差對(duì)彎曲半徑的影響。式中Rmin最小彎曲半徑(m);中繼環(huán)的允許轉(zhuǎn)角,取=1;k系數(shù),k=0.5;L中繼環(huán)間距(m)。 如果中繼環(huán)間距L=60m,則彎曲半徑Rmin6875m。三、管道的側(cè)向力 曲線頂管的頂力可分成軸向力和側(cè)向力兩部分,下面分析作用在管段上的側(cè)向力的大小。由圖2可知,折線轉(zhuǎn)向角是ABC的補(bǔ)角。 因?yàn)锳BC=2所示=180-2=180-2=假設(shè)忽略管壁摩阻力,并假設(shè)AB管段的軸向頂力是P

7、1,則BC管段的軸向頂力和側(cè)向分力是p2=p1ctgp2=p1tg式中p2下一管段的軸向頂力;p2下一管段的側(cè)向分力。 由此可見(jiàn),曲線頂管存在側(cè)向分力,因此要驗(yàn)算土體的承載力。如果承載力不夠,管軸線會(huì)因此失穩(wěn),側(cè)向分力使管道靠向曲線外側(cè),并作用在土體上,還會(huì)使管道的頂進(jìn)阻力增加。因此曲線頂管在頂力配置時(shí)要考慮管道摩阻力增加的因素。 已知彎曲半徑R和管段長(zhǎng)度l,就可以求得。根據(jù)軸向頂力的大小,就可求得側(cè)向分力。再根據(jù)值,即可求得管段的附加摩阻力。四、頂力的調(diào)正 曲線頂進(jìn)時(shí),管段的允許頂力要折減。折減系數(shù)與管段轉(zhuǎn)角有關(guān),混凝土管還與木墊片的彈性模量、木墊片的厚薄有關(guān)。曲線頂管不但會(huì)使混凝土管的允許

8、頂力下降,而且還會(huì)使管道總頂力增加。如果中繼環(huán)設(shè)計(jì)頂力不變,則曲線頂管中繼環(huán)的數(shù)量要比直線頂管多。 管道進(jìn)入曲線段,管段間的頂力傳遞面靠向曲線內(nèi)側(cè)(見(jiàn)圖2),因此中繼環(huán)進(jìn)入曲線段后頂力要調(diào)正,使中繼環(huán)的頂力合力中心與其他管段傳力一致。調(diào)正的辦法是曲線外側(cè)的中繼油缸要封住,即部份油缸不使用。停用油缸數(shù)量可通過(guò)計(jì)算。最簡(jiǎn)單的辦法是,觀測(cè)中繼環(huán)轉(zhuǎn)角有無(wú)變化。轉(zhuǎn)角增加,表示要增加停用的油缸,合力中心還要靠向曲線內(nèi)側(cè);轉(zhuǎn)角減小,表示停用的油缸太多了,需要減少;只有當(dāng)轉(zhuǎn)角不增不減,或者變化不大時(shí),認(rèn)為調(diào)正是正確的。 中繼環(huán)的頂力調(diào)整降低了中繼環(huán)的實(shí)際使用頂力,因此中繼環(huán)的允許使用頂力還要比設(shè)計(jì)頂力低,頂力

9、配置時(shí)要考慮這一因素。 五、曲線頂管的超挖 曲線頂管,要求直線形的管段沿圓弧移動(dòng)(見(jiàn)圖4),因此必然要超挖。超量大小與彎曲半徑、管道直徑、管段長(zhǎng)度有關(guān)。超挖量可按下式計(jì)算: 式中m半徑方向超挖量(m); R彎曲半徑(m); D管道外徑(m); l管段長(zhǎng)度(m)。 例如管道外徑2.4m,管段長(zhǎng)2.5m,彎曲半徑400m,則: 可見(jiàn)混凝土曲線頂管中存在超挖的問(wèn)題。對(duì)硬土來(lái)說(shuō)這是曲線頂進(jìn)的需要,否則管段很難轉(zhuǎn)向,摩阻力也會(huì)因此而增加。對(duì)于軟土情況就會(huì)好一些。所以在硬土中頂管,要考慮超挖的方法。但鋼管頂管因?yàn)樵O(shè)計(jì)的彎曲半徑很大,超挖量就很小,可以忽略不計(jì)。 六、曲線頂管測(cè)量 曲線頂管的測(cè)量是曲線頂管的

10、關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。曲線頂進(jìn)時(shí)因管內(nèi)外無(wú)法通視,因此必須改變常規(guī)的施工測(cè)量方法,經(jīng)緯儀必須進(jìn)管。但管道在施工過(guò)程中是不斷向前移動(dòng)的,因此測(cè)站的座標(biāo)也是在不斷變化的。要在測(cè)站座標(biāo)不斷改變的情況下,隨時(shí)隨地指出管道前進(jìn)方向,這就是曲線頂管中管道定向測(cè)量要解決的中心問(wèn)題。 解決的辦法有2個(gè): 1.管道內(nèi)布置多臺(tái)全站儀,依靠全站儀的優(yōu)勢(shì),在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)計(jì)算機(jī)確定每站經(jīng)緯儀的方向,指出管道頂進(jìn)方向。這一方法實(shí)質(zhì)上是經(jīng)緯儀導(dǎo)線法,方法可行但成本高。 2.管道內(nèi)設(shè)置一臺(tái)普通經(jīng)緯儀,一個(gè)覘標(biāo),2者均布置在工具管的后部。工具管上的標(biāo)尺、經(jīng)緯儀、后視覘標(biāo)3者間保持一定的距離,并與管道固定,隨管頂進(jìn)而跟進(jìn)。經(jīng)緯儀、后視覘標(biāo)的中心坐標(biāo)是根據(jù)事先測(cè)定的實(shí)際管軸線計(jì)算所得,工具管上的測(cè)點(diǎn)座標(biāo)查設(shè)計(jì)軸線可得。依靠這3者的關(guān)系就可算出管道的頂