拱北隧道曲线钢顶管接头橡胶圈结构数值模拟研究

张 鹏，曾 聪，王道伟，黎 轩，马保松

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)



拱北隧道曲线钢顶管接头橡胶圈结构数值模拟研究

张 鹏，曾 聪，王道伟，黎 轩，马保松*

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

曲线钢顶管技术是给水工程和隧道支护工程中新的非开挖施工技术，其管节结构与传统混凝土顶管管节结构差别较大，但目前设计和施工缺乏理论依据和参考规范。为优化拱北隧道曲线钢顶管施工中采用的接头橡胶圈结构，采用ABAQUS有限元软件，建立接头安装模型，研究优化前后橡胶圈应力、接触压力和接头安装力的变化规律。结果表明：优化后的橡胶圈应力和接头安装力明显减小，且接触压力大于0.3 MPa，满足现场施工密封的要求，证明优化后的接头更加合理可靠。

拱北隧道；曲线钢顶管；鹰嘴橡胶圈；承插口接头

0 引言

钢顶管具有强度高、承压性好、质量轻以及与周围土体摩擦因数小等优点而被广泛用于供水顶管工程中，我国也已将该技术纳入《给水排水工程顶管技术规程》[1]。目前，我国单次顶进距离超过1 000 m的钢顶管达十余条，顶管最大直径超过4 000 mm，并呈现出大直径、长距离和曲线化的发展趋势。在此技术的基础上，我国创新性地将曲线钢顶管应用于国内首条曲线管幕隧道支护结构施工中，但由于钢管壁很薄，相对于混凝土管稳定性差，容易发生屈曲失稳。因此，钢顶管目前多用于直线顶管施工中，管节接头采用焊接形式。

为实现钢管曲线顶进，相关学者参考混凝土管接头，提出了曲线顶管钢管节技术。管身采用钢板卷制焊接，并在两端焊接法兰和纵向劲板，形成承插式接头，然后通过螺栓连接限制管节偏角，保证钢管曲线顶进，而且在上海青草沙严桥支线工程中得到成功应用[2]。然而，相比结构已经系列化、可依据《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》[3]规范选取的混凝土顶管，曲线钢顶管管节结构尚无统一标准，限制了管节加工工艺和曲线钢顶管施工技术的发展，因而无法得到推广应用。虽然目前已有曲线钢顶管成功应用的工程案例，但接头结构均参考混凝土管承插接口，使用的楔形橡胶圈结构和尺寸也与其类似，接头的结构设计往往依靠经验。尽管一些学者对管节接头偏转状态下的密封性进行了试验测试[4-10]，但密封性能否满足施工要求以及接头结构是否合理仍然缺乏详细的研究，并且主要集中于钢筋混凝土管，加之密封试验装置往往造价高，试验投入大，且无法对不同尺寸的管节进行测试，不能为不同施工环境和管径的曲线钢顶管工程提供理论依据。

本文以拱北隧道管幕工程中的曲线钢顶管为例，采用ABAQUS有限元软件建立钢顶管管节接头数值模型，模拟优化前后接头的安装过程，分析接头橡胶圈的应力、接触压力和安装力，为曲线钢顶管接头结构优化提供依据。

1 工程概况

目前在建的港珠澳大桥拱北隧道首次采用曲线顶管管幕+水平冻结法施工，隧道全长255 m，采用上下叠层穿越拱北口岸[11-13]。管幕横断面布置如图1所示。隧道上部平均埋深4～5 m，底部埋深接近30 m，由36根直径为1 620 mm的钢管组成(不包含0号试验管)，管间距为355～358 mm。钢管全部采用曲线顶管技术施工，其轨迹形为88 m缓和曲线与167 m圆曲线组成，平均曲率半径约为890 m，相邻管节最大偏角为0.26°。

图1 管幕横断面布置(单位：m)

管节接头为F型承插接口，并安装2道鹰嘴橡胶密封圈，如图2所示。施工场地工程地质和水文地质条件复杂，穿越地层为粉质黏土、淤泥质粉土等软土以及中粗砂等易流失地层，且地下水压高，底部管道周围地下水位接近30 m。因此，无论是复杂的曲线轨迹，还是高水压软土地层，都对顶管管节接头的结构提出较高的要求，要求管节不仅能灵活偏转，而且要在高水压条件下具有良好的密封性。

2 钢顶管接头结构

本工程曲线顶管采用的钢管节壁厚分为2种，以隧道中板为界，顶部17根顶管采用20 mm厚钢板卷制焊接而成，底部19根顶管壁厚增加到24 mm，单根长度为4 m。接头采用F型承插口，通过在管端焊接20 mm厚法兰和40块20 mm厚纵向劲板形成承口和插口，以增强管节接头的刚度，为适应管节偏转的需要，管节之间采用M33限位螺栓进行连接。为了提高接头受力的均匀性，同时保持管节之间的开口度，在承口与插口法兰之间设置20 mm厚的木质垫块。为了满足高水压条件下顶管密封施工的要求，接头处安装2道鹰嘴橡胶圈。

图2 F型接头结构

管节接头优化后结构和初始设计结构相类似，均为图2所示的F型承插口+2道鹰嘴橡胶圈。但由于初始设计承插口间隙选取较小，仅为3 mm，加之采用体积较大的鹰嘴橡胶圈(如图3(a)所示)，前期管节试安装时，出现了橡胶圈安装不到位，管节安装所需的力较大，甚至发生橡胶圈破坏的情况，说明管节接头结构和橡胶圈形状选择不合理，需要进行优化设计。为便于管节安装，优化后接头承插口间隙增加到5 mm，同时为防止橡胶圈因压缩变形过大发生破坏，将原橡胶圈较厚的一侧中间部位切除，形成图3(b)所示的鹰嘴橡胶圈。下文将对优化前后的管节接头和橡胶圈建模，模拟管节安装过程，分析其结构优化的可行性。

(a) 初始设计

(b) 优化后

3 数值模拟

3.1 接头数值模型

由于橡胶为不可压缩材料，会表现出复杂的材料非线性和几何非线性，本构模型选用超弹性材料。目前广泛使用Mooney-Rivlin应变能函数[14]

(1)

式中：W为应变能函数；Cij为Rivlin系数；I1、I2分别为第1和第2 Green应变不变量。

ABAQUS软件中采用3个参数的Mooney-Rivlin模型表达

(2)

式中：C01、C10和D1是与温度有关的材料参数；Jel为弹性体积比。

优化前后接头数值模型如图4所示。其中：承插口材料为Q235钢材，橡胶圈材料为邵氏硬度A为42的氯丁橡胶。考虑到钢材弹性模量远高于橡胶，其内力和变形可忽略不计，为简化模型可将承插口等效为解析刚体。ABAQUS中刚体边界条件通过参考点控制施加，承口边界条件施加到参考点RP1上，同理，插口边界条件施加到参考点RP2上。

(a) 初始设计

(b) 优化后

Fig.4 Numerical model diagrams of pipe-joint before and after optimization (mm)

根据文献[14]和文献[15]中的橡胶材料参数经验公式，由橡胶圈的硬度可确定其材料力学参数，如表1所示。网格采用减缩积分的一阶平面应变单元(CPE4R) 来模拟。边界条件设置为插口约束RP2所有自由度、承口只约束RP1竖向位移。为模拟橡胶圈与承插口的接触特性，需要在承插口各面与橡胶圈各面之间建立接触关系，并且对橡胶圈各面建立自接触。承插口与橡胶圈法向接触属性设置为硬接触，考虑到接头安装过程涂抹润滑油，橡胶圈与接头切向摩擦因数取0.1，为防止接触面互相穿透，主面和从面间过盈间隙取0.01。通过对承口参考点RP1施加水平向右的位移来模拟管节安装过程。

表1 鹰嘴橡胶圈参数

3.2 数值模拟结果分析

在对初始设计接头进行模拟时，由于承插口间隙仅为3 mm，橡胶圈压缩变形过大，模拟过程不收敛，也说明了接头初始设计不合理。在初始接头模型的基础上，承插口间隙增加到4 mm，模拟仍然无法收敛，当间隙达到5 mm后才得到合理的模拟结果；因此，在分析接头安装力、橡胶圈接触压力和橡胶圈应力时，以初始接头在5 mm 间隙下的结果与优化后接头的结果进行对比分析。

3.2.1 管节安装力分析

管节接头优化前后单位长度安装力随安装长度的变化曲线如图5所示。初始设计接头单道橡胶圈在安装过程中安装力先增大后减小，但优化后的接头安装力先增大后略微减小，然后继续增大。两者安装力均在橡胶圈安装完成后稳定，且第2道橡胶圈所需的安装力大于第1道橡胶圈。

(a) 初始设计(5 mm间隙)

(b) 优化后

Fig.5 Variation curves of installation force per millimeter of pipe-joint before and after optimization

由图5(a)可知：即使初始设计接头承插口间隙增加为5 mm，第1道橡胶圈安装单位长度上最大安装力达到6.67 N/mm，第2道橡胶圈最大安装力达到10.22 N/mm，而在3 mm间隙条件下，由于将其安装在更小的间隙中，橡胶圈体积压缩更大，所需的安装力也会更大；由图5(b)可知:优化后接头安装时最大安装力分别降低到3.02 N/mm和6.04 N/mm，减小为初始设计接头安装力的45.3%和59.1%，说明优化后的接头结构合理，便于管节安装，避免了安装力过大导致橡胶圈破坏的现象。

3.2.2 橡胶圈应力分析

优化前后接头橡胶圈的应力分布如图6所示。鹰嘴橡胶圈唇口部位和顶部与接头接触区域均存在应力集中。初始设计的接头橡胶圈在插口间隙增加到5 mm 时，最大拉应力为2.325 MPa，而在3 mm间隙下橡胶圈应力会更大，现场试安装过程中出现了失效破坏的现象，说明其应力超过许用应力；优化后橡胶圈最大拉应力仅为1.097 MPa，约为初始设计接头橡胶圈的一半，且应力集中区域明显减小，同样表明优化后的鹰嘴橡胶圈结构合理，安装过程中不会出现橡胶圈破坏的现象。

(a) 初始设计(5 mm间隙)

(b) 优化后

Fig.6 Nephograms of stress distribution of rubber ring before and after optimization (MPa)

3.2.3 橡胶圈接触压力分析

鹰嘴橡胶圈属于自紧式结构，其密封原理为：接头安装使橡胶圈产生压缩变形，并在接触面上产生接触压力，当接头位于地下水位以下时，水压力作用在橡胶圈唇口使其张开，从而增大接触压力，起到加强密封的效果。目前，通常认为在最大接触压力大于介质压力时，橡胶圈的密封性是可靠的，或者在接触压力产生的密封摩阻力大于介质压力时，橡胶圈密封也不会失效。

接头优化前后橡胶圈的接触压力分布如图7所示。由于橡胶圈局部区域接触压力集中，优化前后最大接触压力分别为5.35 MPa和1.08 MPa。但橡胶圈接触压力主要分布在顶部和底部，这2个面上的接触压力决定了橡胶圈的密封性。接头优化前后橡胶圈顶面和底面接触压力曲线如图8所示。顶部接触长度大于底部接触长度。初始设计接头橡胶圈在5 mm承插口间隙条件下，底部最大接触压力略大于顶部，达到2.05 MPa，优化后接头鹰嘴橡胶圈最大接触压力出现在顶部为1.08 MPa，这是由于初始设计鹰嘴橡胶圈体积较大，在相同承插口间隙条件下，压缩变形较优化后大，接触压力相应也较大，但两者最大接触压力均大于现场0.3 MPa施工水压力密封的要求，证明优化后接头橡胶圈的密封性可以满足现场施工的需要。由文献[16]接头室内密封试验和现场施工情况可知，优化后曲线顶管接头未出现明显泄漏，也证明其结构合理。

(a) 初始设计(5 mm间隙)

(b) 优化后

Fig.7 Nephograms of contact pressure of rubber ring before and after optimization (MPa)

4 结论与讨论

1)管节接头单位长度安装力随着橡胶圈数量的增加而增大，初始设计接头单道橡胶圈的安装力表现为先增大后减小，优化后接头安装力表现为波动持续增加的规律。优化后的接头单位长度安装力约为初始设计的一半，便于管节连接，说明优化后的接头橡胶圈结构更加合理。

2)由于初始设计采用的鹰嘴橡胶圈体积较大，在相同承插口间隙条件下压缩变形更大，虽然接触压力增大，密封性更好，但会产生较大的拉应力使得橡胶圈发生破坏；优化后的鹰嘴橡胶圈由于去除了容易产生应力集中的部位，虽然接触压力有所下降，导致密封性能减弱，但避免了过大的应力集中，橡胶圈安装过程不会发生破坏，且也满足现场0.3 MPa的压力要求，同样证明优化后的橡胶圈结构合理。

(a) 初始设计(5 mm 间隙)

(b) 优化后

Fig.8 Variation curves of contact pressure of rubber ring before and after optimization

3)鹰嘴橡胶圈的唇口在水压作用下与承插口接触更加紧密，水压力具有增强密封的效果，而且曲线顶管接头在偏转过程中，会引起橡胶圈不均匀压缩，也会对其密封性产生影响。因此，水压力和接头偏转对橡胶圈密封性的影响有待进一步研究。

[1] 上海市政工程设计研究总院.给水排水工程顶管技术规程：CECS 246:2008[S].北京：中国计划出版社，2008.(Shanghai Municipal Engineering Design Institute.Technical specification for pipe jacking of water supply and sewerage engineering:CECS 246:2008[S].Beijing:China Planning Press,2008.(in Chinese))

[2] 许龙.上海青草沙水源地原水工程严桥支线工程钢顶管设计[J].中国市政工程,2011(2):58-59,61.(XU Long.On steel pipe-jacking design of Yanqiao Branch of Shanghai Qingcaosha Drinking Water Source Engineering[J].China Municipal Engineering,2011(2):58-59,61.(in Chinese))

[3] 顶进施工法用钢筋混凝土排水管：JC/T 640—2010[S].北京：中国建材工业出版社,2010.(Reinforced concrete sewer pipes used for jacking construction:JC/T 640—2010[S].Beijing:China Building Materials Press,2010.(in Chinese))

[4] 范明星,葛金科,吴根祥,等.大口径小半径曲线钢筋混凝土顶管施工技术与应用[J].中国市政工程,2001(1):49-52.(FAN Mingxing,GE Jinke,WU Genxiang,et al.Cuvred RC pipe jacking with large diameter and small radius[J].China Municipal Engineering,2001 (1):49-52.(in Chinese))

[5] 卫珍.新型接口在玻璃钢夹砂管顶管工程中的运用[J].中国市政工程,2008(6):45-46.(WEI Zhen.Application of new joints to pipe jacking of sand-sandwiched GRP pipes[J].China Municipal Engineering,2008 (6):45-46.(in Chinese))

[6] 周仕刚,朱文国,薛元德,等.大口径玻璃纤维增强混凝土管(FRPCP)曲线顶管工程的质量控制[J].净水技术,2012,31(1):86-89.(ZHOU Shigang,ZHU Wenguo,XUE Yuande,et al.Quality control requirements of curved jacking engineering for glass fibre reinforced plastic concrete pipe (FRPCP) with large diameter[J].Water Purification Technology,2012,31(1):86-89.(in Chinese))

[7] 王明辉,曹艳茹,潘耀聪,等.大口径离心浇铸玻璃钢管曲线顶管的应用技术研析[J].特种结构,2011(4):96-98.(WANG Minghui,CAO Yanru,PAN Yaocong,et al.The analysis of application technology of large diameter centrifugally cast glass-reinforced plastics curve jacking pipes[J].Special Structures,2011(4):96-98.(in Chinese))

[8] 丁玉龙.空间双曲线钢顶管的铰接结构形式[J].净水技术,2013,32(2):87-90.(DING Yulong.Structural form of hinged-joint in steel pipe jacking construction of space hyperbola curve[J].Water Purification Technology,2013,32(2):87-90.(in Chinese))

[9] 吕根喜,黄金明.φ4 000 mm大口径钢筋混凝土管接口水密封性能检验方法初探[J].混凝土与水泥制品,2014(1):24-28.(LYU Genxi,HUANG Jinming.Discussion of watertightness detection method of large diameter (φ4 000 mm)reinforced concrete pipe joint [J].China Concrete and Cement Products,2014(1):24-28.(in Chinese))

[10] 李建勇.钢承口钢筋混凝土管道双密封止水接口试验研究[J].特种结构,2014,31(2):61-66.(LI Jianyong.Experimental study of dual-seal water tight joint of reinforced concrete pipes with steel sockets[J].Special Structures,2014,31(2):61-66.(in Chinese))

[11] 张冬梅,张博恺,刘志刚.管幕冻结法浅埋大断面隧道开挖方案对衬砌性态及地层位移的影响[J].隧道建设,2015,35(11):1121-1126.(ZHANG Dongmei,ZHANG Bokai,LIU Zhigang.Impact of excavation procedures of shallow large cross-section tunnel with pipe-roofing and frozen soil on tunnel behavior and ground movement[J].Tunnel Construction,2015,35(11):1121-1126.(in Chinese))

[12] 程占,程勇,刘志刚.拱北隧道管幕-暗挖法工作井设计关键技术[J].隧道建设,2015,35(11):1214-1221.(CHENG Zhan,CHENG Yong,LIU Zhigang.Key technologies for design of working shaft of Gongbei Tunnel:Considering tunneling and pipe jacking conditions[J].Tunnel Construction,2015,35(11):1214-1221.(in Chinese))

[13] ZHANG Piaoping,MA Baosong,ZHAO Wei.The largest curved pipe roofing tunnel project in the world[C]//Pipelines 2013:Pipelines and Trenchless Construction and Renewals：A Global Perspective.Fort Worth:ASCE,2013:953-963.

[14] 王伟,邓涛,赵树高.橡胶Mooney-Rivlin模型中材料常数的确定[J].特种橡胶制品,2004,25(4):8-10.(WANG Wei,DENG Tao,ZHAO Shugao.Determination for material constants of rubber Mooney-Rivlin model [J].Special Purpose Rubber Products,2004,25(4):8-10.(in Chinese))

[15] 郑明军,王文静,陈政南,等.橡胶Mooney-Rivlin模型力学性能常数的确定[J].橡胶工业,2003,50(8):462-465.(ZHENG Mingjun,WANG Wenjing,CHEN Zhengnan,et al.Determination for mechanical constants of rubber Mooney-Rivlin model[J].China Rubber Industry,2003,50(8):462-465.(in Chinese))

[16] 张鹏,王翔宇,王道伟,等.曲线钢顶管接头密封性检测及数值模拟研究[J].给水排水,2015,41(10):100-105.(ZHANG Peng,WANG Xiangyu,WANG Daowei,et al.Test and numerical simulation study of joint sealing of steel curved jacking pipe [J].Water & Wastewater Engineering,2015,41(10):100-105.(in Chinese))

Study of Numerical Simulation of Rubber Ring of Curved Steel Pipe Jacking Joints of Gongbei Tunnel

ZHANG Peng,ZENG Cong,WANG Daowei,LI Xuan,MA Baosong*

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,Hubei,China)

The curved steel pipe jacking technology,of which the pipe structure is greatly different from that of traditional reinforced concrete pipe jacking,is a new trenchless technology for water supply projects and tunnel support.There is not reliable design and construction standard for curved steel pipe jacking nowadays.The pipe-joint model of curved steel pipe jacking is established by ABAQUS software so as to optimize the structure of rubber ring used in Gongbei Tunnel.The stress and contact pressure of rubber ring and installation force of pipe-joint before and after optimization are studied.The analytical results show that the stress of rubber ring and installation force of pipe-joint reduce obviously after optimization; and the contact pressure of optimized rubber is larger than 0.3 MPa; the optimized rubber ring is rational.

Gongbei Tunnel; curved steel pipe jacking; aquiline rubber ring; spigot and socket joint

2016-01-06;

2016-03-09

张鹏(1988—)，男，山西大同人，中国地质大学(武汉)地质工程专业在读博士，主要研究方向为顶管等非开挖技术和理论。E-mail：cugpengzhang@163.com。*通讯作者：马保松，E-mail：mabaosong@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.010

U 45

A

1672-741X(2016)10-1226-06