（市政工程专业论文）ANSYS软件在非开挖铺设给排水管道中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 非开挖铺设塑料给水排水管道，是伴随着塑料管的逐渐推广和非歼挖技 术的目益成熟而发展起来的一种管线施工新方法。由于管道材料的新颖性和 施工方法的创新性。传统的管道结构设计方法遭到质疑。因此，探索一种行 之有效的设计方法有着十分重要的意义。 管、土相互作用是塑料埋管的重要工作特征，使其既有别于露置塑料管 的工作状态，又不同于刚性管道的工作机理。管周士体既是管壳上主动荷载 的施加者，同时又是抵抗管道变形的阻尼介质。因此塑料埋管的设计应该综 合考虑管、土构成的超静定体系。与传统的明挖施工法不同。非开挖铺管需 要考虑初始地应力这一重要的土体初始条件，正确地确定各施工阶段初始地 应力的释放，是保证分析结果可靠的前提。 n s y s 是一种大型通用有限元软件，其应用范围涉及到桥梁、坝体以及 隧道等诸多工程领域，通过它可以对这些结构在各种外荷载条件下的受力、 变形、稳定性以及各项动力特性做出全面分析。地下塑料管道的性能极限通 常是与变形有关，安全系数的选取也往往是根据变形进行选择。本文立足于 对地下塑料管道的变形进行分析，在合理建构管、土超静定体系的基础上， 利用a n s y s 软件模拟非开挖铺管工况，探索各主要因素影响下管道变形随 埋深的变化规律，得到了影响管道变形的敏感性因素。本文敏感性分析成果 可用于指导市政管线工程的设计和施工。 关键词非开挖技术；管线工程；塑料管；a n s y s 软件；变形 西南交通大学硕士研究生学1 立论文第1 i 页 a b s t r a c t l a y i n gp l a s t i cs e r v i c ep i p ea n dd r a i n p i p eb yu s i n go ft r e n c h l e s st e c h n o l o g y i s an e wp i p e l i n ec o n s t r u c t i o nw a yd e v e l o p i n gw i t ht h eg e n e r a l i z a t i o no fp l a s t i c p i p ea n dt r e n c h l e s st e c h n o l o g y b e c a u s eo ft h en o v e l t yo fp i p e l i n em a t e r i a la n d i n n o v a t i o no fc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，t h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do fp i p e l i n e s t r u c t u r a ld e s i g ni so p p u g n e d s os e e k i n gf o ra ne f f e c t i v ed e s i g nm e a n ss h o u l d b ev e r ym e a n i n g f u l 。 t h e i m p o r t a n to p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i co fb u r i e dp l a s t i c p i p e i st h e p i p e l i n e - s o i li n t e r a c t i o n ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h ep l a s t i cp i p ep l a c e di nt h e o p e na i ra n dt h er i g i dp i p e t h es u r r o u n d i n gs o i lo fp i p e l i n en o to n l yo f f e r st h e a c t i v ef o r c e ，b u ta l s or e s t r i c t st h ed i s t o r t i o no fp i p e l i n e s ot h es t a t i c a l l y i n d e t e r m i n a t es t r u c t u r es h o u l db ec o n s i d e r e df o rt h ed e s i g no fb u r i e dp l a s t i c p i p e d i f f e r e n tf r o mt h ed i gc o n s t r u c t i o n ，t h et r e n c h l e s st e c h n o l o g ys h o u l dt a k e a c c o u n to ft h ei n i t i a lg e e - s t r e s s ，w h i c hi sas i g n i f i c a n tc o n d i t i o n t h ep r e m i s et o g e tt h er e l i a b l er e s u l ti st oc o n f i r mt h er e l e a s eo ft h ei n i t i a ie a r t hs t r e s sa m o n g d i f f e r e n tc o n s t r u c t i o np h r a s e st r u l y a n s y si sag r e a tc u r r e n tf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，w h i c hi su s e di nb r i d g e ， d a m 。t u n n e le n g i n e e r i n ga n ds oo n i tc a nb eu s e dt oa n a l y s i sf o r c e ，d e f o r m a t i o n ， s t a b i l i t ya n dv a r i o u sd y n a m i c a lt r a i t se n t i r e l y t h ep e r f o r m a n c el i m i t a t i o no f b u r i e dp l a s t i cp i p ei sr e l a t e dt od e f o r m a t i o no nw h i c ht h es e l e c t i o no fs a f e t y f a c t o ri sb a s e d t h ea n a l y s i so ft h i sp a p e ri se s t a b l i s h e di nt h ed e f o r m a t i o no f p l a s t i cp i p e b a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n t o fr e d u n d a n ts t r u c t u r ea n dt h e s i m u l a t i o no f l a y i n gp i p e l i n e sb yt r e n c h l e s st e c h n o l o g y , t h e v a r i a t i o no f d e f o r m a t i o nc h a n g i n gw i t ht h eb u r i e dd e p t hi nv a r i o u sc e n t r a lf a c t o r sa n dt h e s e n s i t i v ef a c t o rc o n t r i b u t i n gt op i p ed e f o r m a t i o nw i l lb eg o t t h ea n a l y s i sf r u i t s o ft h es e n s i t i v ef a c t o rc a nb eu s e dt og u i d et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h e g o v e r n m e n tp i p e l i n ee n g i n e e r i n g k e yw o r d st r e n c h l e s st e c h n o l o g y ；p i p e l i n ee n g i n e e r i n g ；p l a s t i cp i p e ；a n s y s s o f t w a r e ；d e f o r m a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 非开挖技术是利用各种岩土钻掘手段，在地表不开挖或者最大限度少挖 沟槽的条件下，铺设、更换或修复各种地下管线的施工技术m ：它具有不影响 交通、不破坏环境、施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著等特点。 地面以及地下市政工程建设项目的大力开发，使得管道的开挖施工日益表现 出其局限性与不合理性。在2 0 0 4 年1 1 月2 3 2 4 日于北京召开的第一届中国城 市地下工程非开挖技术研讨会上。建设部科技发展促进中心张庆风副主任从 建设科技成果推广的高度提出了推广非开挖技术对加快城市基础设施建设、 保护城市环境的重要性和必要性“1 。可以预测，随着科技进步和人们可持续 发展观念的增强，在城市建设中，利用非开挖技术铺设给水排水管道将成为 市政工程施工的一大趋势。 城市给排水管道有柔性管道和刚性管道之分，近年来塑料柔性管以其重 量轻、耐腐蚀、水流阻力小、安装方便和环保等显著优势，得到国家建设部 的推荐和管道界的青睐m 。然而，目前开挖施工埋设地下柔性管道的设计方 法尚不成熟，大都建立在刚性管道的设计基础之上。从大量工程实践可知， 地下柔性管道与刚性管道的工作机理存在显著差异n “”，这就造成了此类计 算方法结果的不可靠性。学术界一直在努力探索更加有效的方法用以柔性管 道的工程设计，但目前仍无统一定论。相对于开挖施工而言，非开挖铺设地 下管道特别是大直径柔性管道更是一项崭新的技术，其设计理论与方法目前 尚无可靠资料可供参考。因此，随着非开挖技术在市政建设中的逐步应用， 探索可行的非开挖铺设柔性管道的设计计算方法将具有重要的理论意义和 实际意义。 计算机行业的快速发展和有限元理论的日趋成熟，促使大量有限元软件 诞生。它们能够用于模拟实际工况、分析结构在外力载荷作用下所产生的各 种反应，这就为非开挖铺设地下管道的分析计算提供了一种试验方法。本文 拟采用a n s y s 软件，在合理建模、有效模拟管土结构体系的基础上，立足于 塑料柔性管道的关键问题一变形计算进行分析。这既是对非开挖铺设给排水 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 塑料管道设计计算方法的探索，也是为塑料管材在市政管线工程中的应用研 究提供必要的理论依据。 1 2 国内外研究现状 管顶土压力的计算是地下管道结构设计所要解决的重点问题，其计算方 法不下十余种。但由于土体性质的复杂性和不可预测性，使得管顶士压力的 计算方法存在极大争议，目前仍是地下工程学术界争论的焦点。现今国际上 比较流行的计算土压力的方法有t 隧道土压力公式和土柱公式”1 。但是，这 两种计算公式的选取同样受到若干条件的限制，比如稳定士层的界定和土柱 换算公式的确定均在学术界存在诸多争议；再者在非开挖施工进程中，附近 管道的渗水、施工过程的中止以及纠偏等因素的存在，都会对管顶土压力产 生不同程度的影响m ，：所有这些，都给管道土压力的计算带来挑战。 变形即挠度计算是柔性管结构设计的核心问题”“”，管壁变形的计算方 法主要有“，；( 1 ) s p a n g l e r 刚度计算公式( 美国) ，该公式的推导采用结构 力学原理，但是该原理本身存在缺陷：不能很好地反映管土相互作用性状， 且士体的弹性假定和变形相对于水平轴对称的假定都与实际情况不符或不 存在确切的根据。( 2 ) 藤田博爱刚度计算公式，该公式也是建立在结构力学 原理之上，该方法的明显缺陷在于忽略了变形滞后的影响，使得实测值总是 大于理论值。虽然它与方法( 1 ) 共属一体，但条件假定的不同使得二者计算 结果差别甚大。( 3 ) ( 5 8 规范( 前苏联) ，这是由弹性力学原理推导而得的 公式，其理论基础虽然能够较好地反映管士相互作用的性状，但是公式推导 时由于对不利因素考虑太少，对有利因素考虑甚多，从而使得位移计算结果 偏小。所以我国电力、市政等设计部门放弃使用前苏联公式，转而寻求其它 有效方法。 除以上理论研究外，美国犹他州立大学、美国肯务局和俄亥俄大学作了 大量足尺试验n ，用以研究开挖埋设的原型管子直至破坏发生的情况，以获 得管道工作的全部性能。其研究成果极大促进了地下管道理论研究的深入， 同时也为实际的管道工程提供了可靠的类比资料。但是足尺试验的实施需要 多方面的支持，正如美国的此项试验就因为要在该试验区兴建地面工程而夭 折。在我国，王秀丽、朱彦鹏等于1 9 9 7 年进行了大直径塑料螺旋管在沟埋 方式下的试验研究，主要探讨硬质聚氯乙烯( p v c - u ) 和高密度聚乙烯( h d p e ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 塑料螺旋管在沟埋方式以及上部承受荷载和覆土条件下管道的受力状态和 工作机理为大型塑料螺旋管在工程中的推广应用提供了理论与试验依据： 同时研究大型塑料螺旋管在沟埋方式下形成“土拱体”的条件和管土相互作 用的规律，给出了在黄土地区大型塑料螺旋管的沟埋方式、合理沟埋尺寸、 覆盖土层厚度以及密度等有关参数与技术要求，供工程设计与施工参考“，。 2 0 0 5 年，方有珍、王秀丽、朱彦鹏针对上海软土地基的特点，根据现场施 工条件模拟试验加载方案，对大直径h d p e 螺旋管在不同加载阶段的管道受 力和变形规律以及管土的共同工作机理进行了分析为大型h d p e 螺旋管在 工程中的应用推广提供了可靠的理论依据一， 计算机工业的发展以及有限元软件的开发利用，促使一些学者尝试应用 计算机软件对管道工况进行分析。1 9 9 9 年，王秀丽、朱彦鹏、方有珍采用 有限元分析方法，结合柔性管的特点，将动态边界条件与常规分析有机结合， 对埋地大直径柔性管的受力状态以及管土共同工作的规律进行分析“，其结 果与实测结果相比，应力、应变以及土压力分布规律完全相同，数据也基本 相当。但是，这些研究都是针对开挖施工铺设的管道，如何利用有限元软件 分析非开挖铺设的给水排水管道，目前尚少见报道。 1 3 主要工作与技术路线 本论文主要研究非开挖技术敷设就位的给水排水管道的变形问题，利用 a n s y s 有限元软件进行分析计算，探索覆土厚度、士体变形模量、管径与管 壁厚度以及管道弹性模量等主要因素对变形的影响，寻求影响塑料管道变形 的敏感性因素。 本文研究所采用的技术路线为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 1 引言 第2 章塑料管与非开挖技术简介 塑料业的快速发展，使得塑料制品广泛融入到人们的生活中，塑料管材 也因其独特的魅力而在管道产品中占据着日益重要的地位。城市经济的飞速 发展，使得城市建设规模不断扩大、地下管线越来越多、城市交通日益繁忙， 这就对城市市政配套管道设施建设的技术性、环保性、经济性要求日益提高。 非开挖铺设管道技术正以其不需要开挖路面、交通不断行、对周围环境影响 能减少到最小、管道埋深的范围较大等独特优势。在城市市政建设中得到越 来越广泛地应用。 大量工程实践证实塑料管对非开挖施工是非常有利的“”，特别是高密度 聚乙烯( h d p e ) 管具有内外壁光滑、耐腐蚀、单位重量小、柔韧性好、材 质延伸率大的优点，并可预先焊接成长管，是定向钻施工的理想管材“”1 。 随着塑料管在管道行业的推广使用和非开挖技术在管道施工的日趋成熟，二 者必将彼此促进、共同发展，并实现完美结合。 2 2 塑料管 2 2 1 塑料管的发展 1 9 3 7 年德国首先采用聚氯乙烯管道输送给水以及排放污水。2 0 世纪5 0 年 代。一些发达国家先后在给水、排水、农业、灌溉、燃气等管道工程中大量 开发应用塑料管以代替钢管或铸铁管n ，。1 9 8 0 1 9 9 0 这十年间，塑料管道的 应用量以每年8 的速度增长，是其它各类管道材料增长率的4 倍。在我国，塑 料管是“十五”期间重点推广的化学建材之一，塑料管的发展在经历了研究 到推广应用的阶段后，正进入产业化高速发展的第三阶段。1 9 9 6 年6 月3 0 日， 建设部和国家统计局共同组织了全国首次城市市政公用设施普查。普查范围 包括全国( 除台湾、香港、澳门) 6 2 7 个设市城市，有关市政公用管道的统计结 果见表2 - in “。为进一步推动塑料管产业的发展，我国出台了国家化学建材 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 产业“十五”计划和2 0 1 0 年发展规划纲要。纲要规定：到2 0 1 0 年，我国 新建住宅室内排水管道8 0 采用塑料管道，基本淘汰传统铸铁管道。城市供水 管道优先使用4 0 0 m m 以下的塑料管道，其使用率达到5 0 ；村镇供水管道8 0 采用塑料管道：塑料管道在全国管道市场的占有率将达n 5 0 m 。可见，塑料 管在管道产品中将有着十分广阔的市场。 表2 - 1 市政工程管道中各种材质管道长度以及所占比率( 1 9 9 6 - 0 6 ) 供水排水燃气 钢管长度( k m ) 4 5 3 6 06 6 83 3 0 7 2 比率( ) 2 3 8 5 o 6 l 6 0 2 8 铸铁管长度( k m ) 9 8 2 7 32 8 0 12 0 5 3 3 比率( ) 5 1 6 7 2 5 4 3 7 4 2 混凝土管长度( k m ) 2 0 4 1 87 4 3 0 8 比率( ) 1 0 7 46 7 5 l 塑料管长度( k m ) 1 0 9 9 7 4 7 1 比率( ) 5 7 80 8 6 其它长度( k m ) 1 5 1 5 l3 2 2 8 57 9 1 比率( )7 9 7 2 9 3 31 4 4 2 。2 2 塑料管的分类 塑料管可以分为两大类：热固性塑料管和热塑性塑料管。热固性塑料管 是在加热并添加固化剂后进行模压成型的过程中由于化学反应的结果，形成 坚固难溶的固体，一旦固化成型后就不再具有塑性。例如玻璃纤维增强环氧 树脂管或以不饱和树脂、呋哺树脂等成型的管材均属于热固性塑料管。热塑 性塑料管在温度升高时变软，温度降低时可以恢复原状，并可反复进行，加 工时可以采用注塑或挤压成型。熟塑性塑料管的种类很多，且应用广泛，现 扼要介绍几种常用的塑料管： ( 1 ) 聚氯乙烯( p v c ) 管 聚氯乙烯是一种开发最早的、由氯乙烯单体聚合而成的非结晶型通用热 塑性塑料，有硬质聚氯乙烯( p v c - u ) 和轻质聚氯乙烯之分。p v c - j 管是给 水排水管材中使用最多的一种管材，而轻质聚氯乙烯由于成分中增塑剂含量 高达3 0 ，常温下易变形、低温下易脆化、使用中增塑剂易挥发、管子易老 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 化、寿命短，因此不适宜用作地下管道； ( 2 ) 聚乙烯( p e ) 管 聚乙烯是由乙烯单体经过高压或低压聚合而成的一种树脂，具有很好的 化学稳定性，有高密度聚乙烯( h o p e ) 、中密度聚乙烯( m d p e ) 和低密度聚 乙烯( l d p e ) 之分。由于聚乙烯的硬度与密度成正比，故密度越高刚度越大。 现阶段h o p e 管特别是大直径的h d p e 管道受到广泛关注； ( 3 ) 聚丙烯( p p ) 管 聚丙烯是以石油炼制厂的丙烯气体为原料聚合而成的热塑性塑料。其强 度、刚度、热稳定性方面都要高于聚乙烯，多用于化学废料排水管道、盐水 管道。由于材质轻、耐土壤腐蚀，常用于灌溉、水处理系统： ( 4 ) a b s 塑料管 a b s 塑料是由丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚而成，其性能取决于此三种聚合 物的比例。a b s 塑料管具有比硬聚氯乙烯、聚乙烯管更高的耐冲击韧性和热稳 定性，因此可用于工作温度较高的管道n ，。 2 2 3 塑料管的优势 塑料管之所以受到管道界的青睐，是因为自身的独特魅力。通过与传统 管材相比较，可以看出新型塑料管材的优势如下“”： ( 1 ) 刚性和刚度：塑料管属于柔性管，它可以和管周土体共同承受负载， 与刚性管材相比，在同样外压负载下。塑料管管壁内的应力较小，因此它不 需要达到与刚性管一样的强度和刚度，在合理的刚度条件下完全可以达到使 用要求； ( 2 ) 水力特性：塑料管内壁光滑，比摩阻小，相同条件下的输水量大。 实践证明，在同样坡度下，采用直径较小的塑料埋地管即可达到要求的流量； ( 3 ) 密封性：塑料管的连接比较可靠，与传统管材相比，其连接处不易 发生泄漏和破坏： ( 4 ) 使用寿命和耐腐蚀性：传统排水管防腐性能差，用作排污管道时需 做防腐处理，使用寿命短。而塑料埋地管的耐腐蚀性远胜于金属管，也明显 优于混凝土管，且其抗冲击性、抗磨损性能也很好： ( 5 ) 铺设安装：塑料管重量轻、长度大、接头少，与传统管材相比，对 管沟和基础的要求低，连接方便，施工快捷，在城市拥挤或地质恶劣地区( 如 地下水位高，地基松软地区) 其优点更加明显； 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 6 ) 综合经济性：国内外实践经验证明：在正确设计和施工条件下，采 用埋地塑料管的总工程造价常常低于传统混凝土管，且塑料管的施工速度 快、周期短、工程质量易于保证。 2 3 非开挖技术 2 3 1 非开挖技术的定义 非开挖技术( t r e n c h l e s st e c h n o l o g y ) 是近二十年来国际上新兴的一种对 环境无公害的地下管线施工技术，它利用岩士钻掘的技术手段，在地表以最 少的开挖量或不需开挖的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的一种施工 新技术。它被广泛用于穿越高速公路、铁路、建筑物、河流、湖泊，以及在市 区、古迹保护区、农作物或植被保护区等进行污水、自来水、煤气、电力、 电讯、石油、天然气等地下管线的施工“，。 2 3 2 非开挖技术的发展 非开挖技术是大致于2 0 世纪8 0 年代后期在国外发展起来的施工新技术， 其独特的技术优势和广阔的市场前景得到了世界各国的极大重视。据不完全 统计，1 9 9 2 年发达国家铺设管线达2 4 0 2 万千米，国际非开挖杂志在9 8 9 9 述评 中称：据估计仅在美国和加拿大，仅采用导向定向施工的地下管线就达2 5 0 0 0 千米u ”。可见非开挖技术在世界发达国家的广泛应用及其快速发展。随着高 精度、低散射的激光定向技术、计算机优化设计和控制以及机器人的应用， 非开挖技术将向着更加专业化、多元化的方向发展。在我国，非开挖技术始 于1 9 5 3 年北京的人工手掘式顶管，当时设备相当简陋。从1 9 8 5 年开始，随着 不允许挖槽埋管需求的日益增多，现代的非开挖技术开始引入中国，并得到 一定的发展。中国非开挖技术协会对3 0 多家会员单位进行的调查统计表明； 1 9 9 8 年我国用非开挖技术施工铺管的工作量为7 5 千米，比1 9 9 7 年增长了 5 6 3 n “。非开挖管线铺设技术在我国的出现，是对传统管线施工技术的一次 革命。由于人们对生态环境的保护意识空前提高，非开挖作为一种与环境友 好的新兴技术，受到社会的重视和认可，其发展趋势势不可挡。加入g t 0 后， 随着经济建设同国际交流的更加广泛，在世界先进水平的引领下，我国的非开 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 挖技术将日益成熟、迅猛发展，非开挖技术的前景将广阔无限。 2 3 3 非开挖技术的优势 与传统的开挖施工技术相比，非开挖施工技术的主要优点为： ( 1 ) 具有显著的社会效益。施工时不影响交通，不破坏环境( 绿地、植被， 树木等) ，不干扰工厂、商店、医院、学校和居民的正常生活与工作秩序： ( 2 ) 具有较好的经济效益。在相同情况下，非开挖施工的综合成本( 直接成 本+ 间接成本) 均低于开挖法施工，而且管径和埋深越大时越明显。部分非开 挖施工方法的直接成本甚至低于开挖法施工( 图2 - f “t ) ； ( 3 ) 施工速度快。由于辅助工程( 如槽壁支护、回填等) 少，施工速度大大 快于开挖施工； ( 4 ) 可用于传统的开挖施工法无法施工或不允许进行开挖施工的场合，如 穿越大型河流、湖泊、交通干线，建筑物等。 = 錾麓醴洼： 3 一事丌挖埔江洼 ! o ，7 ，吒蛳，。i ，一 二f ：罗7 ：趔 ， 一苎三三二：耋至三竺。寻 ， e ，一，一一 一 i l f 黛舞i 图2 一l 非开挖法和开挖法的成本比较 2 3 4 非开挖技术的应用 非开挖技术的应用包括新管线的铺设和旧管线的置换与修复三大类。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 4 1 管线铺设技术分类及特点 ( 1 ) 顶管法：是最早使用的一种施工方法，它是将新管用大功率的顶推设 备顶进至终点来完成铺设任务的施工方法。按照工作面的开挖方式可以分为 普通顶管( 人工开挖) 、挤压顶管( 挤压土柱) 、机械顶管( 机械开挖) 和水 射顶管( 水流冲蚀) 等； ( 2 ) 冲击矛铺管技术：是以气动或液动冲击矛挤压成孔，其铺设方法主要 有冲击矛直接拉入、冲击矛反向拉入和扩孔后拉入三种； ( 3 ) 微型隧道铺管技术：是由钻掘系统、推进系统、排渣系统、导向和控 制系统组成，可随钻掘同时进行管道铺入的施工方法。根据施工方式和出渣 系统的不同，分为先导式、螺旋式和泥水式三种； ( 4 ) 导向、定向钻进铺管技术：导向钻进铺管是采用射流或挤压方式成孔， 由地表接收钻头附近发出的电磁信号来实现钻孔轨迹控制的铺设方法；定向 钻进铺管是由孔底马达回转钻进成孔，采用随钻随测量的方式监控钻孔轨迹， 用高压水洗、扩孔和拉管实现管道铺设：此二者之间没有严格的界限，基本 原理大致相同【1 6 1 。 各类铺设方法对比见表2 2 i - 1 。 2 3 4 2 管线置换技术分类及特点 ( 1 ) 爆管法：又称为碎管法或胀管法，是使用爆管工具从进口坑进入旧 管管口，利用径向力从管道内部把现有管道爆炸开来，并用扩孔器将旧管碎 片挤入旧管周围的土层中，同时拉入一条新管的方法。其主要优点为：不影 响地面交通和环境：破除旧管和铺设新管同时完成；施工速度快，对地表的 干扰小；主要缺点是：当旧管线埋深较浅或在不可压缩的土层中施工时，可 能引起地面的隆起，分支管的连接点需要开挖进行；由于旧管碎片的去向不 明，新管的使用寿命可能会受到影响，且不适合于弯管的更换； ( 2 ) 切除法：切除法是利用特殊的隧道掘进机( 如定向钻孔装备) ，以旧 管为导向，将旧管连同周围的士层一起切削破碎，形成相同直径或更大直径 的孔，同时将新管顶入，从而完成管线更换的一种方法。其主要优点为：对 地表和土层的干扰小。可在复杂地层中工作，能够更换走向和坡度已偏离的 旧管，且施工时不影响管线正常工作；主要缺点为：施工时需要开挖两个工 作坑，地表需要有足够的工作空间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 表2 - 2 各类铺管施工方法对比 铺管施工开挖施工顶管施工冲击矛铺微型隧导、定向 方法管道铺管钻进铺 管 对道路通大不影响不影响不影响不影响 行的影响 一次性铺不限 3 0 m 3 0 m 5 0 0 m 3 0 0 管长度1 0 0 0 m 对地下原容易挖断容易顶断容易击断影响小不影响 有管线的 影响 对周围环污染，有不污染，影不污染，影无沟不影响 境的影响沟坑，影响小，噪声响小坑，影 响大大响小 特殊建筑不可以可以，风险可以，风险可以，可以，风 或闹市施较大较大风险较险小 t 大 管线类型不限 d 2 0 0 0 m m 5 d 时，e x p ( - 2 k a d - e ) 一项已较小，通常可以不计地面荷载p 。的影 响。 3 2 2 土柱公式 土柱理论认为：管顶垂直土压力的大小，等于其外径范围内上覆士柱的 重量，即每米管长的垂直土压力计算公式为： 呒= 九h d ( 3 1 4 ) 土柱公式的计算特点是m ，： ( 1 ) 土柱公式计算的士压力一般偏大，特别是对于稳定土层偏大得更多； 而对不稳定土层，其偏大的程度也不相同。还应说明的是，粗颗粒的砂类土、 砾石等一般是按照稳定土看待，但是北京地区的经验表明：管顶土压力的大 小相差很多( 甚至彼此相差2 3 倍) ，所以此类土按不稳定土计算土压力更 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 加合适； ( 2 ) 公式计算的土压力是指稳定的士压力，其稳定时间依土类不同而异。 稳定土层的稳定时间较长，不稳定土层的稳定时间较短。对稳定土层，在正 常非开挖施工工期内的土压力可能比稳定的土压力小得多。对不稳定土层， 尤其是流动性土层，可以认为非开挖施工中的土压力即为稳定的土压力。还 应说明，有的土层虽然是稳定层，但由于在顶管期间出现的特殊情况，例 如附近管道渗水，施工操作等因素，管顶土压力虽然未达到土柱土压力，但 已明显增大。因此从安全方面考虑计算士压力结果偏大应该是允许的； ( 3 ) 非开挖施工中需要进行顶力计算，摩擦系数的选用是决定计算顶力 的一个重要因素。但是摩擦系数大都是按照北京的经验选取，而实际顶管中 摩擦系数可能比此数值大得多。在该情况下，即使土压力不变，摩擦力可能 较选用数值增大若干倍，但在计算公式中不能将摩擦系数提高。因此。允许 计算土压力偏大是比较合适的； ( 4 ) 纠偏是非开挖施工过程中不可避免的经常性操作环节。每一次纠偏 都相当于增加土压力，亦即增加顶力。但是这- - 9 t 力难以在土压力公式中反 映出来。因此，计算压力偏大是较好的。 3 3 管侧水平土压力的计算 管侧水平土压力一般是以对称形式作用于管侧，其作用效果是使在垂直 荷载作用下已趋扁平的管环部分地恢复向正圆，是降低截面应力以及提高弹 性稳定性和刚性( 对于柔性管) 的有利因素。 由管土相互作用机理可知，刚性管和柔性管的水平士压力性质和分布状 态各不相同，需区别对待。对于柔性管道而言，承受垂直荷载的管环，在发 生横向变形的同时，受挤压部分的土体产生弹性抗力。该抗力是被动的，其 作用方向与管环位移方向相反。刚度较小的柔性管道正是依赖于管侧士体弹 性抗力的支持以承受较大的外压力。因此，土体弹性抗力是分析地下柔性管 道强度、刚度和稳定性的重要因素。 柔性管道截面的最终变形量，取决于主动外荷载与管周土体抗力共同作 用后所产生的变形量。而作为被动土压力的弹性抗力值，又必须取决于管环 的最终变形量。所以，就产生了变形与抗力二者互为因果的未知量，造成了 弹性抗力的直接解答发生困难。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 目前，对地下柔性管变形后所产生的土体弹性抗力有两种计算方法川： ( 1 ) 结构力学计算法：其特点是假定弹性抗力分布图形，然后按照三次 超静定的闭合圆环进行变位计算。该方法的优点是简便、实用，缺点是精度 不及弹性理论解： ( 2 ) 弹性基础环( 拱) 解：设基础反力分布按文克尔假定，取单宽管环， 视为弹性地基上的曲梁，以平面应变问题进行弹性理论解，其计算精度较高。 在各管道变形计算公式的推导中，水平土压力的分布假定以及计算方法 都不尽相同，具体内容如3 4 所述。 3 4 塑料管的变形计算： 地下塑料管的变形计算有多种方法，目前尚未取得统一论断。下面按照 荷载简图的不同形式，将主要的三种计算方法介绍如下w ： 3 4 1 s p a n g i e l 公式 世界大多数国家都是以美国的s p a n g l e r 公式( 或称s p a n g l e t - - l o w a 公 式) 作为计算地下柔性管外压负载下变形量的基础公式( 再根据变形量计算 出管材应力) ，且在逐渐得到更多国家地认可。我国的国家标准和国家级设 计