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5mm，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。
图3 优化前后的鹰嘴橡胶密封圈( 单位: mm)
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］
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
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。
图4 优化前后接头数值模型示意图( 单位: 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。
图5 优化前后接头单位长度安装力曲线
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。
图6 优化前后接头橡胶圈应力云图( 单位: 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。
图7 优化前后接头橡胶圈接触压力云图( 单位: 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。
图8 优化前后接头橡胶圈接触压力曲线
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。
摘自：隧道建设