连接构造对混凝土管节接头受力特性影响研究

钟祖良，李 洋，刁小军

（1.重庆大学土木工程学院，400045，重庆；2.库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心（重庆），400045，重庆）

管节接头是顶管工程中连接前后管节的关键结构，由相邻管节的端部、衬垫、套环和密封橡胶圈等部分组成。相较于管节本身，接头处是管道的薄弱部位，顶管工程中的绝大多数破坏都是发生在接头位置。顶管接头的受力特性关乎顶管的结构安全和正常使用，为了探究衬垫和套环的材料参数及尺寸对顶管接头受力特性的影响，基于重庆市观景口水利枢纽2号无压隧洞顶管工程建立了数值分析模型，根据衬垫和套环的厚度、泊松比、弹性模量的不同设置了多种工况，获得接头承口、插口以及套环轴向应力在不同衬垫及套环参数下的变化规律，基于分析结果为顶管接头衬垫和套环的材料选择和尺寸设置提出设计建议。

一、工程概况

观景口水利枢纽2号无压隧洞为里程桩号K3+385～K4+526，隧洞埋深变化范围4～210 m。2号隧洞穿越的岩层主要是砂岩、泥质砂岩、泥岩和部分石灰岩，沿线存在岩溶、断层及破碎带等不良地质条件。

本段隧洞采用硬岩顶管施工方法，使用定制的泥水平衡型顶管机。顶管机最大开挖直径3.22 m，主顶系统可以实现2100t的极限顶力，中继间可实现1700t的极限顶力。该工程配套的顶管管节内径2.65 m，外径3.17 m，管节厚度0.26 m，单管管长2.5 m。

二、数值模型的建立

1.模型尺寸与材料参数

本顶管工程采用的顶管接头结构构造如图1所示。单个顶管接头结构主要由前一根管节尾部的承口、后一根管节前部的插口、管节间的柔性衬垫、锚固于管节承口的套环以及黏结于插口凹槽处的两道止水密封橡胶圈组成。衬垫为多层胶合板材料，厚度为20 mm，每个接头环面上布设6块首尾相接的垫片。套环采用钢材制造，长度为332 mm，厚度为12 mm。

图1 顶管管节接口示意

数值分析采用ABAQUS软件建模，由于管节接头构造复杂，对建立的模型进行了必要简化：

①对于插口端楔形橡胶圈和承口端遇水膨胀橡胶圈，由于其在无压管道中压缩率很小，对接头受力的影响不大，因此不对橡胶圈进行建模。

②顶管接头包含前后两根管节的端部，数值模型按两根完整管节建立，管节按照上述实际尺寸进行1∶1建模，材料参数按C50混凝土取值。

③数值模型研究的重点是衬垫及套环的厚度、泊松比、弹性模量对管节接头受力特性的影响，因此衬垫和套环的建模参考实际构件的尺寸和材料参数设置了多种工况。

2.模型荷载及接触设置

顶管在顶进过程中管节外壁受到周围岩土体的作用力，主要包括管周土压力和侧壁摩阻力。常见的土压力计算理论有土柱法、太沙基理论、马斯顿理论、普氏理论公式。考虑到现场管道大多处于深埋且围岩体较为破碎，可采用普氏理论计算土压力。根据工程现场情况，岩石重度取值为25.6 kN/m3，强度取值为25 MPa，内摩擦角取值为30°，黏聚力取值为0.5 MPa。根据普氏理论计算得塌落拱高度为1.366 m，竖向荷载计算结果为34.97 kPa，侧压力系数取0.5，土体侧压力顶部为17.5 kPa，地基反力为竖向荷载+自重。

考虑到管节在顶进过程中会受到摩阻力，其值对于确定管节受力状态具有实际意义。根据已有的工程实践经验，在注浆的情况下管节与岩土体的摩擦系数取值通常在0.07～0.1范围内，可取近似值为0.1。

钢套环与管节承口端的连接方式是焊接，故模型中套环与承口间的连接方式设置为刚性连接。衬垫紧密贴合在管节承口端，两者之间同样设为刚性连接。在实际顶进时，后一根管节向前顶进，其前端插口与前一根管节的承口端上的衬垫和套环直接接触，在数值模型中将插口与衬垫、套环之间设置接触面，接触方式为硬接触。在模拟顶管顶进过程时，对前一根管节的端部采用固定约束，对后一根管节端部施加顶力，采用耦合约束的方式施加荷载。

3.模型的建立

有限元分析模型将管道、承插口、衬垫、套环进行网格划分，模型节点数为30498个，单元总数为21432个。

三、衬垫对混凝土顶管接头受力影响分析

1.衬垫厚度的影响

为了探究衬垫厚度对顶管接头受力特性的影响规律，根据衬垫厚度的不同设计了7种工况。衬垫厚度分别取0、4mm、8 mm、12mm、16 mm、20mm和24 mm，衬垫的泊松比和弹性模量保持不变，泊松比为0.25，弹性模量为1 GPa。对管节端部施加1 500 t轴向顶力，获得顶管接头处的受力情况，提取出7种工况下接头承口、插口以及套环的最大轴向应力，并绘制接头轴向应力随不同衬垫厚度变化的规律曲线。

根据规律曲线分析可知，当衬垫厚度从0增大到24 mm时，混凝土顶管承口、插口以及套环最大轴向应力分别减少了16.3%、19.2%和27.8%。衬垫厚度的增加显著改善了混凝土顶管接头的受力状况。特别是衬垫厚度在0～16 mm范围内增大时，承口、插口以及套环轴向应力减小最为迅速。但当衬垫厚度超过16 mm后，随着衬垫厚度的增加，接头结构轴向应力的减小幅度不大。另外，衬垫厚度对套环的轴向受力影响明显大于对承插口的影响。根据上述分析得出的承插口以及套环随衬垫厚度变化规律，对于类似工况下的顶管接头，建议衬垫厚度取值范围为10～16 mm。

2.衬垫泊松比的影响

为了探究衬垫泊松比对顶管接头受力特性的影响，根据衬垫泊松比的不同设计了8种工况，分别取衬垫泊松比为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4，衬垫的厚度为12 mm和弹性模量为1GPa。根据计算结果绘制接头轴向应力随衬垫泊松比变化的规律曲线。

根据规律曲线分析可知，当泊松比在0.05～0.4范围内时，混凝土顶管承口、插口以及套环最大轴向压应力随着泊松比增大分别增加了12.1%、14.7%和25.4%。较小的泊松比对改善混凝土顶管接头受力情况有利，且衬垫泊松比对钢套环轴向受力的影响明显大于对承插口的影响。当泊松比在0.05～0.3范围内增大时，承口、插口以及套环轴向应力增大迅速，承口增加了11.1%，插口增加了12.9%，钢套环增加了21.8%；当衬垫泊松比超过0.3时，随着衬垫泊松比增加，承插口以及钢套环轴向应力增大变缓。

3.衬垫弹性模量的影响

为了探究衬垫弹性模量对顶管接头受力特性的影响，根据衬垫弹性模量的不同设计了8种工况，分别取衬垫弹性模量为0.5GPa、1GPa、1.5 GPa、2 GPa、2.5 GPa、3 GPa、3.5 GPa、4 GPa，衬垫的厚度为12mm和泊松比为0.25。根据计算结果绘制接头轴向应力随衬垫弹性模量变化的规律曲线。

根据规律曲线分析可知，衬垫弹性模量在0.5～3 GPa范围内增大时，混凝土顶管承口、插口、套环轴向应力分别增加了16.1%、17.2%和28.5%。当超过3 GPa时，随着衬垫弹性模量增加，承插口以及套环轴向应力增大变缓，且在衬垫泊松比对套环的轴向受力影响大于对承插口的影响。

四、套环对混凝土顶管接头受力影响分析

1.套环厚度的影响

为了探究套环厚度对顶管接头受力特性的影响，根据套环厚度的不同设计了7种工况，套环厚度分别取3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、18mm和21 mm，套环的泊松比和弹性模量分别取0.2和210 GPa。根据计算结果绘制接头轴向应力随套环厚度变化的规律曲线。

根据规律曲线分析可以看出，套环厚度从0增加到24 mm，混凝土顶管承口、插口以及套环最大轴向应力分别减少了9.4%、11.5%和21.7%，在0～15 mm范围内减少迅速，且套环厚度对套环的轴向受力影响明显大于对承插口的影响，考虑到实际施工，建议套环厚度取10～15 mm。

2.套环泊松比的影响

根据套环泊松比的不同设计了7种工况，分别取衬垫泊松比为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35和0.4，套环的厚度为12mm和弹性模量为210GPa。根据计算结果绘制接头轴向应力随套环泊松比变化的规律曲线。

根据规律曲线可知，混凝土顶管承插口、套环轴向应力大小随着泊松比增大而减小。套环泊松比在0.05～0.3范围内增大时，承口、插口以及套环轴向应力减小迅速，分别减小了5.9%、8.5%和25.1%，当泊松比超过0.3后，其改善作用明显减弱，且套环泊松比的改变对套环受力情况的影响远大于承口和插口。

3.套环弹性模量的影响

根据不同的套环弹性模量设计了7种工况，分别取套环弹性模量为200 GPa、205 GPa、210 GPa、215 GPa、220 GPa、225 GPa和230 GPa，套环的厚度为12 mm和泊松比为0.25。根据计算结果绘制接头轴向应力随套环弹性模量变化的规律曲线。

根据规律曲线可知，混凝土顶管承口、插口、套环轴向应力大小随着混凝土顶管套环弹性模量的增大，最后分别增加了8.7%、12.1%和28.4%。在200～220 GPa范围内，承口、插口以及套环轴向应力增大迅速，分别增加了7.4%、10.9%和25.3%，当衬垫弹性模量超过220 GPa时，随着套环弹性模量增加，套环轴向应力增大明显变缓。

五、结 论

依托观景口水利枢纽工程，采用ABAQUS有限元软件对混凝土顶管接头进行数值建模分析，研究了衬垫和套环的厚度、泊松比及弹性模量等尺寸和材料参数对顶管接头受力特性的影响，得出以下结论：

①在0～16 mm范围内，衬垫厚度的增加可有效降低接头最大轴向应力。在衬垫厚度超过16 mm后，衬垫厚度的增加对改善接头受力状况的作用开始减弱。为充分发挥衬垫缓冲作用，建议工程中衬垫厚度不宜小于16 mm。

②在衬垫泊松比0.05～0.4、弹性模量0.5～4 GPa范围内，管节接头最大轴向应力随衬垫材料泊松比和弹性模量的增加而显著增大，应尽量避免选择泊松比和弹性模量过大的材料制作衬垫。

③在0～15 mm范围内，套环厚度的增加可以显著改善接头特别是套环自身的受力情况，建议套环厚度的取值范围为10～15 mm。

④套环泊松比的增大可在一定程度上改善套环受力情况，但对承口和插口受力的影响相对较小。在相同的受力情况下，套环弹性模量越大，套环的变形量越小，更易发生应力集中。