顶管法热力隧道钢筋混凝土管设计研究

徐星辉

摘要：随着我国经济发展水平的不断提高，隧道工程建设取得了显著成果，钢筋混凝土管是主要施工材料，其性能及质量直接影响到工程整体稳定性及质量。其中，机械顶管施工具有安全性高、自动化程度高等优势在隧道工程中应用日趋增多，取得了显著应用效果。本文将具体分析热力机械钢筋混凝土顶管变形及力学特性，并通过实际工程验证，将科学的设计方法总结出来，以进一步提高使用安全性。

关键词：隧道施工；顶管法；力学特性；设计方法

1.温度水压现场试验

1.1试验管道设计

此次试验应用到的混凝土管有两根，都是DN2200型号的，而选用的混凝土为C50级，冷轧带肋钢筋作为此次试验用钢筋，接口形式为钢承口，使用遇水膨胀橡胶圈，为保证密封效果，设置了两道这种橡胶圈。采用耐高温、性能良好的材质制作而成的橡胶圈可以保证密封效果。顶管内直径Do=2230mm、管壁厚度t=230mm、单根管节长度为L=3500mm。轴向抗压及抗拉强度设计基准值分别为fc=24.5N/mm2、ft=1.95N/mm2。钢筋强度基准值fy=370N/mm2。

1.2布置测点

布设应变计在管道径向与轴向处，对管道内力与变形情况进行测试。在这之前，安装了位移百分表在两节混凝土管接口处。

1.3试验工况

准备98℃的备用热水，在五种不同温度条件下进行试验，记录试验结果。分别为95℃、80℃、60℃及40℃。当温度恒定，水充入顶管后，开始加压试验，0.15MPa的设计压力值；对管道接口变形情况及管道压力、变形情况分别观察并记录。

通过以上试验及相应的理论计算，最终将以下结论得到：（1）以60℃为分界点，该温度之前，管道结构温度场布影响1/8的管道壁厚区域，该温度之后，整体壁厚区域均受影响。（2）管道轴向最大变形量为0.90mm，最大经向变形量为0.92mm。（3）内环最大压力应力为0.47N/mm2，比混凝土抗压强度标准值低；实测了外环最大拉应力为1.05N/mm2，同样比混凝土抗拉强度标准值低。与承载能力要求相符，测得的结构内力。（4）热力顶管内部压力0.16MPa，温度变化幅度42℃~85℃间，与正常使用要求符合，对于结构内力变化及变形来说。

2.理论计算

当前，虽然热力顶管施工日趋普遍，但是仍凭借经验施工，缺乏可参考的、科学的理论依据与技术指标。为此，此次理论计算参考其他设计规范标准，即《城镇供热管网结构设计规范》，因为该规范指导热力顶管施工比较具有说服力，混凝土强度值、弹性模量值这两个指标需要折减，依据是当温度超过20℃的时候，说明了不同温度变化下，需要折减不同大小的值，比如，受热温度20℃，轴向抗压强度及抗拉强度折减系数均为1.0，而受热温度60℃时，折减系数均为0.85。混凝土及钢筋弹性模量取值详见表1。

表1计算参数

最终显示，实际测量值与理论计算值基本一致，温度与管道变形存在正相关，60℃~80℃之间的温度变化，管道变形越明显，超过80℃，变形率反而下降。

3.工程设计

3.1工程概况

某隧道工程总长度为1750m，顶管内径、顶管覆土厚及埋深分别为2.5m、7.2m及5m；土层为粉质土层及细砂土层；经勘查地下水2层，上层滞水埋深及潜水静止水位埋深分别为2.63~7.02m、11.52~16.20m。

3.2管节结构设计

该工程设计管节长度及壁厚分别为235mm及4m，采用C50混凝土。结合热力工程特点、温度应力、轴向固定推力、支墩作用力等，同时考虑到外部荷载因素进行结构的核算，保证核算准确、规范。

3.2.1温度应力

设计按地沟内最高温度，即90°考虑，混凝土轴线抗压强度折减后为17.52N/mm2，1.40N/mm2的轴心抗拉强度，弹性模量为2.562×104N/mm2.。

3.2.2固定支架作用力

支架作用力也要优化设计，保证控制在标准内，通常设计过程中，不会超过550kN，让固定支架推力，但如果因设计不当使得支架推力超出规定标准值，则要重新构造连接部位，主要指固定支架与顶管连接部位。保证均匀传到顶管壁上让固定支架推力。鉴于轴向固定推力低于顶管施工中管口承受的顶力，由此，此次工程顶管轴向推力核算与标准要求符合。

3.2.3导向支架作用力

管顶纵向截面混凝土抗拉强度与管底保持平衡状态，这样一来，应力分布变得更加均匀。此时需要计算得到混凝土的抗拉应力，即0.035N/mm，低于允许应力，即1.87N/mm。实际上，焊接到了一起将支架与预埋顶管管节钢环，形成了一个整体与混凝土管节，密实度达到规定标准后，对于回填土来说，就可以分担导向支架作用力，减轻导向支架负荷。

3.2.4顶管配筋相关参数计算

对顶管配筋的各项参数进行计算，包括内径、环数、螺距等，计算均参照了相关规范标准。顶管配筋计算要在土体的荷载计算基础上进行，保证计算精准度，同时对顶管结构最大裂缝宽度进行测算。验算结果详见下表2。

表2顶管结构内力及配筋计算结果

3.3应用效果

此次工程完工时间为2016年底，12000~15000kN是施工时最大顶力。通过现场监测，该顶管结构强度下，吊装、运输及顶进施工均能顺利完成，并且管体没有发生侧向位移、变形及轴向位移与变形问题。

结语

总之，钢筋混凝土管是隧道工程中必不可少的材料，其性能直接影响到工程质量。近年来，顶管结构热力工程的相关研究日趋深入，本文主要开展了温度水压现场试压，通过开展现场试验得到试验数值，并与理论计算数值对比，从而找到顶管结构热力工程特定环境温度下对结构应力变化产生的影响。同时，基于试验结果，探究了顶管法热力混凝土管在具体工程中应用效果，工程实践显示，有效解决顶管内固定支架及导向支架推力问题，通过优化的设计。同时，应用在热力行业将机械顶管技术，可以帮助降低工程造价、加快施工进度，总体的应用稳定性及安全性较高。

参考文献：

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