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摘要：本文介绍了离心浇铸玻璃钢夹砂管的特点及有关顶力、偏角、管刚度、径向变形等参数的计算方法，宁波梅山岛盐田大道污水干管顶管工程中尝试采用了离心浇铸玻璃钢夹砂管，该工程的实施为今后玻璃钢夹砂管在海涂等腐蚀地基中的设计、施工提供了一定经验。
关键词：离心浇铸玻璃钢夹砂管；顶力；偏角；管刚度；径向变形
在城市排污工程的建设中，所选取排污管材的性能优劣将直接影响城市排污系统的可靠性和安全性。钢筋混凝土管等传统管材及其施工工艺由于其本身固有的一些缺点，已难以适应城市发展的需要。因此,逐步淘汰传统管材，大力推广璃钢夹砂管等新型管材，既符合国家节能环保政要求，又提高工程的技术、经济等综合效益，成为城市发展的必然趋势。由于璃钢夹砂管等新型管材相对传统管材在造价上较高、施工单位缺少实际施工经验等因素影响下，并未大规模使用。而根据建设工程的实际特点和需要，有针对性的使用璃钢夹砂管是提高工程设计施工质量、满足工程使用要求的需要。
目前在城市市政排水工程中使用的玻璃钢夹砂管有两种，一种采用离心浇铸工艺。另一种采用缠绕成型工艺。本文根据工程实际使用情况，介绍的是离心浇铸玻璃钢夹砂管，因为该管除具有一般玻璃钢夹砂管的优良性能外，独特的离心浇铸工艺使其具有管壁质地密实、均匀、强度高的优点。因此多采用于高填土、地面荷载大和纵向受力大的场所，顶管施工是其中之一。用离心浇铸玻璃钢夹砂管作为顶管，在美国和加拿大等发达国家已经非常普遍，目前我国已在浙江上虞、临海、椒江和上海等沿海较发达地区推广用于顶管工程。
1 工程设计概况
宁波梅山岛盐田大道污水顶管，位于盐场、滩涂下。管道工作环境位于盐碱土质、地下海水侵蚀区域，选择一种合适的管材使其具有优异的耐腐蚀性能, 经过与钢筋砼管、PE管其它管材比较，离心浇铸玻璃钢夹砂管是一种最佳的选择。因为该管具有轻质高强、输送流量大、安装方便、施工周期短及综合投资效益突出等优点。
盐田大道新建污水干管（管径DN800），全长约1295米，DN800顶管最大覆土深度约5米。区段顶进长度根据污水预留管位置需要最大为124m。根据地质资料分析，管道在淤泥质粉质粘土中顶进，土质具有流塑状态。高压缩性、含粉粒团的特点。沿线污水干管设置10个沉井，其中5个500×700cm工作井，5个300×500cm接收井，均采用钢筋混凝土沉井。管道顶进采用全断面切削的泥水平衡顶管机。管道顶进时采用触变泥浆减阻。
2 顶管计算
2.1 顶力
①工具管正面阻力F1：
泥水平衡顶管机正面阻力可按以下计算：
F1=πD2γ
=3.1416x0.822x17.7x5
=47kN
式中： D 为工具管外径 取D=0.82m
γ 为土的重度取γ=17.7 kN/ m3
为管顶覆土深度 取=5m
②管道单位摩阻力：
F2=πDf
=3.1416×0.82×5 =12.88 kN/m
式中：取平均摩阻力f=5kN/m2
③總顶力
F=F1+F2xL
=43+12.88×124=1640Kn
L为顶管长度 取L=124m
设计顶力定为1650kN。
2.2 壁厚
本工程按无中继环计算管壁厚度，并根据离心浇铸玻璃钢夹砂管允许顶力公式计算管壁厚度S5:
P=xxδa
其中：P 为设计顶力取P=1650 KN
k 为综合安全系数取k=3.5
d3 为管外径取d3=820mm
Zt 为外层加工深度（采用不锈钢套筒） 取Zt =5mm
T 为密封圈槽深 取T=6mm
S5 为管壁厚（内衬层厚度除外）
δa 为管材压缩强度取δa=90 MPa。
通过计算，DN800离心浇铸玻璃钢夹砂管有效壁厚为S5=37mm，加上内衬层厚度2mm，设计壁厚确定为39mm。
2.3 允许偏角
这里，偏角是指相邻管段间的偏转角，即无顶力时管段间的张开角。允许偏角是指在允许最大顶力作用下接头上没有缝隙，同时传力面的边缘达到最大允许应力的最大偏角。
允许偏角可按下式计算：
tanα=x=x=0.0105
α=0.60°
式中：为管材最小极限应变 取=0.5%
L为管段长度 取L=3.00 m
d3为管道外径 取 d3=0.82 m
偏角超过允许值顶力就要折减，下图表示不同偏角下的顶力折减情况。
离心浇铸玻璃钢纤维管允许顶力和偏角α的关系图
只要管道顶进偏差在规范允许范围内，偏角一般不会超过允许值。所以玻璃钢顶管一般在传力面上不需要用垫片。只有顶进偏差超过规范允许值，为了不使接头传力面上的应力不超过允许值，才有需要增加垫片。也就是说玻璃钢顶管，对一流的施工队伍来说是可以不用接头垫片的。
2.4 管刚度和径向变形
2.4.1计算环刚度
根据管材允许顶力计算出DN800顶管管壁总厚度39mm，
由公式S0=x，取=10800 MPa , S0=96827 N/m2。取初始环刚度值SN为97000N/m2 。
2.4.2 确定初始变形和长期许用变形
根据ISO10639标准，初始挠曲水平A=%=4.2%。参考《埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规程》CECS129：2001。
SN10000管道初始挠曲水平A为9%，长期许用变形为5%，初始变形为3%。
推算，SN97000管道初始挠曲水平A为4.2%，长期许用变形为2.3%，初始变形为1.4%。
初始许用变形为：（820-39）×1.4%=10.9mm。
长期许用变形为：（820-39）×2.3%=18.0mm。
2.4.2 环刚度和变形的验算
①地面载荷产生的管顶竖向压力（按两个轮压计算）
=
=
=3.18KN/ m2
式中：为动力系数（取1.0）,
n为多排轮压传递至管顶压力标准值（取2x2x70KN）,
为车轮着地分布长度（取0.2m），
为车轮着地分布宽度（取0.6m），
为沿车轮着地分布宽度方向，相邻车轮间的净距（取1.4m），
为沿车轮着地分布长度方向，相邻车轮间的净距（取1.8m），
②管顶竖向土压力
=X=17x5x820x10-3=69.7 KN/ m
式中：为回填土的重力密度（取17KN/m3），
为管道的外壁直径（取820mm），
③根据《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管道结构设计规程》，管道最大竖向变形值
=
=
==6.69mm<18.0mm
式中：为变形滞后效应系数（取1.3），
为管顶单位面积竖向土压力标准值（取69.7 KN/ m2），
为地面作用传递至管顶压力的准永久值系数（取0.5），
为地面作用传递至管顶的压力标准值（取3.18 KN/ m2），
为竖向压力作用下管道的竖向变形系数（取0.079），
为管侧土体综合变形模量（取2.0Mpa）
由计算可知，管道最大竖向变形值小于长期许用变形值。
④竖向变形
对顶进长度为120米的一段顶管施工完后，测量径向变形数据如下：
3 结束语
因玻璃钢夹砂管具有抗化学腐蚀、抗电腐蚀、流量大、寿命长的特点，该管又具有顶管施工所期望的管壁摩阻力小，运输方便、纵向顶力大的优点，所以特别适合在沿海地区需要抗腐蚀要求高的地方使用。
根据梅山岛盐田大道的污水主干管顶管施工过程来看，管道施工偏差均在规范允许范围内，触变泥浆减阻效果也很好，管道实际顶力均未超过允许顶力。管道顶进施工速度快，加快了工程进度，取得了较好的施工效益，为今后的排污工程使用玻璃钢夹砂管积累了设计和施工的实际经验。
参考文献:
[1]给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程,中国工程建设标准化协会,CECS190:2005.
[2]埋地给水排水玻璃纤维增强固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规范,中国工程建设标准化协会,CECS129:2001.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：离心浇铸玻璃钢夹砂管；顶力；偏角；管刚度；径向变形
在城市排污工程的建设中，所选取排污管材的性能优劣将直接影响城市排污系统的可靠性和安全性。钢筋混凝土管等传统管材及其施工工艺由于其本身固有的一些缺点，已难以适应城市发展的需要。因此,逐步淘汰传统管材，大力推广璃钢夹砂管等新型管材，既符合国家节能环保政要求，又提高工程的技术、经济等综合效益，成为城市发展的必然趋势。由于璃钢夹砂管等新型管材相对传统管材在造价上较高、施工单位缺少实际施工经验等因素影响下，并未大规模使用。而根据建设工程的实际特点和需要，有针对性的使用璃钢夹砂管是提高工程设计施工质量、满足工程使用要求的需要。
目前在城市市政排水工程中使用的玻璃钢夹砂管有两种，一种采用离心浇铸工艺。另一种采用缠绕成型工艺。本文根据工程实际使用情况，介绍的是离心浇铸玻璃钢夹砂管，因为该管除具有一般玻璃钢夹砂管的优良性能外，独特的离心浇铸工艺使其具有管壁质地密实、均匀、强度高的优点。因此多采用于高填土、地面荷载大和纵向受力大的场所，顶管施工是其中之一。用离心浇铸玻璃钢夹砂管作为顶管，在美国和加拿大等发达国家已经非常普遍，目前我国已在浙江上虞、临海、椒江和上海等沿海较发达地区推广用于顶管工程。
1 工程设计概况
宁波梅山岛盐田大道污水顶管，位于盐场、滩涂下。管道工作环境位于盐碱土质、地下海水侵蚀区域，选择一种合适的管材使其具有优异的耐腐蚀性能, 经过与钢筋砼管、PE管其它管材比较，离心浇铸玻璃钢夹砂管是一种最佳的选择。因为该管具有轻质高强、输送流量大、安装方便、施工周期短及综合投资效益突出等优点。
盐田大道新建污水干管（管径DN800），全长约1295米，DN800顶管最大覆土深度约5米。区段顶进长度根据污水预留管位置需要最大为124m。根据地质资料分析，管道在淤泥质粉质粘土中顶进，土质具有流塑状态。高压缩性、含粉粒团的特点。沿线污水干管设置10个沉井，其中5个500×700cm工作井，5个300×500cm接收井，均采用钢筋混凝土沉井。管道顶进采用全断面切削的泥水平衡顶管机。管道顶进时采用触变泥浆减阻。
2 顶管计算
2.1 顶力
①工具管正面阻力F1：
泥水平衡顶管机正面阻力可按以下计算：
F1=πD2γ
=3.1416x0.822x17.7x5
=47kN
式中： D 为工具管外径 取D=0.82m
γ 为土的重度取γ=17.7 kN/ m3
为管顶覆土深度 取=5m
②管道单位摩阻力：
F2=πDf
=3.1416×0.82×5 =12.88 kN/m
式中：取平均摩阻力f=5kN/m2
③總顶力
F=F1+F2xL
=43+12.88×124=1640Kn
L为顶管长度 取L=124m
设计顶力定为1650kN。
2.2 壁厚
本工程按无中继环计算管壁厚度，并根据离心浇铸玻璃钢夹砂管允许顶力公式计算管壁厚度S5:
P=xxδa
其中：P 为设计顶力取P=1650 KN
k 为综合安全系数取k=3.5
d3 为管外径取d3=820mm
Zt 为外层加工深度（采用不锈钢套筒） 取Zt =5mm
T 为密封圈槽深 取T=6mm
S5 为管壁厚（内衬层厚度除外）
δa 为管材压缩强度取δa=90 MPa。
通过计算，DN800离心浇铸玻璃钢夹砂管有效壁厚为S5=37mm，加上内衬层厚度2mm，设计壁厚确定为39mm。
2.3 允许偏角
这里，偏角是指相邻管段间的偏转角，即无顶力时管段间的张开角。允许偏角是指在允许最大顶力作用下接头上没有缝隙，同时传力面的边缘达到最大允许应力的最大偏角。
允许偏角可按下式计算：
tanα=x=x=0.0105
α=0.60°
式中：为管材最小极限应变 取=0.5%
L为管段长度 取L=3.00 m
d3为管道外径 取 d3=0.82 m
偏角超过允许值顶力就要折减，下图表示不同偏角下的顶力折减情况。
离心浇铸玻璃钢纤维管允许顶力和偏角α的关系图
只要管道顶进偏差在规范允许范围内，偏角一般不会超过允许值。所以玻璃钢顶管一般在传力面上不需要用垫片。只有顶进偏差超过规范允许值，为了不使接头传力面上的应力不超过允许值，才有需要增加垫片。也就是说玻璃钢顶管，对一流的施工队伍来说是可以不用接头垫片的。
2.4 管刚度和径向变形
2.4.1计算环刚度
根据管材允许顶力计算出DN800顶管管壁总厚度39mm，
由公式S0=x，取=10800 MPa , S0=96827 N/m2。取初始环刚度值SN为97000N/m2 。
2.4.2 确定初始变形和长期许用变形
根据ISO10639标准，初始挠曲水平A=%=4.2%。参考《埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规程》CECS129：2001。
SN10000管道初始挠曲水平A为9%，长期许用变形为5%，初始变形为3%。
推算，SN97000管道初始挠曲水平A为4.2%，长期许用变形为2.3%，初始变形为1.4%。
初始许用变形为：（820-39）×1.4%=10.9mm。
长期许用变形为：（820-39）×2.3%=18.0mm。
2.4.2 环刚度和变形的验算
①地面载荷产生的管顶竖向压力（按两个轮压计算）
=
=
=3.18KN/ m2
式中：为动力系数（取1.0）,
n为多排轮压传递至管顶压力标准值（取2x2x70KN）,
为车轮着地分布长度（取0.2m），
为车轮着地分布宽度（取0.6m），
为沿车轮着地分布宽度方向，相邻车轮间的净距（取1.4m），
为沿车轮着地分布长度方向，相邻车轮间的净距（取1.8m），
②管顶竖向土压力
=X=17x5x820x10-3=69.7 KN/ m
式中：为回填土的重力密度（取17KN/m3），
为管道的外壁直径（取820mm），
③根据《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管道结构设计规程》，管道最大竖向变形值
=
=
==6.69mm<18.0mm
式中：为变形滞后效应系数（取1.3），
为管顶单位面积竖向土压力标准值（取69.7 KN/ m2），
为地面作用传递至管顶压力的准永久值系数（取0.5），
为地面作用传递至管顶的压力标准值（取3.18 KN/ m2），
为竖向压力作用下管道的竖向变形系数（取0.079），
为管侧土体综合变形模量（取2.0Mpa）
由计算可知，管道最大竖向变形值小于长期许用变形值。
④竖向变形
对顶进长度为120米的一段顶管施工完后，测量径向变形数据如下：
3 结束语
因玻璃钢夹砂管具有抗化学腐蚀、抗电腐蚀、流量大、寿命长的特点，该管又具有顶管施工所期望的管壁摩阻力小，运输方便、纵向顶力大的优点，所以特别适合在沿海地区需要抗腐蚀要求高的地方使用。
根据梅山岛盐田大道的污水主干管顶管施工过程来看，管道施工偏差均在规范允许范围内，触变泥浆减阻效果也很好，管道实际顶力均未超过允许顶力。管道顶进施工速度快，加快了工程进度，取得了较好的施工效益，为今后的排污工程使用玻璃钢夹砂管积累了设计和施工的实际经验。
参考文献:
[1]给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程,中国工程建设标准化协会,CECS190:2005.
[2]埋地给水排水玻璃纤维增强固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规范,中国工程建设标准化协会,CECS129:2001.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。