曲线顶管初探

曲线顶管初探

王承德

摘要本文对曲线顶管的最重要参数——最小曲线半径进行了探讨,得出最小曲线半径与管

段长度、管径成正比,与木垫片厚度成反比的关系。另外还指出曲线半径还受土体承载力的制约,要防止管道在施工中发生纵向失稳。关键词顶管曲线顶管

曲线顶管是顶管的前沿技术,只有当顶管被工程界广泛采纳后才会提出曲线顶管问题。目前曲线顶管各国尚处于研究发展阶段,有些曲线目前已能施工,有些曲线还不能。例如弯曲半径太小,有可能造成管道失稳,管道裂缝等严重后果。曲线顶管多用于旧城区的改造,旧城区马路弯曲,管道一般沿马路敷设,这就需要采用曲线顶管。另一种情况是过江过河的混凝土顶管,有时为了减少投资,把管轴线设计成倒虹管或者抛物线形状,这也需要采用曲线顶管。曲线顶管比较适合于混凝土管。曲线顶管用于钢管,则需要很大的弯曲半径,而且必须有中继环。

管道的弯曲半径的大小与土质、管径、顶力有关。土体承载力高,弯曲半径可以小一点;反之,承载力低,弯曲半径要大一点。管道口径大,弯曲半径要大一点;反之,管道口径小,弯曲半径可以小一点。管段较长,弯曲半径要大一点;反之,管段较短,弯曲半径可以小一点。施工顶力较大,弯曲半径要大一点;反之,顶力较小,弯曲半径可以小一点。

一、混凝土管最小弯曲半径分析

最小弯曲半径时忽略土体承载力和施工顶力影响,仅就管道口径大小、管段长度、木垫片的厚度三者与最小弯曲半径的关系进行分析。曲线顶管的轴线,从宏观上看是曲线,实际上是折线,是多边形的一部份,多边形的边就是管段长度。从图1可知多边形的边、角、半径有如下关系:

α=l/R

式中α—中心角(弧度);

l—边长;

R—多边形外切圆半径。

曲线顶管中把管段的长度看成是多边形的边,管段对应的中心角就是多边形的中心角,管轴线就是多边形的外切圆。

假设管道内径为d,壁厚为t,管段长度为l,木垫片厚度为b,并假设管道壁厚是内径的1/10,木垫片允许最大压缩率是50%。

即t=d/10

S=b?50%

从图1可知,管段间的转角与管段对应的中心角相等。则曲线的最小弯曲半径可按下式计算:

Rmin=l(d+2t)/（b-s）或Rmin=12ld/5b

式中Rmin—最小弯曲半径(m);

l—管段的长度(m);

d—管道内径(m);

t—管道壁厚(m);

b—木垫片厚度(m);

s—木垫片最小压缩高度(m)。

由上式确定的不同管径混凝土管的最小弯曲半径见

表1。弯曲半径太小,会使管段上应力过于集中,使管道混凝土

裂缝。这是要力求避免的。

二、钢管顶管的最小弯曲半径

无中继环的钢管不能用于曲线顶管。钢管曲线顶

管的最小弯曲半径的大小主要取决于中继环布置的

间距和中继环的允许转角。目前钢管顶管沿用的老式

中继环允许转角很小,因此不宜用于曲线顶管。组合

密封中继环研究成功后,允许中继环有较大的转角,

因此可用于曲线顶管。已知中继环的允许转角和间距,

钢管管道的最小弯曲半径可按下式计算:

Rmin≥L/2sin(kα/2)

最小弯曲半径参考值单

位:m 表1

说明:

1.假定土体有足够的承载力。

2.假定顶力在允许范围内。

3.表中未考虑施工偏差对弯曲半径的影响。式中

Rmin—最小弯曲半径(m);

α—中继环的允许转角,取α=1°;

k—系数,k=0.5;

L—中继环间距(m)。

如果中继环间距L=60m,则弯曲半径Rmin≥6875m。

三、管道的侧向力

曲线顶管的顶力可分成轴向力和侧向力两部分,下面分析作用在管段上的侧向力的大小。由图2可知,折线转向角δ是∠ABC的补角。

因为∠ABC=2β所示

δ=180-2β

α=180-2β

δ=α

假设忽略管壁摩阻力,并假设AB管段的轴向顶力是P1,则BC管段的轴向顶力和侧向分力是

p2=p1ctgα

p′2=p1tgα

式中p2—下一管段的轴向顶力;

p′2—下一管段的侧向分力。

由此可见,曲线顶管存在侧向分

力,因此要验算土体的承载力。如果

承载力不够,管轴线会因此失稳,侧

向分力使管道靠向曲线外侧,并作用

在土体上,还会使管道的顶进阻力增

加。因此曲线顶管在顶力配置时要考

虑管道摩阻力增加的因素。

已知弯曲半径R和管段长度l,

就可以求得α。根据轴向顶力的大小,就可求得侧向分力。再根据μ值,即可求得管段的附加摩阻力。

四、顶力的调正

曲线顶进时,管段的允许顶力要折减。折减系数与管段转角有关,混凝土管还与木垫片的弹性模量、木垫片的厚薄有关。曲线顶管不但会使混凝土管的允许顶力下降,而且还会使管道总顶力增加。如果中继环设计顶力不变,则曲线顶管中继环的数量要比直线顶管多。

管道进入曲线段,管段间的顶力传递面靠向曲线内侧(见图2),因此中继环进入曲线段后顶力要调正,使中继环的顶力合力中心与其他管段传力一致。调正的办法是曲线外侧的中继油缸要封住,即部份油缸不使用。停用油缸数量可通过计算。最简单的办法是,观测中继环转角有无变化。转角增加,表示要增加停用的油缸,

合力中心还要靠向曲线内侧;转角减小,表示停用的

油缸太多了,需要减少;只有当转角不增不减,或者变化不大时,认为调正是正确的。

中继环的顶力调整降低了中继环的实际使用顶力,因此中继环的允许使用顶力还要比设计顶力低,顶力配置时要考虑这一因素。

五、曲线顶管的超挖

曲线顶管,要求直线形的管段沿圆弧移动(见图4),因此必然要超挖。超量大小与弯曲半径、管道直径、管段长度有关。超挖量可按下式计算:

式中m—半径方向超挖量(m);

R—弯曲半径(m);

D—管道外径(m);

l—管段长度(m)。

例如管道外径 2.4m,管段长2.5m,弯曲半径400m,则:

可见混凝土曲线顶管中存在超挖的问题。对硬土来说这是曲线顶进的需要,否则管段很难转向,摩阻力也会因此而增加。对于软土情况就会好一些。所以在硬土中顶管,要考虑超挖的方法。但钢管顶管因为设计的弯曲半径很大,超挖量就很小,可以忽略不计。

六、曲线顶管测量

曲线顶管的测量是曲线顶管的关键技术问题。曲线顶进时因管内外无法通视,因此必须改变常规的施工测量方法,经纬仪必须进管。但管道在施工过程中是不断向前移动的,因此测站的座标也是在不断变化的。要在测站座标不断改变的情况下,随时随地指出管道前进方向,这就是曲线顶管中管道定向测量要解决的中心问题。

解决的办法有2个:

1.管道内布置多台全站仪,依靠全站仪的优势,在短时间内通过计算机确定每站经纬仪的方向,指出管道顶进方向。这一方法实质上是经纬仪导线法,方法可行但成本高。

2.管道内设置一台普通经纬仪,一个觇标,2者均布置在工具管的后部。工具管上的标尺、经纬仪、后视觇标3者间保持一定的距离,并与管道固定,随管顶进而跟进。经纬仪、后视觇标的中心坐标是根据事先测定的实际管轴线计算所得,工具管上的测点座标查设计轴线可得。依靠这3者的关系就可算出管道的顶进方向,并由经纬仪指向。管轴线的测定需要一台全站仪,管道每顶进数10m,测定一次工具管后的管轴线,并输入计算机。施工中可以根据顶进距离,推算出3者的即时坐标,通过计算机的运算,就能指出工具管顶进方向。采用这一方法,速度快、成本低,使用人力少。

上面分析了曲线顶管中的6个主要问题,还很肤浅,尚需各方面共同进一步研究完善。