復(fù)雜環(huán)境中大直徑鋼頂管的受力特性研究.pdf

1、鋼頂管因其密封性能好、承受高內(nèi)壓、非開挖施工對環(huán)境影響較小等優(yōu)點，在城市給排水管道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)朝大口徑、長距離和適應(yīng)復(fù)雜地層的發(fā)展趨勢。鋼頂管施工技術(shù)與設(shè)備已取得顯著的進(jìn)步，但理論研究滯后于工程實踐發(fā)展。隨著鋼頂管直徑和頂進(jìn)距離的不斷增大，復(fù)雜環(huán)境中深埋鋼頂管的受力特性已成為設(shè)計施工中的關(guān)鍵難點，包括管道斷面受力變形、縱向頂力控制和大口徑薄壁管穩(wěn)定特性等，也影響了鋼頂管的壁厚優(yōu)化與施工控制。本文采用數(shù)值分析和室內(nèi)模型試驗等

2、手段，研究大直徑鋼頂管的土壓力分布、管土摩阻力、曲線鋼頂管受力和鋼頂管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，主要研究內(nèi)容和成果如下。
　　(1)采用平面應(yīng)變有限元方法模擬鋼頂管施工過程中的管土相互作用，研究鋼頂管的變形特征及其土壓力分布的變化規(guī)律。分析表明：鋼頂管由于徑厚比大、環(huán)向剛度小，施工中產(chǎn)生豎向壓縮而水平拉伸的橢圓變形，徑向變形量約為管徑的2~3‰，從而引起土壓力重分布。鋼頂管自重較小，下方土體的卸荷回彈會削弱上覆土層的土拱作用，使管頂土壓力大于考

3、慮土拱效應(yīng)的理論值，且上覆土壓力與基底反力的差值較小。鋼頂管水平拉伸變形引起管側(cè)土體抗力，使管道側(cè)向土壓力增大，其分布與發(fā)展接近于盾構(gòu)側(cè)向土壓力。因此，鋼頂管外土壓力分布具有均勻化趨勢，在管道埋深直徑比(H/D)較大時更為明顯。
　　(2)結(jié)合鋼頂管施工的工藝特點，研制一套能模擬管道頂進(jìn)與注漿減阻的試驗系統(tǒng)，通過模型試驗研究管土摩擦特性和注漿減阻效果。試驗系統(tǒng)采用大小管模擬頂管與掘進(jìn)機的尺寸差異，并配置注漿控制、頂力控制和自動測試

4、三大系統(tǒng)。頂管機頭與管道尺寸差異所產(chǎn)生的施工間隙會引起土拱效應(yīng)及卸荷作用，從而減小鋼頂管的管土摩阻力，測試結(jié)果表明，無注漿條件下的管土摩擦系數(shù)略小于經(jīng)驗值的下限。注漿可大幅減小管道頂進(jìn)的摩阻力，不同配比的減阻泥漿可將管土摩阻力減小至未注漿時的10~40％。泥漿充分發(fā)揮減阻作用的前提是泥漿套形成，砂土中形成良好泥漿套的注漿量約為理論注漿量(施工間隙體積)的3~4倍。
　　(3)采用數(shù)值方法分析曲線頂管中焊接曲線鋼頂管與承插式管道的受

5、力特性及容許曲率半徑。分析表明，焊接式鋼頂管不適用于小曲率半徑的曲線頂管，其最小曲率半徑主要受曲線段長度與管徑的影響，當(dāng) L/D(管道長徑比)大于30時，最小曲率半徑建議為80倍管長；當(dāng)L/D小于30時，最小曲率半徑建議為2400倍管徑。在鋼頂管曲率半徑較小時，應(yīng)采用承插式接頭。承插式鋼頂管最小曲率半徑為單節(jié)管長與接頭容許轉(zhuǎn)角之比，容許轉(zhuǎn)角主要受接頭幾何尺寸(木墊片厚度、內(nèi)外壁間隙與接頭長度等)影響。
　　(4)首次研究鋼頂管施工

6、過程中的穩(wěn)定特性，將管土共同作用下的鋼頂管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題簡化為鋼管屈曲分析，由有限元分析得到鋼管彈性屈曲模態(tài)，再以初始缺陷形式引入彈塑性屈曲分析。通過均布圍壓和均布軸壓下計算結(jié)果與理論解的對比，驗證分析方法的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，研究偏心軸壓及不同施工荷載組合作用下的鋼頂管穩(wěn)定性，探討鋼頂管的屈曲模態(tài)和不同參數(shù)的影響規(guī)律。分析表明，圍壓與摩阻共同作用下，管道在摩擦系數(shù)μ較小時呈圍壓屈曲形態(tài)，在μ較大時表現(xiàn)為壓桿屈曲形態(tài)，μ的增加會導(dǎo)致極限屈

7、曲摩阻力急劇下降。圍壓、迎面阻力和摩阻力共同作用下，鋼頂管的屈曲頂力在圍壓較小時隨著圍壓的增大而提高。當(dāng)圍壓接近管道屈曲圍壓時，鋼頂管軸向承載力急劇下降。
　　(5)結(jié)合某鋼頂管工程實例，應(yīng)用上述研究結(jié)果對復(fù)雜環(huán)境下鋼頂管的受力與穩(wěn)定特性進(jìn)行分析。研究外部高水土壓力作用下鋼頂管的受力變形，探討其發(fā)生過大變形和局部屈曲事故的原因，進(jìn)而提出并評估管道加固和注漿減阻等不同工程技術(shù)措施，并針對工程中曲線段頂管的曲率半徑及中繼間布置提出指導(dǎo)