一种新型的大口径玻璃钢夹砂压力顶管.doc

一种新型的大口径玻璃钢夹砂压力顶管李卓球1 陈建中1 周强2（1、武汉理工大学理学院； 2、永昌积水复合材料有限公司）摘要 玻璃钢夹砂顶管作为一种新型的复合管材，具有轻质、高强、耐腐蚀、寿命长等特点，在排水排污管道中得到了越来越多的应用。但对于大口径具有压力的顶管，以往却尚未见报道。本文作者通过负责上海原水公司长江引水三期输水管道工程中玻璃钢夹砂压力顶管（压力等级为0.6MPa）的技术工作，从设计、数值模拟、偏转水压性能实验、以及试验段工程监测等四个方面，介绍这种具有玻璃钢承插口连接方式的新型的大口径夹砂压力顶管。引言玻璃钢夹砂顶管，作为一种新型的非开挖复合管材，具有轻质、高强、耐腐蚀、寿命长等特点。在施工中，玻璃钢夹砂管重量轻，不仅便于运输装卸，施工方便，而且在软地基中不易栽头；由于玻璃钢夹砂顶管管外壁光滑，在无注浆减阻的条件下，特别是对于含水量高的粘土地带，土的内聚力不易对玻璃钢夹砂顶管形成抱紧力，使得玻璃钢夹砂顶管的顶力比传统管材的顶管小的多。正是由于这些原因，在当前城市排水地下管网的建设中，越来越多的工程采用了玻璃钢夹砂顶管。同时，通过国内外的这些工程实践，玻璃钢夹砂顶管所具有的各项优势体现的越来越充分，一些所存在的技术问题也逐步得到了解决，得到了社会各界的认可。上海长江引水三期输水管道工程玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂管道项目中，部分地段采用了玻璃钢夹砂顶管，其直径为DN2300mm，压力等级为0.6MPa。该项目实施之前，上海原水公司多次组织专家进行论证考察，并邀请日本、德国的专家进行技术咨询。在当时的情况下，包括国外专家，对具有压力的大口径玻璃钢夹砂顶管应用尚未见报道资料。在这种情况下，武汉理工大学提出了一种具有玻璃钢承插口连接方式的、可以在施工中实时试压的新型大口径夹砂压力顶管的技术方案，并由永昌积水复合材料有限公司制造与实施。2005年12月，在上海富长路实施了90多米长的DN2300PN6的大口径玻璃钢夹砂压力顶管工程，获得了很大成功。下面将从大口径玻璃钢夹砂压力顶管的接头设计、数值模拟、偏转水压性能实验、以及试验段工程监测等四个方面进行介绍。1、接头设计根据设计要求，上海长江引水三期输水管道工程的玻璃钢夹砂压力顶管的压力等级为0.6MPa，对于一般”F”型双插连接的玻璃钢夹砂顶管而言，在插口和承口均需采用两道密封圈进行密封，防渗效果较差，因此我们专门设计了具有更好防渗效果用于压力顶管的玻璃钢夹砂压力顶管，见图1。这种玻璃钢夹砂压力顶管采用玻璃钢承插口方式连接，其承口和玻璃钢管身是连接在一体，可一体制作而成的。由于采用这种玻璃钢承插连接，从而由原来的两个可能渗漏点减少到一个，防渗效果大为提高，和一般埋地压力管具有相同的防渗性能。这种接头设计与以往玻璃钢夹砂顶管所不同的是：接头全部采用玻璃钢复合材料，而不是采用钢套环等易锈材料。这样就确保了接头与管身材料使用寿命的一致性。图1 玻璃钢夹砂压力顶管的承插口连接方式2、数值模拟在顶管过程中，管接头可能不断承受着纠偏造成的不均匀的局部应力，由于承口与管身连接在一起，能否承受这种不均匀的局部应力，是必须得以解决的关键技术问题。考虑玻璃钢夹砂压力顶管在接头处的偏转角为1.53，在采用有限元计算中对于管土作用考虑一种弹簧单元。其刚度系数通过均布载荷采用弹簧单元进行模拟计算，比较两者结果进行选择。有关的计算结果见下表和图2图7。表1 接头处的偏转角为1.53时的应力计算结果轴向环向径向等效位移（mm）-0.4891.893.1843.586应力（MPa）9.38237.0959.45435.089 图2 模型图 图3 环向位移图 图4 环向应力图 图5 轴向位移图 图6 轴向应力图 图7 等效应力图由有限元分析结果可见，最大轴向应力仅9.45MPa。该结果表明，即使在1.53的偏角时，接头的强度仍然是满足要求的。考虑在实际工程中其他因素，在实际施工中的一次偏转角限制在0.5。3、偏转试验为了验证设计的玻璃钢夹砂压力顶管能够达到设计要求，能够满足工程需要，我们制作了样管进行了接头偏转试验。为了更好地进行分析，在进行接头偏转试验之前，还进行了强度试验、管刚度试验等。3.1 强度和管刚度试验强度和管刚度为玻璃钢夹砂压力顶管的最基本的力学性能，我们按照相关的标准制样测试，基本测试结果如下：承口环和管端的轴向抗压强度：130.7MPa管身轴向抗压强度：76.3MPa承口环和管端的轴向弹性模量：9.8GPa管身轴向弹性模量：6.9GPa管刚度：22376Pa通过计算可以得到套环和管端以及管身的最大允许轴向应变，对于套环和管端，由于受力不均，按3倍的安全系数考虑，则承口环和管端允许轴向应变为：对于管身，受力不均匀状况比套环和管身要好，按2.5倍的安全系数考虑，则管身允许轴向应变为：3.2 接头偏转角试验对于大口径玻璃钢夹砂顶管的接头偏转角试验在国内尚属首次。试验原理见图4.1，通过使得两管接口间单边位移为，从而产生的偏转角。根据公式可以由得到，或给定来控制位移。首先将两节管对接，在管道一侧设置千斤顶，并在玻璃钢套环外表面布置了6个应变计。通过调节千斤顶使得管道接口两边出现位移差，同时用应变采集系统对管道应变进行采集并人工测量接口两边的位移。现场测试图见图8。图8 偏转角试验原理图图9 试验现场图设计要求控制偏转角不超过1，根据公式计算得到。实际试验中当时管道没有任何损伤，并且打小压至0.9MPa也没有出现渗漏。后又逐渐增大，位移达到52mm，反算角度为1.3，实测最大应变仅为384，管道无任何损伤。通过强度、管刚度和接头偏转角试验说明该管道达到了设计计算得要求，能够满足本工程的需要。4 玻璃钢夹砂压力顶管现场监测由于本工程是国内外第一次在实际工程中采用玻璃钢夹砂压力顶管，为了慎重起见并进一步确保玻璃钢夹砂压力顶管在实际工程中的成功应用，同时也为了研究玻璃钢夹砂压力顶管在实际顶管施工中的应用情况从而指导改进以后的设计，经有关方面研究决定由武汉理工大学对本工程进行现场全程监测。4名现场监测人员于2005年11月25日抵达施工现场，到11月27日完成了现场准备工作，11月28日开顶后正式开始监测。从11月28日到12月6日进行全天24小时监测，前后共历时12天。监测过程中共布置了61个应变计（玻璃钢套环上13个，管身轴向39个，管身环向9个），4个土压力传感器，1个压力传感器，1个位移传感器 ，共采集了100多万个数据。监测主要内容包括：顶力、套环应变、管轴向应变、管环向应变、管径向变形、管土接触压力等。其数据结果分析见图104.1 实时试压 为了确保大口径压力顶管在最终全线试压时一次成功，在现场顶进现场，每顶进一根管道，便在接口处进行试压，试压压力为1.0MPa，比额定的1.5倍工作压力的0.9MPa压力有所提高。见图11。 图 10 施工现场 图11 实时试压4.2 顶力 我们采用了顶力与顶距的计算机实时采集，全程的顶力顶距图如图12所示。图12 顶力顶距图4.3 顶管的应变监测 此次玻璃钢夹砂压力顶管的应变监测分为：承口环的应变监测；顶管管头轴向应变监测；以及管身不同部位的环向与轴向的应变监测。图13 承插口应变计布置方案图14 9#管承口环应变在承口的实测中，最大正应变为444，最大负应变为2090，主要应变一般集中在5001000。并发现：玻璃钢套环应变的大小主要是由后面管道插入后的橡胶圈反作用产生的，正常顶进时应变很小。通过工程实践的实测进一步表明：本设计的玻璃钢套环能够比较好的满足工程的要求，说明了采用玻璃钢套环和管身一体化制造技术能够满足工程需要。图15是我们在全线顶管应变监测的其中一个实例。该图描述了顶管的应变计的布置与实时监测图。图15 轴向应变计布置与4#管2号点的应变变化 图16 部分顶管的轴向应变与环向应变的变化监测到的最大轴向应变为-1823，出现在第20#管的尾部，其他情况一般均在-1000以内，据此可以计算最大应力为17.87MPa。管尾同一截面各点的应变分布不均，有时相差很大，在设计中需要加以考虑，管端强度安全系数应不低于3；由于在顶管施工过程中，管材主要受轴向力的作用，环向作用并不很明显，因此，环向应变均比较小，基本上在-400以内。4. 4 土压力监测此次监测一共布置了4个土压力传感器，监测结果见图17。由监测结果可见，在刚进洞时土压力很小且基本不变，主要是因为在进洞口采用灌注混凝土浆进行了加固，土的自拱性很好，顶进一段距离后土压力有所增加，并且有很大的波动，与顶进状态有关。在正常的稳定顶进时根据土压力传感器的标定反算，管土接触压力为0.05MPa，根据前面的顶力分析可以得到管土摩擦系数为0.037。 图 17 土压力传感器以及监测结果4.5 管道径向变形监测实际监测中采用了两种方法对玻璃钢夹砂压力顶管的径向变形进行了监测：一种方法是在顶进前先定初始的4个点得到相互垂直的两个内径，顶进完成后再次对这4个点进行测量，将两次测量的结果进行比较；第二种方法是顶进完成后直接测管水平和竖直内径，和初始内径进行比较。测量结果见图18和图19。图18表明，方法1测量的结果最大变形量为0.21，图19表明，方法2测量的结果最大变形量为0.25。考虑到现场监测环境的误差，两种方法的监测结果基本一致，均表明管道的径向变形很小。 图18 方法1监测的管道径向变形 图19 方法1监测的管道径向变形5 结论通过对玻璃钢夹砂压力顶管的设计、计算机分析、性能测试及现场监测，充分展现出了玻璃钢夹砂压力顶管的优势：1）玻璃钢夹砂压力顶管采用管身和连接套环一体化制造成型技术，仅需一道双“O”型密封圈即可达到很好的密封效果，防渗性能强，能很好的满足压力管道的要求；2）玻璃钢夹砂压力顶管管道和套环