HOBAS管在原水压力管道工程曲线中顶管的应用

苏 宇，苏耀军

（上海市水务建设工程安全质量监督中心站，上海市 200232）

1 工程背景

青草沙水源地原水工程某支线工程在J26-J29顶管施工段由于J27井与J28井位征地拆迁困难无法实施，经调整管位后改由J26井到J29井一次顶进，并采用曲线顶管方式顶进以避让沿线高压铁塔及过河桥桩。该段管线总长791 m，其中直线段长度为124.97 m，曲线段长度为666.06 m，曲率半径为R=1 200 m，管线布置如图1所示，由J26井向J29井顶进。该施工段顶管主要穿越土层为③层灰色淤泥质粉质粘土、③夹层灰色粘质粉土夹淤泥质粉质粘土，地质剖面见图2所示。③层土透水性较差，属高含水量、高塑性、高压缩性、低强度、低渗透性的饱和软土，蠕变量大，土层灵敏度高；而③夹层土层不稳定，渗透性较好。该施工区段内地表水体丰富，管线沿线地下水受大气降水及沿线主要河流水位涨落影响较大，且临近高压铁塔、桥梁、民房等建构筑物。

图1 凌桥支线QLZ-C3标J26-J29井总平面布置图

图2 J26-J29井工程地质剖面图

2 压力管道曲线顶管技术方案的比较和选择

该工程为输送原水的压力管道，原设计钢管内径为DN2200，管道运行最大工作压力为0.80MPa。管位调整后的顶管施工属长距离曲线顶管（长791 m、曲率半径1 200 m）。因此除了常规顶管施工技术要求外，方案重点在于管材如何满足内水压和曲线顶管施工要求。

2.1 钢管

钢管能够满足设计内水压要求，而曲线顶管目前有两种方法。（1）采用接口焊接形式，利用钢管本身的弹性敷设能力（轴向可以有一定的弯曲变形能力），进行曲线顶管。由于该工程管径为DN2200，其轴向抗弯刚度很大，通过顶管机进行曲线顶管，一般要求曲率半径大于10 000 m以上。（2）采用管道接口“先柔后刚”技术（即钢管制作成类似“F型”柔性接口管节，待曲线顶管贯通后为保证抗内水压能力，再对管接缝进行闭合焊接处理，使管道形成整体）。由于综合成本较高、管道内作业环境差、安全风险高，尤其是贯通后割除加劲板（环）、安装加强板、角缝焊接等工后处理工作量大等原因，施工难度大。

2.2 钢筋混凝土管

采用“F型”钢套环柔性接口形式的钢筋混凝土管，可以满足曲率半径为1 200 m的曲线顶管施工要求，但钢筋混凝土管以及“F型”钢套环接口无法满足设计内水压的要求。

2.3 玻璃纤维增强夹砂管

采用企口式、套环式柔性接口的离心浇筑成型工艺的玻璃纤维增强夹砂管，可以满足曲率半径为1 200 m的曲线顶管施工要求；同时，玻璃纤维增强夹砂管能够满足设计内水压要求；另外，玻璃纤维增强夹砂管具有内壁光滑磨阻小、不易结垢、耐腐蚀性好、能抵抗多种无机溶剂、有机溶剂的侵蚀、抗老化、重量轻等有特点。因此较适合该工程，但需要研究管道接口技术，以解决在设计内水压条件下的管缝接口抗渗漏能力。同时，还应结合该工程顶管施工的技术特点，改进管材结构设计，以满足顶力要求和克服管道受轴向顶力作用而挤压变形的影响。

综合上述分析，该曲线顶管工程确定采用玻璃纤维增强夹砂管，并就顶管用管节结构形式、管节接口形式等关键技术进行了重点研究。

3 曲线顶管用HOBAS管管节设计与制作控制

3.1 管材制作工艺的确定

玻璃纤维增强夹砂管的制作工艺分为连续或定长缠绕工艺、离心浇筑工艺，其成型管材均具有较大的抗内水压能力，因此对于该工程主要是考虑管材结构能否满足顶管要求，即施工性。由于缠绕工艺制作的复合结构管壁断面材质分布呈环向较大差异、分层明显和不均匀性，其轴向压缩强度相对较低（小于100 MPa）、强度离散性较大，不是很适合该工程顶管用管。而玻璃纤维增强夹砂管（简称HOBAS管)为离心浇筑工艺，其管壁密实度较高、材质分布连续、稳定、均匀性较好，轴向压缩强度较高（不小于120 MPa）、强度离散性较小，因此该工程选用HOBAS管作为顶管用管。同时，由于该管材内表面光洁，根据其粗糙系数计算，将原内径DN2200钢管（水泥砂浆内防腐层） 改为管道公称直径为DN2000的HOBAS管。

3.2 管壁结构形式

该工程顶管工作井设计允许最大顶力为4500 kN，综合考虑管材抗轴向变形能力，以及曲线顶管技术要求（管口端面受力、接口保护等） 因素，按轴向压缩强度设计值取120 MPa，并提高管材富裕安全顶力，将HOBAS管的设计允许顶力确定为8 000 KN，但施工允许顶力控制在4 500 kN以下；根据该工程管道运行最大工作压力、结合正常运行压力，将HOBAS管的设计压力等级确定为1.0MPa，管材的环向拉伸强度应不小于6 300 kN/m。因此根据轴向压缩强度和环向拉伸强度值，确定管壁的玻璃纤维层（GRP层）厚度为40 mm。

另外，由于顶管管材采用柔性接口，其接口构造形式的原因，接口范围的壁厚较管身薄，但力学性能应不低于管身。这就要求接口范围的材质和壁厚应与管身相同，即玻璃纤维层（GRP层）、厚度为40 mm。因此，需要增加管身厚度，以满足管节接口构造要求。该工程接口采用套筒式，根据套筒尺寸要求，将管身壁厚分为内壁层（40 mmGRP层）和外壁层（33 mmRM层），考虑经济成本并结合管材制作工艺的可行性，外壁层采用29 mm厚的树脂砂浆层、并在其中间夹4 mm厚的玻璃纤维增强层（提高外壁层受弯抗裂能力）。管身管壁设计总厚度为73 mm、设计环刚度为50 000 N/m2，结构形式如图3、图4所示。

图3 管节接口与套筒连接形式示意图

图4 HOBAS管管壁结构（GRP层+RM层的复合叠层结构）示意图

3.3 管道接口连接形式

顶管管道柔性接口有企口式、套筒式，鉴于钢套环在钢筋混凝土管顶管中的成熟应用，加之企口式要求管壁厚进一步增加（成本也随之增加），该工程最终确定为套筒式接口连接形式。套筒采用纯玻璃纤维增强层为连续玻璃纤维缠绕制成，其环向和轴向拉伸强度基本于管身内壁层一致。套管内表面覆衬倒齿形橡胶止水带，该止水带外型构造上呈突起齿型，当两管节承插后突起顶部向管缝方向翻转，在承受内水压时具有较好的压密性，能承受较高的内水压力。同时，考虑曲线顶管的管缝张开角度需要0.15°（单节管长取3 m），而套筒式能够适应这要求。套筒接头形式见图5所示。

图5 FWC套筒接头形式示意图

3.4 管道接口连接形式

由于压力管道曲线顶管用HOBAS管是首次应用与原水输水工程，因此在前期大量试验的基础上，有针对性地增加、调整、优化设计，其制作标准以国家标准《玻璃纤维增强塑料顶管》(GB/T 21492—2008)为主。同时，根据该工程设计和管材技术要求，就管身、接口、套环分别具体明确了制作质量指标，其增加、调整的关键技术指标主要为轴向压缩强度、管身和套筒的环向拉伸、管身和套筒的轴向拉伸、管节水压渗漏性能、两管安装后的接口偏转0.5°水压渗漏性能等。还有，应严格产品出厂的检验要求，其中：非破坏性检验包括管道和套筒尺寸和外观质量，每根100%检验；破坏性检验包括管身和接口偏转的水压渗漏、环刚度、挠曲性、环向拉伸、轴向拉伸、压缩强度，按1%比例检验。在产品定性前，还进行了扩展性试验研究，其中接口偏转水压渗漏分别在1.0°、1.5°情况下无渗漏。

4 HOBAS管曲线顶管施工的主要技术控制要点

套筒式柔性接口的HOBAS管曲线顶管施工可以借鉴钢套环柔性接口的钢筋混凝土管道施工技术，但由于管材材性、接口形式、使用工况的不同，应重点解决曲线顶管轴线的形成与控制、管节接口保护、管材保护等关键技术。

4.1 曲线顶管轴线的形成与控制

曲线顶管的管节接缝张开一侧的接口部位管壁受土体的垂直反力较大，HOBAS管及套筒容易发生变形失稳甚至破坏，因此允许顶力较钢筋混凝土管小。同时，要求在曲线形成、保持过程中应减少接口部位、套筒的集中应力，以保证管接缝的完好。这对机头及后续管节的“组合弯曲顶头”提出了较高要求。该工程采用了灵敏度较好的“两段一铰式”大刀盘土压平衡顶管机，其后部增设了5节特殊钢铰接管并配小行程纠偏油缸，通过调整螺栓与螺母位置来强制打开、保持铰接管开口量，以形成较理想、稳定的“组合弯曲顶头”，各管节通过机头后部铰接段形成的通道自动形成设计张角，完成后续HOBAS管较自由的被导入曲线段通道。

4.2 管节接口保护

该工程曲率半径R=1 200 m、单节管长L=3 000mm、管节外径D=2 046mm，根据L1·D/R≤S公式，经计算曲线段管缝张口值S应控制在5.12 mm。在曲线顶进和顶进纠偏中，为使管节端面尽可能的均匀受力、减少应力集中，除“组合弯曲顶头”、泥浆套、最大允许顶力控制等技术运用外，管缝木衬圈的选择是关键之一。该工程根据套筒式接口止水密封构造尺寸，结合不同木衬圈材质和厚度的试验，要求管缝宽度与张口值之和控制在20.0 mm以内，因此，选用木衬圈的厚度为15 mm的人工松木芯板。

4.3 管材保护

顶管工程不可避免地会涉及施工外力冲击、机具摩擦等情况，对于压力管道还涉及钢制中继间闭合焊接等需要。HOBAS管采用了玻璃纤维、树脂砂浆等化工材料，其抗冲击能力较差、耐磨性较差、且不耐高温，因此施工期间对HOBAS管的保护也有特殊要求。为此，该工程在管道吊运过程中要求采用采用软式吊带抱箍起吊，以防止管壁损伤或管道接口破损；进入工地现场后采用定型化的表面抱覆橡胶板的存管平台和托架，保护管节表面；管道内出土土方运输采用泥浆泵系统，管底铺设耐磨的木制走道板，减少施工磨损；专门设计管道内置物托架，搁置进水管、排泥管、电缆、中继泵等设备，保护管材表面不被划伤，其内撑托架见图6所示。针对顶管中继间需采用高温切割、焊接作业的实际情况，优化可拆卸型式中继间设计（仅保留一道焊缝），将中继间承插滑动部分加长以增加高温作业点与HOBAS管距离，同时在作业过程中采用喷淋降温措施，保证HOBAS管材处于允许温度范围内。

图6 定型化管道内撑托架实景

5 结语

HOBAS管顶管的顺利进洞、整体管道压力试验的成功，证明了该类管材在青草沙工程中得到了成功应用。其2 m的管口直径、791 m的顶管顶程、1 200 m曲率的曲线顶进在国内均为首次运用，也解决了传统钢管曲线顶管铰接管后续处理工作量大的难点，为原水工程曲线顶管提供了新的发展方向。

[1]苏宇，苏耀军.大口径复合管材在曲线顶管压力管道中的应用与施工技术研究[R].上海市青草沙投资建设发展有限公司，中铁十六局集团有限公司，2013.