CN109538824A - 一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道施工领域中的钢筋混凝土顶管，特别是一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构，其要点在于，还包括有张角控制装置，其包括有受拉钢筋、锚固板和锚固筋；每节电力顶管上靠近插口处和承口处分别安装有锚固板，并通过锚固筋固定在电力顶管上，每个锚固板上固定安装有连接板，连接板上开具有通孔；受拉钢筋架设于相邻两电力顶管上并垂直于锚固板分布，其两端分别穿过前一节承口处和后一节插口处锚固板上连接板的通孔，且在穿出端处安装有螺母。优点在于：确保曲线轴线可控、张角可回缩，施工稳定且成功率高，大大减小了曲率半径，扩大了普通曲线顶管的应用范围，控制了施工成本。

Description

一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构

技术领域

本发明涉及一种管道施工领域中的钢筋混凝土顶管，特别是一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构。本发明适用于内径不小于1.4m的小曲率半径的钢筋混凝土顶管工程。

背景技术

现有技术中，管道施工过程中的曲线顶管为普通曲线顶管和预调式曲线顶管。普通曲线顶管就是利用顶管机在顶进过程中人为地向某一个方向造成轴线偏差，并使这个偏差符合设计的曲线要求。这样，每一节管子的轴线偏差一点，顶进的管节多了，就形成了一条折线，该条折线用于代替设计所需的曲线。目前电力工程中的钢筋混凝土顶管都采用普通曲线顶管的施工工艺，采用标准做法的F型接口。参照附图1，钢筋混凝土顶管的曲线顶进是通过不同管节之间内外侧的接缝张开量不同来实现的（一般张角的角度α不大于0.3°），最终以一个折线代替圆弧的曲线做法。

上述现有技术存在如下不足之处：首先是曲线顶进时，相邻两顶管之间仅依靠对接的承口和插口，连接结构不稳定，管节之间的张开量无法控制，因此当每一段管节对应的圆弧中心角超过0.3°时，在软土地层中则容易出现张角过大，或者由于平均张角不超过0.3°但由于管节张开量大小不一使得局部管节之间的张角超过0.5°，当张角超过一定值时将造成局部区域管节外侧接口张开无法回缩，进而导致顶管失败。事实上，钢筋混凝土顶管多为大口径、长距离的顶管工程，属于复杂地下工程，工程施工受地层地质条件和周边环境条件的影响较为明显，尤其是小曲率半径顶进施工，施工过程中由于曲线外侧某些接口张开量超过了允许值无法回缩而造成的事故屡见不鲜。故而在现有的规程里都有“管节接口张角不宜大于0.3°”的限定，而这样的限定也使得现有的曲线顶进曲率半径的极限值过大（一般情况下Rmin≥480m），导致应用范围受限，也就一定程度上限制了该项技术的应用。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种能够有效控制管节之间的张开量、减小曲率半径、提高曲线顶进成功率的小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构。

本发明所述目的是通过以下途径来实现的：

一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构，包括有若干节电力顶管，每节电力顶管前端为插口，后端为承口，该若干节电力顶管以前一节承口连接后一节插口的形式首尾相连成串，连接处设置有木衬垫；其要点在于，还包括有安装于电力顶管内侧的张角控制装置，该张角控制装置包括有受拉钢筋、锚固板和锚固筋；每节电力顶管上靠近插口处和承口处分别安装有锚固板，所述锚固板沿着电力顶管的周向布置，并通过锚固筋固定在电力顶管上，每个锚固板上固定安装有至少一个连接板，连接板上开具有通孔；受拉钢筋架设于相邻两电力顶管上并垂直于锚固板分布，受拉钢筋的两端为螺杆构造，分别穿过前一节承口处锚固板上连接板的通孔和后一节插口处锚固板上连接板的通孔，且在穿出端处安装有螺母；在电力顶管的环周安装有至少3套上述张角控制装置。

这样，根据实际工程中曲率半径的要求可以获得接缝张开量（或者张角角度），根据张开量便可调整受拉钢筋两端的螺母，从而改变受拉钢筋在两连接板之间的长度，调整后的长度能够使接缝张开量控制在设定值内，由此确保在整个曲线顶进的过程中，任何相邻两节电力顶管均能够稳定地受张角控制装置的限制，将张角角度控制在0.5°以下，确保曲线轴线可控、张角可回缩，施工稳定且成功率高。另外根据计算，在张角角度控制在0.5°的前提下，曲线顶进外侧管节接口的张开量最大可达到44mm，故张角控制装置的张开量达到0～50mm的位移条件量即可满足所有钢筋混凝土顶管张角的控制需求。由此，本发明所述电力顶管能够使张角角度控制量由0.3°提升到0.5°，这样曲线顶进曲率半径可由常规的Rmin≥480.0m缩减至Rmin≥120.0m，大大降低了最小曲率半径的限定，扩大了普通曲线顶管的应用范围，控制了施工成本。

本发明可以进一步具体为：

所述锚固板或者为电力顶管上的支架预埋件，或者为一种长条状锚板。优选采用钢筋混凝土顶管内已有的支架预埋件作为锚固板，稳固性好。

所述锚固板上至少设置有两套锚固筋，当锚固板上设置有两套锚固筋时，该两套锚固筋或者分别位于锚固板的两端，或者分别位于连接板的两侧。

锚固筋是用于加强锚固板与电力顶管之间的固定连接，确保张角控制装置的稳固性。若锚固板上设置三套锚固筋，则可以在两端设置的情况下，第三套设置在连接板处。

所述锚固筋由4根弯钩锚筋构成。

所述连接板的两端侧朝接口沿方向各安装有一加劲肋。

所述加劲肋能够加强连接板与锚固筋之间的固定连接，进一步确保受拉钢筋与锚固筋之间的稳定连接。

所述木衬垫的厚度范围为12mm-30mm。

当曲率半径减小时，应当适当加厚木衬垫，以满足外侧接口张开口的防水要求。木衬垫厚度根据不同角度下内外侧的张开值的差值的2倍进行计算。

每节电力顶管的插口处和承口处均设置有钢套环，所述相邻两节电力顶管连接处的插口和承口之间相叠长度不小于130mm，承口处钢套环的伸出长度范围为140～180mm。

曲率半径减小的同时张开量增大，因此适当加长钢套环的长度，其中承口处钢套环由曲线外侧的接口张开量加上130mm取整后确定，以满足外侧接口张开口的防水要求。

综上所述，本发明提供了一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构，通过设置张角控制装置，使用前根据各个参数调整好受拉钢筋的长度，确保在整个曲线顶进的过程中，任何相邻两节电力顶管均受张角控制装置的限制，将张角角度控制在0.5°以下，确保曲线轴线可控、张角可回缩，施工稳定且成功率高，大大减小了曲率半径，扩大了普通曲线顶管的应用范围，控制了施工成本。

附图说明

图1为本发明背景技术中所述钢筋混凝土电力顶管曲线轴线形成的结构示意图；

图2为本发明所述小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构的结构示意图；

图3为本发明所述张角控制装置受拉钢筋一侧边的放大结构示意图。

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

具体实施方式

最佳实施例：

参照附图2，一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构，包括有若干节电力顶管1，每节电力顶管前端为插口，后端为承口，该若干节电力顶管以前一节承口连接后一节插口的形式首尾相连成串，连接处设置有木衬垫2；所述木衬垫2的厚度范围为12mm-30mm。

本发明的要点在于还包括有张角控制装置。如附图2、3所示，该张角控制装置包括有受拉钢筋3、锚固板4和锚固筋5；每节电力顶管1上靠近插口处和承口处分别安装有锚固板4，所述锚固板4直接采用电力顶管上的支架预埋件，该锚固板4沿着电力顶管的周向布置，并通过锚固筋5固定在电力顶管上，每个锚固板4上固定安装有至少一个连接板6（一般为一个，不超过两个），连接板6上开具有通孔，连接板的两端侧朝接口沿方向各安装有一加劲肋7；所述锚固筋由4根弯钩锚筋构成，锚固板4上设置三套锚固筋5，除了两端各设置一套外，第三套设置在连接板6处。受拉钢筋3架设于相邻两电力顶管上并垂直于锚固板4分布，两端为螺杆构造，该两端螺杆构造分别穿过相邻两电力顶管中前一节承口处锚固板上连接板的通孔和后一节插口处锚固板上连接板的通孔，且在穿出端处安装有两个相叠的六角螺母8；在电力顶管任一端部的环周安装有至少3套上述张角控制装置，优选采用四套，呈十字分布于电力顶管的环周，这样承口处和插口处分别各四套张角控制装置。

本发明提供如下具体实施方案及设计要点：

1、加强管节承插口结构构造，使其在曲线顶进施工过程中的应力集中，具体做法是：电力顶管的承口和插口接触面允许抗压强度为直线顶进的许用抗压强度的2倍。以C50的混凝土为例（抗压强度为 23.1MPa），直线顶进工况下考虑各类安全系数后允许的截面抗压强度为9.0MPa，则曲线顶进时将其提高至18.0MPa，并按此要求加密结构构造配筋：在插口的内外侧各增加2根φ16的构造加强环筋；在承口的内外侧各增加3根φ16的构造加强环筋。

2、改造管节的F型接口：根据小曲率半径所对应的管节接口张角度数，按公式（1）计算内外侧张角的张开量，并按外侧张开量的一般配备加厚的木衬垫，木衬垫厚度为12～30mm，同时根据外侧张开量的大小，加长钢套环，保证曲线顶进外侧钢套环的伸出长度不小于直线顶进时的承插口对接长度，即不小于130mm。

tanα= L/Rmin =ΔS/D₀ （1）

式中：α——曲线顶管时相邻管节之间接口的控制允许转角（°），即张口张角，一般取管节接口最大允许转角的1/2。Rmin——最小曲率半径（m）；L——预制管节长度（m）；D₀——管道外径（m）；ΔS——相邻管节之间接口允许的最大间隙与最小间隙之差（m），其值与不同管节接口形式的控制允许转角和衬垫弹性模量有关。

3、张角控制装置：

（1）用于纵向承载的受拉钢筋：截面直径d=32mm，杆长为1400mm；两端各采用两个六角螺母扣紧，抗拉承载力不低于250kN，满足现有钢筋混凝土顶管张角不大于0.5°条件所有的曲线顶进水平荷载分力；

（2）用于连接前后顶管管节的锚固件及其锚固筋，锚固板直接利用电缆之间支架预埋件，采用-8×120或者-10×120的锚板；而每个锚固板采用3处锚固筋进行固定，每处4根 Ø12mm的弯钩锚筋；

（3）锚固件与纵向承载的受拉钢筋之间设置一个连接板，连接板中受拉钢筋穿过的孔距离顶管内壁的距离为≤50mm。

（4）根据计算，在0.5°的前提下，曲线顶进外侧管节接口的张开量最大可达到44mm，故张角控制装置的张开量能满足0～50mm的位移条件量即可满足所有钢筋混凝土顶管张角的控制需求。接口张开量通过调整前后管节间受拉钢筋上的螺母来控制，螺母间距（受拉钢筋两端的六角螺母）由两个固定件间的距离加上接口允许张开量来控制，以2.5m管节、1.25m的预埋件间距为例，两个螺母之间的长度为：1250mm+△+2t，其中△为曲线顶管接口外侧允许张开量的大小，单位为mm；t为连接板的厚度，单位为mm。

（5）因顶管管节在运输、管道顶进及曲线顶进过程当中，都可能产生沿着管道轴线的扭转作用，即管道在顶进过程中可能存在着横向截面转动的情况。为避免管道在顶进过程中“旋转”产生的装置变位，需在管道四周均匀布置4个装置，以满足曲线顶进过程中，任何一个位置都可以实现外侧张角的控制。

（6）同时为了满足外侧接口张开口的防水要求，需要适当加厚木衬垫的厚度（12～30mm），并合理加长钢套环，以保证外侧接口张开量不超过直线顶进的构造措施。

为了进一步描述本发明，提供如下大口径钢筋混凝土顶管结构的设计和施工方法：

（1）根据工程需求计算曲线段管节接口内外侧的张角度数以及内外侧接口张开量的插值；

（2）根据接口张开量的插值，选定木衬垫的厚度，木衬垫厚度以接口内外侧插值的一半为宜，同时根据外侧接口张开量的大小确定钢套环的伸出长度，一般为（130mm+ΔS ）取整。

（3）管节生产阶段，加强管节接口构造的配筋，并根据计算得到的数据，加长钢套环的伸出长度（130mm+ΔS ）取整，在内侧接口预埋张角控制装置的预埋件，并焊接张口控制装置中的连接板和加劲肋；并预制构件受拉钢筋和六角螺母。

（4）顶进施工时，承插口之间粘帖木衬垫垫，并根据前后管节的位置，安装受拉钢筋和六角螺母，并进行长度调整以满足施工要求。当前后管节偏转角度较大，管节就位时六角螺母无法形成贯通时，亦可采用φ15.2钢绞线加上固定锁进行张角控制，钢绞线的长度以满足理论计算张开角的计算量为宜。

（5）靠顶进力实现曲线轴线的顶进施工，顶进施工完成后，拆除受拉钢筋和六角螺母，有必要时，亦可拆除连接板和加劲肋。对顶管管节接口的内侧采用聚硫或聚氨酯密封胶进行封堵，进一步完善接口防水措施。

本发明在对现有钢筋混凝土F型接口进行改造的基础上，提出了一种设置于顶管内侧的能够用于管节接口张开角度的控制装置，装置简单，投资低廉，每套装置仅需320元，为每米投资超过3万元顶管本体投资的0.4%左右，即可实现曲线轴线的大幅度减小，在Rmin≥120.0m的前提下，大大提高了曲线顶进技术在钢筋混凝土顶管工程中的应用范围。采用本发明的顶管结构进行施工，可以有效保障曲线顶进施工产生每一节的接口张开量都严格控制在设计允许范围内，保证防水构造措施，且施工风险小。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (7)

1.一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构，包括有若干节电力顶管，每节电力顶管前端为插口，后端为承口，该若干节电力顶管以前一节承口连接后一节插口的形式首尾相连成串，连接处设置有木衬垫；其特征在于，还包括有张角控制装置，该张角控制装置包括有受拉钢筋、锚固板和锚固筋；每节电力顶管上靠近插口处和承口处分别安装有锚固板，所述锚固板沿着电力顶管的周向布置，并通过锚固筋固定在电力顶管上，每个锚固板上固定安装有至少一个连接板，连接板上开具有通孔；受拉钢筋架设于相邻两电力顶管上并垂直于锚固板分布，受拉钢筋的两端为螺杆构造，分别穿过前一节承口处锚固板上连接板的通孔和后一节插口处锚固板上连接板的通孔，且在穿出端处安装有螺母；在电力顶管的环周安装有至少3套上述张角控制装置。

2.根据权利要求1所述的一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构，其特征在于，所述锚固板或者为电力顶管上的支架预埋件，或者为一种长条状锚板。

3.根据权利要求1所述的一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构，其特征在于，所述锚固板上至少设置有两套锚固筋，当锚固板上设置有两套锚固筋时，该两套锚固筋或者分别位于锚固板的两端，或者分别位于连接板的两侧。

4.根据权利要求1所述的一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构，其特征在于，所述锚固筋由4根弯钩锚筋构成。

5.根据权利要求1所述的一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构，其特征在于，所述连接板的两端侧朝接口沿方向各安装有一加劲肋。

6.根据权利要求1所述的一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构，其特征在于，所述木衬垫的厚度范围为12mm-30mm。

7.根据权利要求1所述的一种小曲率曲线顶进用的大口径钢筋混凝土电力顶管结构，其特征在于，每节电力顶管的插口处和承口处均设置有钢套环，所述相邻两节电力顶管连接处的插口和承口之间相叠长度不小于130mm，承口处钢套环的伸出长度范围为140～180mm。