玻璃鋼夾砂管管材接口的保護技術

丁玉龍

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

管道工程中應用的管材，除了需要考慮滿足運行階段的強度、剛度和穩定性要求和管道接口的密封性要求外，還要考慮管道在施工階段的相應要求[1-6]。

對于頂管管材的保護技術，一些專家和學者做過不少的研究和探索[7-9]，但由于實際工程中，將復合管材應用于有壓頂管隧道的情況尚屬首次[10-11]，因此對于其接口的保護有著更高的要求，應當從多個角度進行研究和分析。

1 管口形式的設計

青草沙凌橋支線C3標J26-J29頂管施工段，是國內頂管施工領域第一次將復合管材應用于長距離壓力曲線頂管施工，標段自海高路J26井起，沿高橋港，在外環線與高橋港交叉處穿越高橋港，到港城路東側J29井。管線包括直線段和曲線段兩個部分，其中直線段長度為124.97 m，曲線段長度為666.06 m，曲率半徑為R=1 200 m，管線總長791.03 m，見圖 1。頂管中心設計標高為-6.6 m，覆土10 m，主要穿越土層為③層灰色淤泥質粉質粘土與③夾層灰色粘質粉土夾淤泥質粉質粘土。

圖1 工程平面示意圖Fig.1 Engineering Sketch Map

復合管材采用的材料為玻璃纖維增強塑料與石英砂，該種復合管材道的管壁結構通常被制成夾層結構的形式，而且內外玻璃纖維增強塑料層厚度基本相同，當該厚度越接近，夾層結構的剛度就越高，但抗彎強度差。所以這種結構形式的管道與接口通常應用于污水等無壓直線管道施工。而凌橋支線為壓力管道，必須保證管道有足夠的強度，更要保證接口能夠承受閉水試驗壓力及運營階段的內水壓，為此該工程對復合管材接口進行了研究應用。

1.1 管壁結構形式

通過估算，確定管材在曲線頂進過程中需要的允許頂力為8 000 kN，而本管線的工作壓力為0.80 MPa，通過管道工程結構設計，確定管材的壓力等級1.0 MPa（即PN1.0），管道的環向拉伸強度應不小于6 300 kN／m。根據管壁中的玻璃纖維增強塑料層（GRP層）的環向拉伸強度和軸向壓縮強度值，確定管壁中玻璃纖維增強塑料層厚度約在40 mm左右，最終選擇了如圖2所示的不對稱夾層管壁結構形式，總厚度為73 mm，其中的內玻璃纖維增強塑料層為40 mm（包含內襯層），樹脂砂漿層（RM層）厚度約33 mm。圖3為最后確定的管壁結構剖面的實拍照片。

圖2 管壁結構（mm)Fig.2 Structure of Pipe(mm)

圖3 管壁結構照片Fig.3 Photo of Pipe Structure

1.2 管口結構形式

為保證壓力管的的密閉性，選擇了套筒式接口，套筒壓縮厚度為33 mm。而套筒與管壁外徑一致的情況下，在接口處管壁結構只能剩余40 mm厚度，即為玻璃纖維增強塑料層厚度。管壁結構中，由于玻璃纖維增強塑料層的抗壓強度（標準值在120 MPa以上）明顯高于樹脂砂漿層（65 MPa～75 MPa），通過計算，此40 mm厚純玻璃纖維增強層能夠保證管口連接區管壁的抗壓強度，滿足施工要求。最終確定管口處管壁厚度為40 mm。見圖4。

圖4 接口詳圖Fig.4 Detailing of Pipe Joint

在試安裝測試時發現，端口直角外棱會對密封膠圈產生不同程度的損壞，導致連接處密封性能下降。為此對接口進行了進一步的改進，對管口端面外棱進行倒角處理。倒角半徑成為問題的關鍵，倒角半徑太大會影響端面的強度，不能滿足施工要求。通過試驗發現，倒角半徑小于3 mm，管端軸向壓縮強度下降較小，倒角半徑再大，壓縮強度下降過大，結果見表1。因此規定管口的倒角半徑為3 mm。

表1 管口區管壁軸向壓縮強度試驗數據Tab.1 Axial Compressive Strength Test Data of Pipe Joint

2 管口有限元模型分析

在曲線頂管施工過程中，管口為傳力的薄弱環節。管口在節間轉動過程中受到止水套環的約束，使得管口受到彎矩應力、剪應力和軸向壓應力共同作用下，受力狀態復雜，無法通過常規計算方法得到其實際應力分布狀態。該工程通過有限元分析來模擬復合管曲線頂管過程中管口的實際受力情況，有效地為施工提供參考依據，保證頂管施工的順利進行。

2.1 計算模型

由于管材厚度與管材直徑、長度差異較大，選擇厚殼單元進行建模計算。整個模型的計算關鍵位置在于管口，故在管口處單元劃分精度加密，而管身處的單元劃分精度適當放寬。實際劃分單元時，管口單元最大邊長為50 mm，管身單元最大邊長為100 mm。圖5為單節管節的結構模型，單元劃分加密處為管口截面，余為管身截面。

圖5 單管節結構模型Fig.5 Structure Model of Single Pipe

圖6 止水套環與管節結構模型Fig.6 Structure Model of Pipe and Sealing Ring

止水套環也采用厚殼單元模擬，厚度為30 mm，單元最大尺寸為50 mm。圖6為止水套環與單節管節的模型。

為了合理模擬套環與管口間的共同作用，建模過程中在套環與管口之間設置滑動摩擦接觸面，即套環與管口之間存在一定量的滑移的同時不失去套環對管口的環向約束作用。無套環側管節邊界無約束。

曲線頂管管節之間傳力宜采用不張口接頭的受力模式，為防止管節集中應力破壞管材，在管節間連接處用墊木墊圈，厚度15 mm，其內徑應比管道內徑大2 mm，外徑應等于接頭的最小內徑。

接頭處轉折角 θ＝arctan［（L+a）／R］=0.144°，張口尺寸 ΔL＝2×D外sin（θ／2）＝5.15 mm。見圖 7。

圖7 曲線張口示意圖Fig.7 Open of Pipe

計算中取頂管管節間夾角為0.15°，計算工況按照規范規定的管節間夾角0.3°計算。管節頂力考慮6 000 kN（600 t）。通過幾何關系可以計算得到加載截面上側中點的張開量ΔL=6 mm，進而施加到模型上，模擬管節的偏轉。

2.2 計算結果分析

（1）管節發生0.3°轉角（不考慮頂力作用）

從圖8可以看出，當發生管節偏轉后，套環受到管節偏轉作用發生環向變形（膨脹）。

圖8 發生0.3°偏轉后管節側視圖Fig.8 Side View of Pipe after 0.3°Deflection Occurs

發生0.30°偏轉時，管口受到套環約束作用而產生較大彎曲應力，該應力為拉應力最大值位于上部開口處，管口最大縱向拉應力約為25 MPa，接近管身位置的縱向拉應力約為10 MPa，低于管材強度。

在0.30°轉角時，管口環向壓應力分布如圖10所示，開口側為上側。從圖中可以發現，受到套環的約束管口的環向壓應力值較高，且離管口50 mm范圍內的應力接近了100 MPa，已接近材料的抗壓強度。

圖9 發生0.30°偏轉時管口縱向應力Fig.9 Longitudinal Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

圖10 發生0.30°偏轉時管口環向應力Fig.10 Radial Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

（2）管節發生0.3°轉角（考慮頂力作用）

圖11 發生0.3度偏轉時管口縱向應力Fig.11 Longitudinal Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

施加頂力后，管口位置既存在縱向拉應力又存在壓應力，最大拉應力約為12.5 MPa，最大壓應力約為50 MPa。無頂力工況下管節間為下部點接觸，施加頂力后，管節間的接觸面增加，以傳遞更多頂力，從而在一定程度上降低了管口縱向的拉應力。

圖12 發生0.30度偏轉時管口環向應力Fig.12 Radial Stress of Pipe Mouth after 0.3°Deflection Occurs

管口的最大環向壓應力約為85 MPa，隨著頂力的施加，使得管口的開口角度略有減小，從而使得計算環向壓應力小于無頂力的工況。環向壓應力最大值發生在開口處，該應力分布在距離管口邊沿約100 mm范圍內，且沿截面高度向下減小。

從計算結果可知，管口為最薄弱的環節，需要采取合理的保護措施，以保證工程施工的質量。

3 管口保護技術措施

3.1 襯墊選擇

（1）材質選擇

盡管應用于該工程的復合管材在結構上對接口處進行了加強設計，但復合管材相對其他管材而言其允許頂力偏小，尤其在管段接口處最為薄弱，局部受力不均會導致接口破損。尤其曲線段，每兩節管道外側張角都是0.144°，管端面不是均勻受力，主要是單側受力，受力簡圖見圖13。

圖13 曲線管段傳力圖Fig.13 Force of Curve Section of Pipe

為防止管節處應力集中破壞管材，同時有效的傳遞后方頂力，兩管節之間設置襯墊材料，使端面整體均勻受力。根據多年對襯墊的研究，一般選用的襯墊材料的性能應該符合圖14中應力應變要求：

圖14 襯墊的應力-應變曲線Fig.14 Stress-Strain Curve of Pad

該工程選擇了彈性較好的人工芯木板，并通過試驗確定其物理性能，判定可以作為木襯墊使用。

（2）厚度確定

圖15 曲線張口示意圖Fig.15 Open of Curve

材質確定后，木墊圈厚度的選擇成為問題的關鍵。首先明確下列各管口的數據，見圖15。

張口計算：

式中：R為曲線半徑（m）；D為管外徑（m）；L為管節長度（m）；t為管壁厚度（m）；S為襯墊被壓縮后的厚度（m）。

根據以上公式和J26-J29段曲線頂管中已知：

計算可得：

根據管節承插口的尺寸（圖16）可以看出，當S1+S0=30 mm時，止水橡膠圈的外沿已退至接口的外沿，為保證止水橡膠圈生效必須有S1+S0≤30 mm，當 S1=5.12 mm 時，S0≤14.82 mm，考慮到木墊圈裝入管縫，開始頂進時就會壓縮，選用15 mm厚的木墊圈，要應用中的木墊圈見圖17。

圖16 管節插口尺寸Fig.16 Size of Pipe Socket

圖17 木墊圈Fig.17 Wooden Washer

3.2 采用特殊頂鐵

針對復合管承插式管口特點，設計專用“O”型頂鐵進行頂進，具體見圖18?！癘”型頂鐵的關鍵是與復合管材的接口部分，與復合管材正對部分，接觸面比復合管材的端面40 mm寬6 mm，為46 mm，可以防止端頭插入時的誤差。開口處內邊有個坡度，最外端比里面單邊寬5 mm，整體加寬1 cm，方便復合管材插入，避免直角棱角破壞管材。

圖18 “O”型頂鐵Fig.18 “O”Type Top Iron

3.3 防止錯臺預案

在曲線頂管過程中，曲線形成轉角后，前后兩節管子會發生少量的錯臺，即前后管內表面不在一個平面上，管子接觸面由40 mm寬急劇下降，管端有可能產生應力集中，甚至出現破壞現象。針對這種情況制作出內撐圈，用足夠厚度的鋼板，加工成弧形，分為四段，通過螺栓連接，在應急情況下可以起到阻止管道錯臺繼續增大和斷裂處繼續擴張的作用，見圖19。而在實際頂管過程中經監測未發現管節錯口較大情況，如果有這種情況發生，我標段計劃采用該項措施，避免外側套管受力過大而破損，如圖20。

圖19 管口發生破壞斷裂示意圖Fig.19 Damage of Pipe Joint

圖20 內撐圈示意圖Fig.20 Internal Support Ring

4 張口監測數值

表2 監測數值Tab.2 Monitoring Data

表2為施工中部分曲線段張口的監測數值，從表中可以看出，實際監測數值與設計值非常接近，說明施工過程及所采取的保護措施等是合理的。

5 結論

（1）結合青草沙凌橋支線C3標J26-J29復合管材施工，闡述了復合管材管口形式的設計，選定了管壁結構形式，并對管口結構形式做了改進。

（2）用大型有限元計算軟件ABAQUS建立了管節的三維模型，對頂力及管口張開角度條件下，管節的環向和徑向受力進行了分析，計算結果表明，管節及管口的受力均在設計范圍內，是安全的。

（3）制定了詳細的管口保護技術措施，包括襯墊的選擇制作、采用特殊頂鐵、防止錯臺預案等。監測結果表明，施工過程及采用的管口保護措施是合理的。

（4）青草沙凌橋支線復合管施工已經順利完工，頂進過程中未發生管口損壞的情況，目前該段管道已經投入運營，狀況良好。工程的成功實施表明，玻璃纖維增強塑料管的管壁結構形式、接口形式等滿足本工程曲線壓力頂管的要求。只要針對工程實際情況，合理地確定復合管材的管道與管口結構形式，保證制造質量，同時頂管施工過程中采取有效的技術措施，復合管材可廣泛的應用于曲線壓力管道施工。

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