预应力钢简混凝土顶管结构性能研究

张成军

（山西省禹门口水利工程管理局）

摘 要：本文结合预应力钢筒混凝土顶管在禹门口提水东扩工程中的试验性应用，对PCCP顶管施工性能和结构承载力进行分析研究，通过采取针对性的措施可以完全改善并保证PCCP顶管的施工性能和工作性能，通过进行管道承载力试验证明其结构安全性能良好，工程应用也充分证明了其良好的结构性能。PCCP顶管是一种新型复合管材，兼有压力管道和顶管性能，对解决管线穿越建筑物问题具有很强的针对性和优势。教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：JPCCP顶管；结构分析；性能

前言

近年来，我国水资源紧缺矛盾日益突出，水利工程建设重点已很大程度地转向了引调水工程。预应力钢筒混凝土管得到广泛应用，而输水管线几乎都要多次穿越建筑物（铁路、公路、房建等），PCCP顶管则是解决管线交叉穿越建筑物的理想方案，与传统钢筋混凝土顶管内穿压力管道方案相比具有成本低、进度快、施工简单的优点，对解决管线穿越建筑物问题具有很强的针对性和优势。山西省禹门口提水东扩工程试验性采用了预应力钢筒混凝土顶管，简称PCCP顶管或JPCCP（英文Jacking-Prestressed Concrete Cylinder Pipe缩写），本文就PCCP顶管的施工性能、工作性能和结构承载力进行分析研究。

1预应力钢简混凝土项管方案分析

1.1 PCCP顶管(JPCCP)结构特点

PCCP顶管是根据PCCP结构特点和顶管特点开发的一种新型顶管，兼有压力管道和顶管功能，可直接进行顶进施工，并在施工完成后作为压力管道与上下游PCCP直接对接。与传统钢筋混凝土顶管内穿压力管道方案相比，具有成本低、进度快、施工简单的优点，对解决管线穿越建筑物问题具有很强的针对性和优势。

JPCCP是一种预应力钢筋混凝土与非预应力钢筋混凝土复合而成的新型管材，其中预应力部分负责承担内水压力、外部荷载及部分轴向顶力，非预应力部分负责承担部分轴向顶力、预应力钢丝防腐保护和减少顶进磨擦力。JPCCP制造工艺为先按PCCP的要求制作一带钢筒的混凝土管芯，然后按设计要求缠绕高强钢丝，再在其外按构造要求制作钢筋骨架，最后浇筑外层混凝土。与PCCP不同之处是用钢筋混凝土替换了PCCP夕|部的砂浆保护层，单节管道长度由Sm~ 6m减小为2.5m~ 3.Om，以适应顶管特性要求。

1.2 PCCP顶管方案优点

PCCP顶管除具有PCCP全部特性外，还具有如下优点：

(1)施工简单。PCCP顶管与传统顶管加套管工艺相比，顶管内径减小，省去穿管工序（管材和施工费用）和管道间空腔回填混凝土工序，土体开挖量可减少50% N60%，大大减小施工难度。

(2)基础受力条件改善。PCCP顶管直接作为压力管道，管道加水重比所开挖的土体重量减小40%~ 60%。减小了基础荷载，不会增加基础承载力，可改善传统顶管受力情况。

(3)成本低。直接采用顶管作为压力管道可大大减少成本。一是省去内部穿管的全部管材费和安装费用；二是减少顶管的管材费用，顶管内径减小，管材费用减小40%—50%；三是减少土体开挖量50%以上。

(4)缩短工期。由于施工工艺简化，施工难度大大减小，顶管施工进度大大加快。

2 PCCP顶管的结构设计方法研究

2.1 JPCCP结构设计方法

预应力钢筒混凝管顶管是一种预应力结构和非预应力结构复合而成的管道，主要依据的设计规范是《预应力钢筒混凝管结构设计规范>( AWWA C304)和《给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程》(CECS143:2002)。设计时先按AWWA C301规范进行预应力结构设计，再按CECS143进行外圈非预应力混凝管结构设计。进行预应力结构设计时，先按外圈保护层净厚度25mm进行计算，再按外圈混凝土总厚度80mm进行设计，选取两种外圈壁厚预应力配筋量较多的一种配筋量，按此配筋面积再校核另一种外圈厚度下所有指标是否符合C301要求，如符合则作为预应力钢丝最终的配筋量。外圈非预应力混凝土结构设计时不考虑内壁的预应力钢丝的作用，也不考虑内水压的影响（即管芯内部由内水压力和外荷载导致的拉应变由预应力钢丝承担），控制截面为管侧，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行计算，两种状态下各种荷载作用采用相应的分项系数，设计理论按刚性管道计算，管道结构的内力分析按弹性体系计算。主要计算对象是外壁配筋量和混凝土强度，管侧的内力按CECS143:2002附录D所列内力系数进行计算。上述两个计算过程中的管自重承载角度根据顶进作业的特点可以按1200—1350考虑。

2.2 JPCCP的结构性能分析

2.2.1收缩性能分析

JPCCP是一种分两次成型的预应力钢筋混凝土和非预应力钢筋混凝土复合结构，从预应力混凝土结构设计原理以及JPCCP的结构形式看，导致接合面产生拉应力以致产生间隙、分离的因素有管芯混凝土的收缩和徐变造成的管芯直径的微量缩小，而阻止接合面产生间隙、分离的因素有预应力钢丝的应力松弛和正常通水时管内水压力两个因素。应力松弛是指预应力钢丝缠绕到混凝土管芯上时使管芯产生弹性压缩，预应力钢丝本身有在高应力状态下应力松弛的特性，这种特性导致管芯混凝土的弹性压缩有所回复，进而管芯混凝土的徐变值减小；正常通水时的管内水压力使得管芯混凝土产生拉应力，迫使管芯混凝土弹性变形向外扩张，使管芯混凝土紧紧压住外圈钢筋混凝土。

另外，混凝土收缩由干缩和自收缩两部分组成，当管道处于地下高湿度环境时混凝土不再进行干缩，只有自收缩还在随混凝土龄期增长而进行，但此时外圈混凝土也在进行自收缩，内外圈混凝土不会因为混凝土自收缩而产生拉力，同样，当管道处于堆放暂存期、暴露在空气中时，内外圈混凝土同时产生干缩和自收缩，这个时期内外圈混凝土也不会因为混凝土收缩而产生拉力。以上分析可以说明，管芯混凝土收缩和徐变不会导致预应力和非预应力混凝土接合面产牛分离。

2.2.2顶进能力分析

与标准PCCP相比，除同样需承受内水压力和外荷载外，不同之处在于需要承受一定的顶进力。JPCCP的外圈钢筋混凝土是在经施加预应力的带钢筒的混凝土管芯外面放置钢筋骨架后浇筑的钢筋混凝土保护层，浇筑时外圈混凝土的插口端部顶部超出原混凝土管芯外侧一定高度，同时覆盖在混凝土管芯的钢筒外侧部分的混凝土顶面上，形成一个完整的承压平面，外圈钢筋混凝土保护层的承口端部底部在浇筑时和混凝土管芯坐落在同一个专用底模上，外圈钢筋混凝土浇筑完成后内外圈钢筋混凝土承口端也是一个平面，实现了顶进作业时外圈钢筋混凝土和混凝土管芯的钢筒外侧部分承受相同压应力的目的。外圈钢筋混凝土外侧壁的承口端和插口端固定有加强钢环，增强了管端的局部承压力。外圈钢筋混凝土的插口端面开设有半圆形注浆通道，插口钢环上开设有注浆孔，在注浆孔位置的插口钢环内壁焊接有注浆管，注浆管与注浆通道连通，顶进过程中可以通过注入触变泥浆来减小顶进过程中的摩阻力，顶进作业完成后用水泥浆置换触变泥浆来起到承插口圈的防腐作用，同时水泥浆的注入也能填充顶进过程中产生于管周的空隙。

2.3 JPCCP结构承载力试验

2.3.1试验管工况

为验证设计方法的正确性、合理性，2011年6月9日我们进行了一次破坏性外荷载试验，也称三边承载试验，试验管口径为DN2400，工况为工作压力l.OMPa、覆土6m，管道长度3m。设计参数及设计结果如下：

公称内径D1=2400mm，管芯壁厚hc=155mm，保护层厚hm=ds+78=85mm (ds为钢丝直径)

管外径Bc=D1+2×(hm+hc) =2880mm，管壁厚度T=240mm，管顶覆土高度H=6m

工作压力P=lOOOkPa，检验压力Pft=1300kPa，管自重支撑角度1200。2.3.2试验方案

(1)试验方案参照《混凝土和钢筋混凝土排水管试验方法》(CBIT16752-2006)。

(2)加荷值与静停时间按照有关规定。当达到分级荷载时，应观察管体外表面裂缝并作好记录。

2.3.3实验结果及数据分析

通过计算管道顶部每米土荷载、活荷载、水重荷载、管自重四种外荷载在管壁内部造成的弯矩，换算为三边承载试验的线荷载为133.525kN/m。管道设计内水压力标准值为1.4倍工作压力标准值，在承载能力极限状态下，内水压力对管壁造成的拉力换算为203.774kN/m。两项荷载合计为337.3kN/m，即为三边承载试验结构设计线荷载。

加荷至1200kN（相当于400kN/m）时管内壁出现0.03mm宽的裂缝，加荷至1300kN（相当于433.33kN/m）时裂缝宽度扩展至0.18mm，并失去了抵扣外荷载的能力。经试验验证，该值Pc=337.3kN/m小于实际试验线荷载值433.33kN/m。外荷载试验破坏荷载与设计荷载比值为433.33/337.3-1=28%，证明JPCCP的结构设计方法是合理的、可靠的。

3 JPCCP作为顶管的性能改进分析

3.1 JPCCP用于顶管的特殊技术要求

依据PCCP结构特点，利用PCCP直接作为JPCCP使用需要从结构上解决以下问题：

(1)根据顶管施工要求，为减少顶进摩擦力，JPCCP外部结构应平整，且应增加注浆孔；

(2)顶管不但要承受竖向和水平土荷载及地面车辆荷载的压力，同时还需承受顶进施工过程的较大轴向顶力，JPCCP应增加承插口端面保护措施及平整度，且应满足顶力要求；

(3)避免JPCCP施工完成后接头渗漏水对路基造成变形，影响交通安全，要求JPCCP承插口接头止水效果可靠。

(4)JPCCP顶进完成后，为不影响使用寿命，外部承插口钢圈防腐问题应加以解决。3.2 JPCCP用于顶管需结构调整的措施

(1)针对普通PCCP外部的粗糙砂浆外保护层，JPCCP将其改为钢筋混凝土现浇保护层结构，—方面利用光滑的刚性板浇筑使其表面平整，起到减少顶进过程的摩擦力；另—方面可根据计算顶力要求，确定管芯外侧钢筋混凝土保护层的厚度。

(2) JPCCP结构形式目前还没有专门的计算方法，设计首先按照普通PCCP管道承受内外压设计参数进行管芯厚度、预应力高强缠丝设计计算；然后按照JPCCP外部混凝土抗裂进行复核验算，确定外层钢筋混凝土的厚度及配筋计算，最终确定JPCCP整体结构尺寸。

(3)针对接头有效均匀传力要求，通过在JPCCP制造过程中承口断面加大底模，插口断面局部整体浇注混凝土等措施实现JPCCP承插口断面混凝土达到平整，并在端面外部加设的钢圈。另外在顶进前再端面加设一定厚度的木垫圈，确保在顶进过程顶力全部由钢筋混凝土承受，不影响PCCP管芯质量。

(4)为保证接口止水可靠，JPCCP顶管接头止水设计分三道：第一道为PCCP双胶圈止水；第二道为接缝底部聚硫密封胶止水，高度25mm；第三道为内壁接缝表面聚脲防水涂层，宽度300mm，厚度2mm。聚硫密封胶和聚脲涂层均为柔性材料，可适应地形微小变化，同时两种材料和混凝土及钢材的粘接力较强，耐久性也很好，可起到很好的止水效果（如图1所示）。

(5)普通PCCP安装完成后利用砂浆对接头外部进行灌浆包封处理，使承插口钢圈长期处于碱性环境中，起到防腐保护作用；JPCCP顶管顶进施工完成后，利用预留的注浆孔—方面进行顶部回填灌浆，同时还对接头承插口钢圈采用水泥浆液进行封闭处理，起到防腐保护效果。

4禹门口提水东扩工程JPCCP应用情况

禹门口东扩工程输水管线贯穿高速公路匝道、国道、县乡级等级公路13处采用了JPCCP，总长度约622m。其中直径2.4m顶管1处，直径2m顶管2处，直径1.8m顶管9处，直径1.4m顶管1处，单处顶管最大长度为90m（管径1.8m）。为保证工程安全，穿越公路JPCCP设计覆土厚度均比实际覆土厚度有所提高。施工阶段将初步设计确定的顶涵内穿PCCP方案调整为JPCCP方案。2012年io月20日禹门口东扩工程开始对工程56km管道进行全线充水，11月10日完成全线充水，并开始进行分段水压试验，充水过程中组织巡线人员重点对13处JPCCP段进行巡查，未发现渗漏等异常情况，分段水压试验一次试验成功，证明JPCCP设计、制作及施工质量均满足工程使用要求。可以认为禹门口提水东扩工程JPCCP施工总体质量较好，管线静水压试验和试通水试验一次合格，工程应用取得了良好的效果。结论

(1) PCCP顶管是一种新型复合管材，兼有压力管道和顶管性能，具有成本低、进度快、施工简单的优点，对解决管线穿越建筑物问题具有很强的针对性和优势。

(2)通过综合采取PCCP和顶管结构设计方法，解决了JPCCP结构设计问题，试验证明结构安全可靠。通过采取结构改进措施，保证了JPCCP的顶进性能和工作性能。

(3)禹门口提水东扩工程设计采用13处PCCP顶管，经管线静水压试验和一年运行考验未发现任何异常，工程取得了良好的质量效果，为同类工程应用提供了极好的参考价值。