曲線頂管施工管節(jié)接口形式比選與優(yōu)化

胡 強

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 曲線頂管施工管節(jié)接頭性能要求

從宏觀上看，曲線段的管道線路是一條圓弧線，但其實際上是由多段直線管節(jié)組成的多邊形線段。換句話說，曲線頂管施工的實質是控制多段直線管節(jié)在管節(jié)接頭部位進行一定的角度偏轉，進而實現管節(jié)的曲線頂進過程。

相比于直線頂管施工而言，曲線頂管施工涉及管節(jié)的曲線頂進過程，其對管節(jié)接頭提出較高的性能要求，具體包括如下幾個方面。

(1)前后管節(jié)的接頭搭接部位應能夠進行一定的角度偏轉，從而滿足管節(jié)曲線頂進的基本要求。誠如上述所言，曲線段管道線路是由多段直線管節(jié)相繼進行角度偏轉后實現的，這就要求相鄰管節(jié)在接頭搭接部位有一定的角度偏轉能力。

(2)角度偏轉后的管節(jié)在接頭搭接部位應保證有一定的頂進受壓面積，從而有效預防管節(jié)接頭在頂進過程中的局部破壞現象。頂管施工的前進動力來源于布設于始發(fā)井或中繼間的千斤頂，并通過中間管節(jié)傳遞給前端的掘進機，故管節(jié)承受著數值較大的軸向頂推力。曲線頂管施工中，管節(jié)接頭部位受力情況復雜，若因角度偏轉導致管節(jié)間頂進受壓面積銳減，管節(jié)接頭易出現較為嚴重的應力集中現象，進而導致管節(jié)局部破損。

(3)偏轉后的管節(jié)在接頭部位的防水性能應得到保證。曲線頂管的管節(jié)接頭因存在角度偏轉，其前后管節(jié)的搭接形態(tài)不斷變化。相對于直線頂管而言，管節(jié)接頭防水應考慮接頭部位所有可能的搭接形態(tài)，確保管節(jié)接頭在任何情況下都能滴水不漏。

(4)管節(jié)的接頭部位應有防止管節(jié)橫向錯動的防護結構。曲線段的管節(jié)因存在一定的角度偏轉，在頂推力的作用下，前后管節(jié)在接頭部位存在橫向錯動趨勢，若無相應的防護結構，可能出現管節(jié)偏離設計曲線的問題，進而影響曲線頂管施工的順利進行。

(5)管節(jié)外表面應盡可能光滑，應避免選擇帶突出結構的管節(jié)形式。頂管施工過程中，管節(jié)是一節(jié)一節(jié)頂進的，若管節(jié)外表面存在突出結構，該結構必然帶動周邊土體與管節(jié)一起前進，增加頂管施工對周邊土體的擾動性及管節(jié)頂推難度。曲線頂進過程中，突出結構所帶來的土體擾動情況更加復雜。出于上述方面的考慮，曲線頂管所選用的管節(jié)外表面應盡可能光滑。

2 鋼筋混凝土管接口性能分析

2.1 平口管

平口管指管節(jié)兩端的接口不作特殊的結構設置，采用與管身襯砌完全相同的平口式接口形式。平口管管體等徑均勻，管節(jié)外表面無突出結構。管端接口平齊對接，允許管節(jié)間的角度偏轉。管節(jié)接頭部位的襯砌厚度與管身襯砌相同，角度偏轉后管節(jié)間仍能保證較大的頂進受壓面積。

但是，目前平口管多采取管節(jié)鋪設完成后，在管節(jié)接頭位置進行鋼絲網混凝土抹帶的密封措施，其在頂管施工中無法實現，且平口管接頭部位沒有強有力的防護結構，曲線頂管施工過程中管節(jié)接頭部位極易出現橫向滑移錯動現象，導致管節(jié)偏離設計管線。鑒于上述兩點，可以給出明確的觀點，即平口管不宜作為曲線頂管施工的管節(jié)形式。

2.2 承插口管

承插口管是指將管節(jié)的兩端分別制成承口和插口，通過后一管節(jié)的插口插入前一管節(jié)的承口中，實現前后管節(jié)的搭接。承插口式接口形式能夠確保管節(jié)間不發(fā)生橫向錯動現象，且插口在承口中有一定的角度偏轉能力。同時，由于插口的厚度與管身襯砌厚度相近，偏轉后的管節(jié)在管節(jié)接頭處仍能保證一定的頂進受壓面積。插口與承口間的防水橡膠則能保證管節(jié)接頭部位的防水性能。

但是，承插口管的承口相對管身有較大的凸起，其在頂管頂進過程中必然帶動周邊土體隨管節(jié)一起向前運動，進而造成較大的土體擾動問題，并使得頂進施工所需頂推力大大增加。出于上述方面的考慮，頂管施工中不建議采用承插口管。

2.3 企口管

企口管指在管節(jié)兩端分別設置榫頭和榫槽，通過管端榫頭與另一管節(jié)管端榫槽吻接的形式，實現前后管節(jié)的連接。企口式接口的形式能有效防止管節(jié)間的橫向錯動，且其接頭部位相比于管身結構沒有變形或變徑情況，外表面光滑過渡。企口管管端榫頭與榫槽間留有一定間隙，且在該間隙處設置防水橡膠，在偏轉外力作用下，預留的間隙保證管節(jié)能夠進行一定的角度偏轉，而防水橡膠能確保管節(jié)的防水性能。

但是，企口管榫頭的厚度僅為管身襯砌的一半左右，角度偏轉后的管節(jié)接頭間的頂進受壓面積將進一步減少。在施工頂推力作用下，企口管接頭部位易因為應力過度集中導致接頭局部破損現象，進而影響頂管施工的順利進行。出于此方面的考慮，頂管施工中不建議選用企口管。

2.4 雙承口管

雙承口管的管節(jié)兩端均為插口形式，前后管節(jié)通過T型鋼套環(huán)進行連接。雙承口式接口的結構形式允許管節(jié)間有一定的角度偏轉，且T型鋼套環(huán)能有效阻止管節(jié)間的橫向錯動。T型鋼套環(huán)與雙承口管插口間的防水橡膠能滿足各種角度偏轉情況下管節(jié)間的防水要求。同時，雙承口管在管節(jié)接頭部位沒有突出構造，且其插口厚度與管身襯砌相近，保證管節(jié)在角度偏轉的情況下仍有一定的頂進受壓面積。

可以看出，雙承口式接口滿足曲線頂管施工所有的性能要求，故認為雙承口管可作為曲線頂管施工的候選管節(jié)形式。

2.5 鋼承口管

鋼承口管可以看做是企口管與承口管的改進形式，其吸取企口管和承口管優(yōu)點，同時摒棄兩者的缺點。具體而言，鋼承口管的兩端分別設置了插口和承口，其插口形式仿效承插口管的插口形式，取與管身襯砌相近厚度，確保管節(jié)在一定角度偏轉后，其接頭部位仍有必要的頂進受壓面積。同時，鋼承口管承口仿效企口管榫頭的構造，但其采用厚度較薄的鋼承口，確保鋼承口管在管節(jié)接頭處光滑過渡。鋼承口式接口的構造能夠保證管節(jié)在接頭部位不發(fā)生橫向錯動現象，且其接頭設置有遇水膨脹橡膠止水帶，能有效防止管節(jié)間滲漏水。

上述分析表明，鋼承口管滿足曲線頂管施工對管節(jié)接頭的全部性能要求，可作為曲線頂管施工的候選管節(jié)形式。

匯總上述對鋼筋混凝土管性能的分析結論，給出如表1所示的管節(jié)接口形式性能評價表格。

表1 曲線頂管施工管節(jié)接口性能綜合評價

3 管節(jié)接口形式選擇與優(yōu)化

3.1 管節(jié)接口形式選擇

上述鋼筋混凝土管接口性能分析表明，只有雙承口式接口與鋼承口式接口滿足曲線頂管施工管節(jié)接頭的全部性能要求。換句話說，曲線頂管施工中所使用的鋼筋混凝土管應在雙承口管或鋼承口管中選擇，而具體選用哪種管節(jié)接口形式應結合管節(jié)曲線頂進施工效果進行進一步分析。

雙承口管采用一個T型鋼套環(huán)將相鄰管節(jié)連接在一起，在曲線頂進過程中，T型鋼套環(huán)和前端管節(jié)均發(fā)生角度偏轉，且管節(jié)偏轉角度大于T型鋼套環(huán)偏轉角度。由于兩者偏轉角度的差異，T型鋼套環(huán)與前端管節(jié)插口間將出現間隙，且間隙大小隨偏轉角度增大而增大。在曲線頂進過程中，周圍土體易從T型鋼套環(huán)與前端管節(jié)插口間的間隙處擠入，對管節(jié)接頭后續(xù)偏轉能力、防水性能等方面造成不利影響。在砂性土體中，雙承口管接口極可能因砂土擠入，造成接口密封失效及接口損壞現象，應該極力避免。

相比于雙承口管，鋼承口管將鋼套環(huán)的前端錨固于管節(jié)端頭，在管節(jié)曲線頂進過程中，鋼套環(huán)與前端管節(jié)襯砌牢固結合，從而有效避免了泥土擠入管節(jié)接口的現象。同時，與管節(jié)固結的鋼套環(huán)能有效增加管節(jié)的剛度，且減少頂管施工過程中鋼套環(huán)與管節(jié)間的配接工序，加快施工進度。故而，可以認為，鋼承口管較雙承口管更適用于曲線頂管施工，是曲線頂管施工的最佳管片形式。

3.2 管節(jié)接口結構優(yōu)化

鋼承口管曲線鋪設的實質是管節(jié)間楔形錯縫及鋼套環(huán)與管節(jié)插口間隙大小的變化。管節(jié)間楔形錯縫會誘發(fā)管節(jié)接頭部位的應力集中現象，進而可能導致管節(jié)接頭局部破損，而鋼套環(huán)與管節(jié)插口的間隙大小變化可能造成管節(jié)接頭防水性能失效。針對上述所述的兩種情況，提出鋼承口管接頭的相應優(yōu)化設計方案。

(1)在鋼承口管插口的外邊緣增設L型鋼墊圈，有效避免管節(jié)插口外緣的局部破損現象。曲線頂管施工中，管節(jié)因角度偏轉致使接頭部位應力集中，此現象在接口擠壓側的承插口外緣最為突出。由于鋼套管的限制作用，承口處的混凝土受力尚好，而鋼承管插口外緣并沒有相應的防護措施，致使該部位常出現局部破損現象，并進而影響管節(jié)接頭的整體性能。若能在插口外緣增設L型鋼墊圈，可有效預防插口外緣局部損害現象。

(2)將密封橡膠圈在插口上的布設位置前移，并選用內帶空腔，變形能力較強的橡膠圈。在插口外緣增設的L型鋼墊圈能有效防止該部位的局部破壞現象，為密封橡膠圈的前移提供基本保障。內移的密封橡膠圈所需的變形幅度減小，配合上內帶空腔的橡膠圈，既能保證管節(jié)接頭位置的防水性能，還能減少由橡膠圈產生的阻礙管節(jié)角度偏轉的抗力。

(3)有根據的縮短鋼套管的長度，并在鋼套管的末端設置鋼毛刷。密封橡膠圈的前移量是決定鋼套筒長度縮減量的關鍵因素，鋼套管的長度設置應保證管節(jié)接頭的防護能力和防水效果。鋼套管長度的縮減能提高管節(jié)接頭的偏轉能力，并減少偏轉過程對周邊土體的擾動。設置在鋼套管末端的鋼毛刷能防止周邊土體擠入管節(jié)接頭，保證管節(jié)性能的正常發(fā)揮。

4 結 語

針對曲線頂管施工中管節(jié)曲線頂進的特點，分析總結出曲線頂管管節(jié)接口應具備角度偏轉能力、頂推力傳統能力、接頭防水能力、 防橫向錯動能力、防土體擾動能力五項性能要求。在此基礎上，對平口式、承插口式、企口式、雙承插口式及鋼承口式鋼筋混凝土管進行管節(jié)接口性能分析。結果表明，只有雙承口式接口及鋼承口式接口滿足曲線頂管管節(jié)接口的全部性能要求。

通過對比分析雙承口式接口和鋼承口式接口的曲線頂進施工效果，發(fā)現雙承口管存在土體擠入管節(jié)接頭部位，影響接口性能發(fā)揮的隱患問題。鋼承口管通過將鋼套管一側與管節(jié)固結的形式，不僅能有效解決了上述問題，對管節(jié)結構剛度及頂管施工也有一定的改善作用。鑒于此，提出鋼承口式接口是曲線頂管施工的最優(yōu)管節(jié)接口形式。

在現有鋼承口式接口形式的基礎上，對接口結構提出優(yōu)化設計方案，建議在管節(jié)插口外緣設置L型鋼墊圈，將密封橡膠圈的設置位置前移，并繼而縮短鋼套筒的長度。同時，橡膠圈選用內帶空腔的構造，增加橡膠圈的變形能力。在鋼套管尾部設置防止土體擠入的鋼毛刷，確保管節(jié)接口的正常工作。