1、水暖电 ：钢管在超长距离排海管中的应用收稿日期：作者简介：曹志杰（），男，正高级工程师，从事给排水结构研究曹志杰（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 ）摘要：以某排海管工程为例，对 和 钢材在超长距离顶管中的应用做了比较，在钢管应力和变形计算的基础上，对两种材料钢管壁厚进行了比选，对钢管在反复顶力作用下的应力变化进行了分析，论证了 钢材在超长距离顶管中的优势，且不必考虑疲劳应力的影响。关键词：钢；顶管；排海管；超长距离中图分类号：文献标识码：文章编号：（）钢顶管的发展具有悠久的历史，现代社会最早关于顶管技术记载的工程是在 年 年间为美国北太平洋铁路公司敷设的穿越铁路的铸铁管。从 世
2、纪 年代起，英国、法国、日本、德国等国家相继采用了钢管顶管施工技术，日本在 年代以后大力发展了现代化的顶管技术，如长距离顶进时采用中继间等。我国顶管施工法的起步略晚于西方发达国家，初期发展缓慢，近 年间发展速度很快。我国最早 在 年，北 京 运 用 手 掘 式 顶 管 技 术（内 径 ）穿越了京包铁路，开创了国内应用顶管技术的历史 。近 多年来，我国完成了多项大口径长距离钢顶管工程，详见表 。表 近年来长距离钢顶管工程主要案例序号年度工程名称管道口径壁厚 管材顶进长度 丹阳市长江黄岗取水管延伸工程 汕头市第二过海顶管工程 黄浦江上游水源地连通管工程 镇江大港水厂一期工程 第四条对澳供水管道工程
3、 过马骝洲、十字门河道顶管工程 平岗 广昌原水供应保障工程磨刀门顶管段 阳澄湖饮水工程 福建省平潭及闽江口水资源配置工程 从上述案例可以看出，大部分长距离钢顶管采用了 钢 材，近 年 来 才 有 个 别 工 程 开 始 采 用 了 钢材。和 钢管材料比较 钢材属于碳素结构钢，钢号冠以“”，代表钢材的屈服点，表示质量等级。钢材属于低合金 高 强 度 结构 钢，新 修 订 后 的 国 家 标 准 低合金高强度结构钢已于 年 月实施，用 钢材取代了 钢材，由此，我国钢结构全面进入高强钢焊接时代，这也是我国钢材与国际接轨的重大举措 ，和 钢材成分和性能比较见表 。表 和 钢材成分和性能比较表 钢材牌号
4、标准质量等级碳含量微量元素屈服强度伸长率冲击吸收功 ，（厚度 ）（厚度 ）（），（厚度 ）（纵向）（横向）（纵向）（横向）注：碳当量 。从表 可以看出，这两种钢材化学成分和物理力学性质明显不同，主要体现在：）屈服强度有明显不同：的屈服强度下限为 。的屈服强度下限为 。比 钢材强度高。但是，随着材质厚度的增加，它们的屈服值都会减小。）两者化学成分不同：钢中含有少量合金元素。由于合金元素的作用，低合金高强度结构钢屈服强度比相同含碳量的碳素结构钢高 ，用低合金高强度结构钢代替碳素结构钢使用，可以减轻结构自第 卷 第 期年 月 山西建筑 重，节约金属材料并延长结构使用寿命。）两者焊接性能不同：钢板由于
5、回火稳定性差，碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高。钢不用预热也不需缓冷，但厚度大于 时需预热 左右，一般用 就可以焊，如果韧性好些的话，也可以建议用 。）两者价格不同：价格上 稍贵点，价格相差 ，所以，选用时可从以上几点综合考虑。如果设计的结构是强度控制，可考虑采用 ，因为 比 钢材强度高，省材料，比 省 ；如果是稳定性控制，可考虑采用 。钢顶管结构分析 工程概况根据排海管线路设计，本工程钢管口径为 ，顶进距离为 ，钢管最大覆土为 ，地下水位取 ，顶管基本位于第层灰色
6、淤泥质粉质黏土层，管顶覆土的内摩擦角取为 （管顶土的加权平均值），管顶覆土的黏聚力 （取管顶土的最小值），管周原状土的变形模量 ，管道闭合温差 ，管道工作内水压力标准值 ，管道真空压力标准值 。地质参数见表 。表 地质参数表土层名称重度 （）抗剪强度 （）渗透系数 （）吹填土（粉质黏土夹黏质粉土）吹填土（黏质粉土夹粉质黏土）淤泥质粉质黏土 黏质粉土 黏质粉土夹粉质黏土 淤泥质黏土 淤泥质粉质黏土 粉砂夹粉质黏土 砂质粉土 粉质黏土 粉质黏土 计算公式计算采用 给水排水工程管道结构设计规范选用理论，该理论认为管体的受力条件类似于“沟埋式”敷管，管顶覆土的变形大于两侧土体的变形，管顶土体重量将通过
7、剪力传递扩散给管两侧土体，据此给出折算强度的计算公式，详见式（）：槡（）其中，为钢管管壁横截面最大环向应力，；为钢管管壁纵向应力，；为钢管管壁的最大折算应力，；为应力折减系数，可取 ；为钢管钢材强度设计值，。计算结果分析根据上述条件，曲率半径按 ，取不同钢管计算壁厚（，），计算得到最大折算应力和变形百分率（见图 ，图 ）。?从图 ，图 可以看出，覆土 条件下，钢管的应力和变形均比覆土 条件下计算结果大，总体上，随着壁厚增加，最大折算应力和变形减小，但是应力减小的幅度不大，所以从经济上看，不推荐通过增大壁厚来减小钢管应力。从计算结果看，如果采用 钢材（强度设计值为 ），壁厚需要 才能满足强度要求
8、，采用 （强度设计值为 ）的话，壁厚 均满足强度要求，考虑到超长距离顶管的顶力和纠偏不确定性，对 （壁厚 ）和 （壁厚 ）进行比较（见表 ）。表 钢管内力变形和稳定计算表钢材 设计强度（）内径 计算壁厚 环向应力（）纵向应力（）折算应力（）稳定系数（）变形（）从表 计算结果可以看出，如果采用 ，钢管截面的折算应力都偏大，不能满足规范要求。采用 钢材能有效提高截面强度安全系数和稳定安全系数，壁厚可以减薄，具有一定的经济性。第 卷 第 期年 月曹志杰：钢管在超长距离排海管中的应用 超长距离排海管反复顶力分析顶管在千斤顶周而复始的顶力作用下持续前进，随着顶管距离的增加，这种反复顶力作用的次数也相应增
9、加，那么这种反复荷载作用是否会引起钢管结构的疲劳作用呢。规范对钢顶管按照静止荷载计算钢管截面应力，考虑钢管环向应力、纵向顶力、纵向弯曲以及闭合温差的影响，未考虑顶力作用。实际上钢顶管在顶进施工时，处于顶进油缸推力、管外侧土摩擦力和工具头顶面压力的挤压中；而在管道吊装和焊接过程中，井内油缸顶力释放，钢管处于土摩擦力和工具头顶面压力的共同作用。这两种受力状态每个千斤顶行程重复一次，所以钢管实际处于反复荷载作用下，考虑顶管实际推进速度比较缓慢，可以近似看做是静力作用。顶管顶进工况见图 ，顶管吊装焊接工况见图 。?根据上图考虑纵向受力平衡，对顶管顶进工况由式（）式（）计算：（）（）（）对顶管吊装焊接工
10、况由式（）式（）计算：（）（）（）（）其中，为顶管顶力，；为顶管管周侧摩阻力，；为顶管工具管端面阻力，；为顶管当前顶进长度，；为计算点距离顶管工具管距离，；为顶进工况计算点轴力，；为吊装焊接工况计算点轴力，；为顶进工况计算点应力，；为吊装焊接工况计算点应力，。整个顶管长度为 ，主顶千斤顶最大行程为 ，反复荷载的次数跟管材所在位置（这里计作 ）有关，假定千斤顶平均行程为 ，则反复荷载作用不超过 次。这里取 （，）和 （，）两个点讨论，前者位于顶管开始阶段，顶进距离较短；后者位于顶管结束阶段，已顶进距离较长。通过计算可以得到结果如图 ，图 所示。?从图 和图 中可以看出，位于顶管线路前端的钢管（如
11、 ）应力水平比较小，顶进工况的应力保持不变，接管工况的应力随着顶管进程逐渐增加，但是增加的幅度很小。位于顶管线路尾端的钢管（如 ）应力水平较高，顶进工况的应力保持不变，接管工况的应力随着顶管进程逐渐增加，但是增加的幅度很小。处的应力计算表格见表 ，处的应力计算表格见表 。表 处的应力计算表格 频次 次 表 处的应力计算表格 频次 次 根据表，表可以看出，处于顶管前端的管节，顶力造成的应力变化幅度较小，比如 处，频次相对较多（次）；而位于顶管尾段的管节，顶力造成的应力变化幅度较大，比如 处，但 频 次 相 对 较 多（次）。根据 钢结构设计标准重复次数少于 次，可不进行疲劳计算。为了更好地反映顶
12、管应力变化、计算点位置和作用（下转第 页）第 卷 第 期年 月山西建筑 参考文献：中铁第六勘察设计院 河西车辆段 圣佛寺站区间施工图 天津：中铁第六勘察设计院，住建部 地下铁道工程施工质量验收标准：北京：中国建筑工业出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 盾构法隧道施工及验收规范：北京：中国建筑工业出版社，（，）：，：；櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 （上接第 页）频次的关系，取不同计算点位置 ，计算其应力变幅度和作用频次，详见图 。?结语本文结合 超长距离排海管顶管实例，分析了超长距离钢
13、顶管材料选择和反复荷载下顶管内力，得出主要结论如下：）过去一些超长距离顶管案例中，大部分长距离钢顶管采用了 钢材，近年来才有个别工程开始采用 钢材。）在覆土较深的长距离排海管中，壁厚往往是管道结构强度控制，这种情况下选用 更合理。）顶管管材处于反复荷载作用下，顶管线路前端的管节应力变化水平比较低，顶管线路尾端的管节应力变化水平较高，但是总体频次不高，可考虑疲劳作用。参考文献：王作民，曹玉萍，许大鹏，等 大口径钢顶管的壁厚研究 上海：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，陈浩，张晓 钢焊接性及其与 钢焊接技术的关键比较 电焊机，（）：冶金工业信息标准研究院 碳素结构钢：北京：中国标准出版社，鞍钢股份有限公司 低合金高强度结构钢：北京：中国标准出版社，（），）：，：；第 卷 第 期年 月山西建筑
