管道頂進用裝配式圓形工作井承載性能研究

張興其 楊帆 姚華彥

摘要：近年來裝配式建筑正逐步應用在地下管道工程中，為了研究管道頂進用裝配式圓形工作井的承載性能，結合現場監測的頂管頂進力情況，采用三維有限元方法對裝配式圓形工作井的井片混凝土以及連接螺栓進行了受力分析。研究結果表明：通過在管壁涂刷潤滑劑、采用觸變泥漿進行壓漿等減阻措施可以明顯降低頂進力荷載，甚至可以使其達到設計值的50%以下；裝配式圓形工作井在頂進力荷載的作用下，螺栓受拉情況不明顯，僅后座墻位置的井片外側混凝土呈明顯受拉，設計中需要關注，必要時需對該部位制定加固方案；粘貼鋼板加固方案相對于粘貼CFRP加固方案具有材料利用率更高、加固效果更加明顯的優勢。研究成果可為推廣裝配式建筑在管道工程中的應用提供理論依據和參考借鑒。

關 鍵 詞：地下工程；頂管；裝配式圓形工作井；井片；頂進荷載；裝配式建筑

中圖法分類號：TU992

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.019

0 引 言

隨著中國城市化進程的加快，地下工程管道的敷設以及改建都在如火如荼的進行中。為了減少地面開挖范圍，保障城市道路暢通，在管道的建設和改造過程中，通常采用頂管法施工。其中頂管的工作井一般都是在現場澆筑而成，該施工方法占用場地面積大、施工工期長，且易對工程周邊產生較大的環境污染、噪聲污染^［1-3］。在“雙碳”目標引領下，裝配式建筑作為一種節能減排的綠色建筑已經迎來了歷史性的發展機遇。而裝配式工作井則是在工廠預制井片，在工程現場采用高強度螺栓連接預制井片拼裝成環，相比傳統的現澆式工作井，采用裝配式施工方法可大幅度縮減工期，有效降低施工期對城市交通的影響。

目前，這種裝配式工作井在一些頂管以及豎井工程中已得到了初步的應用，與之相關的施工技術也在逐步成熟^［4-7］。在這類結構的承載性能研究方面，戴顏斌^［8］建立了裝配工作井和現澆工作井的三維有限元模型，分析了二者的結構性能以及在頂推荷載作用下對周邊土體的影響。關成立^［9］提出了一套可預緊、可回收的圓形豎井拼裝式鋼結構，并通過理論計算、數值模擬、現場加載試驗及施工應用對該豎井結構進行了驗證。張云輝^［10］提出了一種新型的裝配式型鋼-鋼板可回收工作井結構，并結合有限元數值模擬和現場試驗對該結構的受力變形規律進行了研究。翟文博等^［11-12］提出了一種新型型鋼-高聚物復合裝配式頂管工作井，并結合工程現場試驗和有限元數值模擬對頂管施工過程中工作井周圍的土體沉降變形和支護結構的力學響應進行了分析，驗證了該新型工作井用于頂管施工的可靠性。Zhang等^［13］提出了一種由H型鋼、鋼板和止水帶通過焊接或螺栓連接組裝形成的一種可重復使用的工作井結構，并通過有限元數值模擬和全尺寸試驗，驗證了這種新型工作井結構的承載性能，給出了結構的安全設計參數。

可以看出，有關裝配式工作井的研究主要是側重于新型裝配式結構的研發及其可靠性的驗證，目前還鮮有涉及由預制鋼筋混凝土井片通過螺栓連接、拼裝成環的圓形工作井結構的承載性能研究。這種裝配式圓形工作井的結構同盾構隧道管片襯砌結構類似，但二者的運行環境、布置方式不同，其承受的土壓力荷載形式明顯不同，且工作井的底部刃腳環還需要承擔較大的頂進力荷載，導致裝配式圓形工作井的井片受力狀態更加復雜^［14-16］。除此之外，由于裝配式圓形工作井目前尚處于初步運用階段，與之相關的設計理論還不完善，也無可供直接參考的設計規范，其承載機理尚不明晰。因此，本文依托具體工程建立裝配式圓形工作井三維有限元分析模型，通過分析工作井在不同頂進荷載作用下的井片及螺栓受力情況，揭示裝配式圓形工作井的承載性能特性，為類似工程的結構設計和施工提供理論依據，以此推動裝配式建筑在地下管道工程中的應用。

1 工程概況

合肥市宿松路快速化改造工程位于合肥南部（南二環路-深圳路），整體呈南北走向，從北向南依次經過包河區、經開區、濱湖新區，終點到達肥西縣深圳路。項目工程包含橋梁部分、道路擋墻部分和新建管線部分等。其中新建管線以雨水管為主，管道均為鋼筋混凝土結構，管徑有500，600，800 mm和1 000 mm，累計長度在2 km以上，埋深在1～4 m。管道采用頂管法施工，其中頂進用圓形工作井采用預制裝配式井片結構。圖1為管徑為800 mm的頂進用工作井的結構拼裝及受力情況示意圖，其中每一環由6塊C40混凝土井片拼裝形成，沿深度方向由三環井片錯縫拼裝形成工作井，井片內徑為6 000 mm，外徑為6 600 mm，寬度為2 000 mm。工作井底部一環井片（刃腳環）環向采用8.8級M39螺栓相連，上部兩環井片環向以及豎向采用8.8級M30螺栓相連。

2 裝配式工作井三維有限元模型

2.1 材料參數

計算模型主要涉及的材料有C40混凝土、鋼筋、8.8級螺栓以及土體，其中采用線彈性本構模型模擬鋼筋混凝土和螺栓結構，采用Drucker-Prager模型模擬土體結構，具體材料參數如表1所列。

2.2 單元類型

土體采用8節點三維結構實體單元SOLID45模擬，混凝土采用8節點SOLID65單元模擬，該單元與SOLID45單元相似，兩種單元均能夠較好地模擬三維固體結構。螺栓采用2節點三維梁單元BEAM188模擬，該單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構，并且能夠考慮剪切變形的影響。位于刃腳環的后座墻頂力作用面采用4節點表面效應單元SURF154模擬。沉井整體模型以及井片與螺栓細部模型如圖2所示。

計算模型中包含兩種接觸關系：① 井片與土層接觸，② 井片與井片之間的接觸。模型中采用“面-面”接觸單元（TARGE170、CONTA174）對這種只傳遞法向壓應力和切向摩擦力，而不傳遞法向拉應力的接觸行為進行模擬，鑒于混凝土的摩擦系數一般為0.3～0.4，模型中取0.35^［17-18］。

2.3 模型范圍

如圖2所示，為了充分考慮土體對沉井結構受力的影響，土體模型長、寬均取30 m，高取12 m。在模型底部施加全約束，前后左右施加法向約束。計算模型整體總共包含81 707個單元、81 068個節點。

2.4 荷載工況

根據相關技術規范^［19-20］，頂管頂進過程中作用在后座墻的總頂力可按（1）～（3）式估算：

式中：F為總頂力，kN；F₁為管道與土層的摩阻力，kN；D為管道外徑，m；L為管道頂進長度，m；f為管道外壁與土的平均摩阻力，取5 kPa；F₂為頂管機的迎面阻力，kN；D′為頂管機的外徑，m；γ為土的重度，kN/m³；H為覆蓋層厚度，m。

隨著頂管頂進深度的增加，將根據規范計算的作用在沉井后座墻的頂進力與現場實測值進行比較，如圖3所示。可以看出實際總頂進力遠小于規范的理論計算結果，根據規范計算出的最大頂進力可達 2 000 kN 以上，然而實際監測的頂進力值不到 1 000 kN。考慮原因是，與設計計算值相關的一些參數在規范中的建議取值較為保守，因為在實際施工中采取了一些減阻措施，如：在管壁涂刷了潤滑劑、采用觸變泥漿進行壓漿、消減管道誤差和管節錯口等。

考慮到頂管的最大頂進力理論計算值可達到 2 000 kN，為了充分分析裝配式沉井在頂進力荷載作用下的受力性能，在工作井受自重以及土壓力的荷載下，分別計算了頂進力F=0，500，1 000，1 500 kN和 2 000 kN各工況下井片混凝土以及連接螺栓的受力情況。

3 計算結果分析

3.1 混凝土受力分析

分別計算了在頂進力逐步增大過程中井片混凝土的主拉應力和主壓應力，如圖4～5所示。根據計算結果可以看出，當頂管未頂進、沉井在僅受到土壓力荷載的作用下，井片混凝土的主拉應力和主壓應力會隨著沉井深度的增加而增加。然而，由于工作井的埋深較淺，作用在井片上的土壓力值較小，實際上受地層不均勻分布的影響，井片上的土壓力荷載應是不均勻的，由于模型中對其進行了均勻分布的假定，最終使計算得出的井片最大主拉應力和最大主壓應均很小。如圖4所示，隨著頂進力的逐步增加，后座墻位置的井片外側有明顯的拉應力集中現象，且最大主拉應力會隨著頂進力的增加而明顯增大，該部位混凝土易出現開裂。然而，其余井片的混凝土主拉應力值隨著頂進力的增大幾乎沒有明顯變化。如圖5所示，隨著頂進力的逐步增加，后座墻位置的井片內側有明顯的壓應力集中現象，且最大主壓應力會隨著頂進力的增加而明顯增大，但始終未超過混凝土的抗壓強度，而其余井片的混凝土主壓應力值隨著頂進力的增大幾乎沒有明顯變化。

3.2 螺栓受力分析

根據圖6，分析環向螺栓在頂進力逐步增大的過程中螺栓軸力變化情況，可以看出僅后座墻位置的井片與左右相鄰井片相連的螺栓軸力較大，在頂進力達到2 000 kN時，環向螺栓最大軸力約為62.97 kN，而其余環向螺栓的軸力較小，基本上都未達到10 kN。

根據圖7，分析豎向螺栓在頂進力逐步增大的過程中螺栓軸力變化情況，可以看出僅后座墻位置的井片與上部相鄰井片相連的螺栓軸力較大，在頂進力達到 2 000 kN 時，豎向螺栓最大值軸力約為16.67 kN，而其余豎向螺栓軸力很小，基本上都未達到5 kN。

根據螺栓軸力的計算結果，提取受拉程度最明顯的環向螺栓和豎向螺栓，其最大主拉應力分別如圖8和圖9所示。可以看出在相同頂進力作用下，環向螺栓的最大拉應力相對豎向螺栓較大，但當頂進力為 2 000 kN 時，環向螺栓拉應力也僅為263.78 MPa，遠小于8.8級螺栓的抗拉強度。

綜合環向螺栓和豎向螺栓的軸力和應力情況可以看出，基本上僅連接后座墻位置井片的螺栓會在頂進力作用下呈明顯受拉狀態，并且最大軸力和最大拉應力均較小，遠未達到螺栓的抗拉強度，而其余螺栓受拉程度更小，幾乎可以忽略不計。總體上，未能充分發揮螺栓的材料力學性能。

4 井片加固方案分析

4.1 加固方案

根據裝配式沉井在頂進力作用下的井片混凝土應力分析結果可以看出，對于這種裝配式結構需重點關注后座墻位置的井片受力狀態。該部位的井片外側受拉、內側受壓，類似于板、梁等受彎構件，若要對其進行補強加固，可以借鑒類似工程中常采用的粘貼鋼板或者粘貼碳纖維布（CFRP）加固方案，即在該井片外側通過膠層粘貼一定厚度的鋼板或者一定層數的高彈模CFRP，具體加固方案及相關材料參數參考類似工程^［21-23］，如表2所列。

三維有限元模型中假定井片“混凝土-膠層-鋼板/CFRP”各材料相互之間粘貼完好并協同變形，采用4節點多層殼單元SHELL181通過輸入各層的厚度，并指定相應的材料屬性來模擬膠層與鋼板/CFRP的復合層結構。

4.2 加固效果分析

為了分析兩種加固方案的加固效果，對后座墻井片外側粘貼1層5 mm的鋼板和粘貼1層0.143 mm的CFRP的兩種方案進行對比，分析井片混凝土及加固材料在2 000 kN頂進荷載作用下的受力情況。

如圖10所示，分析后座墻位置的井片混凝土最大主拉應力情況可以看出，在井片外側粘貼鋼板或者粘貼CFRP均能降低井片混凝土的最大主拉應力，能夠在一定程度上起到降低井片混凝土在頂進力荷載作用下發生破壞的風險。然而相比較之下，粘貼1層5 mm鋼板的加固方案可使混凝土的最大主應力降低25%，而粘貼1層0.143 mm CFRP的加固方案僅使混凝土的最大主應力降低1.2%。由此可見，粘貼鋼板方案的加固效果更加明顯。

若設加固材料的材料性能利用率為材料的最大應力與其極限強度的比值，根據圖11可以計算出兩種加固方案的鋼板和CFRP的材料性能利用率分別約為40.0%和19.5%。由此可見，粘貼鋼板方案的加固材料性能的利用率更高。

4.3 加固參數討論

實際工程中，可以通過增加鋼板的厚度或者增加CFRP的粘貼層數來提高加固效果。為了討論上述兩種加固參數的變化對井片加固效果的影響，分析了不同加固參數條件下混凝土的最大主拉應力與加固材料性能利用率的變化情況，分別如圖12和圖13所示。

混凝土最大主應力的降低程度能直接反映加固效果。從圖12可以看出，隨著鋼板厚度的增加或者CFRP層數的增加，混凝土最大主應力的降低程度均會明顯增加。其中，混凝土最大主應力的降低程度會隨著CFRP層數的增加呈近似線性增長關系，但總體上混凝土最大應力的降低程度較小，最大僅達到10%左右。相比較之下，粘貼鋼板最大可使混凝土的最大應力降低60%以上，其加固效果要明顯優于粘貼CFRP。然而，當鋼板厚度超過10 mm后，隨著鋼板厚度的進一步增加，混凝土最大主應力的降低程度開始增長緩慢，對加固效果的提升開始減弱。

如圖13所示，分析兩種加固方案的加固材料的性能利用率可以看出，隨著粘貼鋼板厚度的增加或者粘貼CFRP層數的增加，兩種加固材料的性能利用率逐漸降低。其中CFRP的性能利用率隨著CFRP層數的增加呈近似線性遞減的關系，總體上CFRP的材料性能利用率較低，均不到30%。而鋼板在厚度從5 mm提高到10 mm階段，其材料性能利用率降低幅度較大，但總體上均能達到30%以上。相比較之下，鋼板的材料性能利用率要明顯要高于CFRP，粘貼鋼板的加固方案更能充分發揮粘貼材料的力學性能。

5 結 論

（1） 通過綜合采用各種減阻措施，如在管壁涂刷潤滑劑、采用觸變泥漿進行壓漿等減阻措施，可以明顯降低頂管工作井的實際頂進力荷載，甚至可以使其達到設計值的50%以下，有利于沉井結構安全的同時能夠節能提效。

（2） 裝配式工作井在設計過程中需重點關注后座墻位置的井片受力狀態，防止該部位井片外側在頂進過程中出現大面積的受拉開裂破壞。而螺栓在沉井工作運行中受拉不明顯，因此可以適當降低螺栓的等級或者減小螺栓的截面積。

（3） 在后座墻井片外側粘貼鋼板或者粘貼CFRP均能起到降低混凝土的拉應力，從而提高沉井的結構安全性，并且其固效果會隨著鋼板厚度或者CFRP的層數的增加而提高。相比之下，粘貼鋼板加固方案的鋼板材料利用率更高，加固效果更加明顯，但是粘貼CFRP加固方案具有施工更加便利簡單的優勢，工程實踐中可根據實際加固需求選擇合理的加固方案。

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（編輯：鄭 毅）

Research on mechanical performance of prefabricated circular working shaft for pipe jacking

ZHANG Xingqi¹，YANG Fan²，YAO Huayan²

（1.Hefei Municipal Design and Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230041，China；2.School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract：In recent years，prefabricated buildings have gradually been widely used in underground pipeline engineering.To study the mechanical performance of prefabricated circular working shafts for pipe jacking，a three-dimensional finite element method was used to analyze the stress of the segment shaft concrete and the connecting bolts for the prefabricated circular working shaft according to the in-situ monitoring of the jacking forces.The results showed that the jacking force can be significantly reduced by some drag reduction measures such as coating lubricant on the pipe surface and using thixotropic mud for grouting，which can even make the jacking force below 50% of the designed value.With the action of jacking force loaded on the prefabricated working shaft，the bolts were not tensioned obviously.Only the concrete outside of the segmental shaft at the backseat wall was significantly tensioned，attention should be paid to it during the design，and some reinforcement should be carried out if necessary.Compared to the bonding CFRP reinforcement scheme，bonding steel plate reinforcement scheme had the advantages of higher material utilization and a more obvious reinforcement effect.The research results can provide a theoretical basis and reference for promoting the application of prefabricated buildings in municipal pipeline engineering.

Key words：underground engineering；pipe jacking；prefabricated circular；working shaft；segment shaft；jacking force；prefabricated buildings