夾砂玻璃鋼頂管的設計制作與施工
摘 要：本文結合某飲水工程夾砂玻璃鋼頂管項目的執行，詳細介紹了該案例夾砂玻璃鋼頂管的設計要求、詳細設計、制作中的注意事項與體會、以及玻璃鋼頂管的一般安裝要求和安裝步驟，隨著玻璃鋼頂管在國內不斷的推廣應用，本文對類似玻璃鋼頂管工程的應用具有指導意義。
1 前 言
玻璃纖維增強塑料頂管(Glassfiberreinforcedplasticsjackingpipe)是在玻璃纖維增強塑料管的基礎上為適應地下非開挖頂進施工法而發展起來的一種管道產品。由于頂管施工工藝不僅對穿越軟質地段、鐵路、公路、河流等障礙物有特殊的實用意義，而且對埋設較深、處于城市鬧市區的地下管道施工有顯著的經濟效益和社會效益，從而被廣泛應用于管道的施工。夾砂玻璃鋼頂管具有頂力小、頂進精度高、重量輕、耐腐蝕、內壁光滑摩阻系數小、壽命長、管道和接口抗滲性能好等優點，應用越來越廣泛。在原材料、生產工藝等方面，頂管和常規的玻璃纖維增強塑料夾砂管有一定的相似之處，但在一些技術要求上也有明顯的不同之處。
本文結合某飲水工程頂管項目的執行，介紹了該案例夾砂玻璃鋼頂管的設計、制作、施工。
2 項目簡介
該飲水工程包括引水工程與水質環境工程兩大子項：
2.1 引水工程
開辟城市第二水源，引上游水庫水進市區，新建取水、輸水和凈水工程，改擴建配水管網，提高城市供水安全性和生活用水質標準。取水工程規模95萬m3/d，輸水管路總長度76km，其中隧洞40.4km，管道35.6km。凈水廠設計規模近期30萬m3/d;遠期60萬m3/d。
2.2 水質環境工程
水質環境工程包括新建兩座污水處理廠，并改造、建設與其配套的排水管網。其中A污水處理廠工程規格10萬m3/d;B污水處理廠工程，一期工程規格16萬m3/d的現狀，達到規定2010年重點城市污水處理率不低于70%的標準。配套該項目的建設需要截污干管及污水壓力管道夾砂玻璃鋼頂管規格如下：
3 頂管的產品設計
3.1 施工技術要求
(1)極限破壞頂力
極限破壞頂力為管環在均勻軸向力作用下的破壞頂力。極限破壞頂力除以安全系數得到施工容許頂力。極限破壞頂力除以安全系數得到施工容許頂力，不同的施工方案可選擇不同的安全系數。泥水平衡方法可選擇3倍安全系數；土壓平衡方法可選擇3.5倍安全系數；人工開挖可選擇4~5倍安全系數。[-page-]
(2)標準長度：有效長度為3米/根。
(3)管材剛度：
環向彎曲剛度SN≥Pa;
初始撓曲性的徑向變形率及要求：
(4)管材強度
管身材料及設備軸向抗壓強度>62MPa
管端材料及設備軸向抗壓強度>100MPa
(5)管口形式：不銹鋼套筒聯接
(6)連接密封性能測試：設計內壓力0.25MPa的1.5倍時，不滲漏.
3.2 產品設計
(1)管身設計：
通過對管道的施工要求的頂力、剛度及玻璃鋼材料鋪層特性等的分析，通過有限無對管材進行結構受力分析，終確定夾砂玻璃鋼頂管的壁厚及鋪層。管體采用典型夾砂結構進行鋪層，為了提高管道的強度及提高工藝性能，對管體輔以單向布進行軸向增強，端頭范圍采用純玻璃鋼進行鋪層，提高端頭承受和傳遞向載荷的能力。頂管采用有限元法進行受力分析如圖1示：
通過有限元計算，對軸向施加工作頂力，管道的大組合應變為0.0024，一般控制短時大允許應變小于0.003，應力為15MPa，較小軸向抗壓強度62MPa有效較高的安全系數，所以設計壁厚及設計鋪層滿足要求。[-page-]
(2)接頭設計
頂管聯接接頭設計采用不銹鋼套圈以避免套筒局部腐蝕，設計壁厚大于4mm，其需用拉伸強度根據GB150《鋼制壓力容器》進行選擇。不銹鋼圈、遇水膨脹膠圈和管頭凹槽配合進行彈性密封，對管端凹槽的詳細尺寸設計充分考慮膠圈的遇水膨脹量、壓縮率、充盈度等指標。
其典型密封結構如圖2示：
4 產品制造
夾砂玻璃鋼頂管的施工是對于受施工現場客觀條件的限制無法采用開挖方式埋設管道而采取的從地下頂進管道的一種施工方法。這種施工方法要求的管材與用埋設法要求的管材有非常大的區別，頂管相對于普通的埋設管的要求要嚴格多。其制作要點如下：
(1)管道外表面要求平整光滑，只有管道外表面平整光滑，在施工過程中才能減小磨擦阻力和頂力，管道外表面不平勢必會造成頂進過程中摩擦阻力增大，從而增大頂力。除管道外表面要求平整外，管道與不銹鋼圈之間也要平齊，不能出現明顯的高低差，否則同樣會增大磨擦力和頂力。因此，頂管的生產是要以控制頂管外徑為準，并與不銹鋼圈外徑保持一致。生產措施上可以考慮管道兩端上鋼制的擋環，擋環的高度與不銹鋼圈的外徑一致，以便生產時控制好管外徑。
(2)管道端面要平齊，垂直度要好，誤差要盡可能小。頂管是靠管端面作為接觸面來承受和傳遞頂力的，端面不平齊、垂直度不好會造成管道端面受力不勻，如局部接解點受力過大，終會導致頂進施工時局部受力過大而出現頂管端頭破裂分層現象。
(3)鋼圈采用不銹鋼材質，否則必須做好防腐處理。鋼圈長時間在外或埋于地下會生銹，從而影響整 體管線的長期使用壽命。
(4)為了防止頂管夾砂層分層破壞，頂管的兩端應采用純玻璃鋼制作，以保證有足夠的軸向強度和層間強度以承受和傳遞頂力。
(5)因頂管壁厚大，所以生產時間很長，故生產頂管的配方要小，否則會出現固化分層、炸裂或纖維浸潤等不良現象。
(6)頂管的模具精度要保證，頂管外表面要求光滑，錐度不能過大，因頂管是控制外徑的，所以模具的錐度對管道的外徑偏差有直接的影響，模具直徑的大與小差值易控制在3-5mm以內。模具的偏心也應嚴格控制以方便控制外徑(偏差在3mm以內)。
(7)制作設備必須考慮收塵措施，否則車間環境將會受到很大影響?？刹捎盟?或移動式吸塵。[-page-]
5 頂管施工技術
頂管施工技術就是在不需要開挖面層，借助于主頂油泵的推力，把工具箱或掘進機從工作坑內穿過土層，與此同時，也就把緊隨著工具箱或掘進機的頂管埋設在土層中的施工方法。頂管施工技術主要分為手掘式頂管施工、泥水式頂管施工、土壓式頂管施工、氣壓式頂管施工等。頂管施工技術所用的主要設備主要有主頂油缸、油泵、頂柱、導軌、控制閥門、漿液攪拌機、控制室 等。在該工程案例采用的是手掘式頂管施工，并在管外壁注漿潤滑減小頂進阻力。頂進施工的一般準備要求如下：
(1)玻璃鋼頂管可在廠內一端套好膠圈及鋼圈，施工時再將另一端套上膠圈。施工時向前插入前面的頂進頭或前一根玻璃鋼頂管的鋼圈承口中，鋼圈和橡膠圈構成了接頭密封形式，鋼圈還可以使前后推進的管道頭部對劑，也可以保證接頭有足夠的剛度并起到導向的作用。
(2)每根頂管應在其一端在圓周每隔120度均布3個注漿孔，以便施工時漿液注入。漿液的作用是減小土層與管道之間的摩擦力，增加潤滑，使管道更加容易的被頂進，從而使主頂油缸用力較小，減少管道損壞的概率。注漿機需要帶有螺紋，以方便注漿管聯接。也可以根據現場的情況調整注漿孔的使用量，視頂進難易程度間隔1-2根管道進行注漿潤滑。
(3)鋼套環接口要求無疵點，焊接接縫平整且需進行外部防腐處理。鐵圈的外徑要求與管道外壁一致，剛套環好使用不銹鋼材料。
(4)在頂管的工作過程中，還應有一根管子直接通到掘進室內，用來送入新鮮的空氣，以方便空氣的流通，工人呼吸。
頂進施工的一般步驟如下：
(1)施工時，主頂油箱和油泵都安裝在鋼板后背上，鋼板后背靠在墻上，掘進室先放在導軌上。
(2)由工人在掘進室中挖土，挖出的土由運土斗運到工作坑，由吊車把運土斗吊出工作坑，將掘進機靠頂柱伸縮從工作坑內頂進穿過土層。
(3)隨后玻璃鋼頂管跟進。頂鐵應置于主頂油泵和玻璃鋼頂管之間，以便把主頂油泵的推力較均勻的分布在所頂管子的端面上。
(4)在工作坑上面預先配制好漿液，并用管子將漿液和注漿相連以便隨時注漿，在頂管前進之前，通過注漿孔向管道和土層的縫隙中注漿，直到繼隙被充滿漿液為止。當注漿孔不用時，可暫用一個UPVC的六角螺母蓋將注漿孔封住，施工結束時可用手糊玻璃鋼將注漿孔封死。
(5)通過油缸前進實現頂管前進，待前面的管道頂進之后，由吊車把后續管道吊入工作坑中，由油泵把管道順著導軌頂進，直到與前面一根管子緊密連接為止。兩根玻璃鋼頂管之間應墊上纖維板以平衡過渡和分布頂力。
(6)如此循環操作到所有的管道全部頂完為止。施工照片如圖3示
6 結 論
本文結合某飲水工程夾砂玻璃鋼項目的執行，詳細介紹了該案例夾砂玻璃鋼頂管的設計要求、詳細設計、制作中的注意事項與體會以及玻璃鋼頂管的一般安裝要求和安裝步驟。正值玻璃鋼頂管在國內逐漸推廣使用之際，本文對類似項目的設計制作和施工具有指導意義。
1 前 言
玻璃纖維增強塑料頂管(Glassfiberreinforcedplasticsjackingpipe)是在玻璃纖維增強塑料管的基礎上為適應地下非開挖頂進施工法而發展起來的一種管道產品。由于頂管施工工藝不僅對穿越軟質地段、鐵路、公路、河流等障礙物有特殊的實用意義，而且對埋設較深、處于城市鬧市區的地下管道施工有顯著的經濟效益和社會效益，從而被廣泛應用于管道的施工。夾砂玻璃鋼頂管具有頂力小、頂進精度高、重量輕、耐腐蝕、內壁光滑摩阻系數小、壽命長、管道和接口抗滲性能好等優點，應用越來越廣泛。在原材料、生產工藝等方面，頂管和常規的玻璃纖維增強塑料夾砂管有一定的相似之處，但在一些技術要求上也有明顯的不同之處。
本文結合某飲水工程頂管項目的執行，介紹了該案例夾砂玻璃鋼頂管的設計、制作、施工。
2 項目簡介
該飲水工程包括引水工程與水質環境工程兩大子項：
2.1 引水工程
開辟城市第二水源，引上游水庫水進市區，新建取水、輸水和凈水工程，改擴建配水管網，提高城市供水安全性和生活用水質標準。取水工程規模95萬m3/d，輸水管路總長度76km，其中隧洞40.4km，管道35.6km。凈水廠設計規模近期30萬m3/d;遠期60萬m3/d。
2.2 水質環境工程
水質環境工程包括新建兩座污水處理廠，并改造、建設與其配套的排水管網。其中A污水處理廠工程規格10萬m3/d;B污水處理廠工程，一期工程規格16萬m3/d的現狀，達到規定2010年重點城市污水處理率不低于70%的標準。配套該項目的建設需要截污干管及污水壓力管道夾砂玻璃鋼頂管規格如下：
3 頂管的產品設計
3.1 施工技術要求
(1)極限破壞頂力
極限破壞頂力為管環在均勻軸向力作用下的破壞頂力。極限破壞頂力除以安全系數得到施工容許頂力。極限破壞頂力除以安全系數得到施工容許頂力，不同的施工方案可選擇不同的安全系數。泥水平衡方法可選擇3倍安全系數；土壓平衡方法可選擇3.5倍安全系數；人工開挖可選擇4~5倍安全系數。[-page-]
(2)標準長度：有效長度為3米/根。
(3)管材剛度：
環向彎曲剛度SN≥Pa;
初始撓曲性的徑向變形率及要求：
(4)管材強度
管身材料及設備軸向抗壓強度>62MPa
管端材料及設備軸向抗壓強度>100MPa
(5)管口形式：不銹鋼套筒聯接
(6)連接密封性能測試：設計內壓力0.25MPa的1.5倍時，不滲漏.
3.2 產品設計
(1)管身設計：
通過對管道的施工要求的頂力、剛度及玻璃鋼材料鋪層特性等的分析，通過有限無對管材進行結構受力分析，終確定夾砂玻璃鋼頂管的壁厚及鋪層。管體采用典型夾砂結構進行鋪層，為了提高管道的強度及提高工藝性能，對管體輔以單向布進行軸向增強，端頭范圍采用純玻璃鋼進行鋪層，提高端頭承受和傳遞向載荷的能力。頂管采用有限元法進行受力分析如圖1示：
通過有限元計算，對軸向施加工作頂力，管道的大組合應變為0.0024，一般控制短時大允許應變小于0.003，應力為15MPa，較小軸向抗壓強度62MPa有效較高的安全系數，所以設計壁厚及設計鋪層滿足要求。[-page-]
(2)接頭設計
頂管聯接接頭設計采用不銹鋼套圈以避免套筒局部腐蝕，設計壁厚大于4mm，其需用拉伸強度根據GB150《鋼制壓力容器》進行選擇。不銹鋼圈、遇水膨脹膠圈和管頭凹槽配合進行彈性密封，對管端凹槽的詳細尺寸設計充分考慮膠圈的遇水膨脹量、壓縮率、充盈度等指標。
其典型密封結構如圖2示：
4 產品制造
夾砂玻璃鋼頂管的施工是對于受施工現場客觀條件的限制無法采用開挖方式埋設管道而采取的從地下頂進管道的一種施工方法。這種施工方法要求的管材與用埋設法要求的管材有非常大的區別，頂管相對于普通的埋設管的要求要嚴格多。其制作要點如下：
(1)管道外表面要求平整光滑，只有管道外表面平整光滑，在施工過程中才能減小磨擦阻力和頂力，管道外表面不平勢必會造成頂進過程中摩擦阻力增大，從而增大頂力。除管道外表面要求平整外，管道與不銹鋼圈之間也要平齊，不能出現明顯的高低差，否則同樣會增大磨擦力和頂力。因此，頂管的生產是要以控制頂管外徑為準，并與不銹鋼圈外徑保持一致。生產措施上可以考慮管道兩端上鋼制的擋環，擋環的高度與不銹鋼圈的外徑一致，以便生產時控制好管外徑。
(2)管道端面要平齊，垂直度要好，誤差要盡可能小。頂管是靠管端面作為接觸面來承受和傳遞頂力的，端面不平齊、垂直度不好會造成管道端面受力不勻，如局部接解點受力過大，終會導致頂進施工時局部受力過大而出現頂管端頭破裂分層現象。
(3)鋼圈采用不銹鋼材質，否則必須做好防腐處理。鋼圈長時間在外或埋于地下會生銹，從而影響整 體管線的長期使用壽命。
(4)為了防止頂管夾砂層分層破壞，頂管的兩端應采用純玻璃鋼制作，以保證有足夠的軸向強度和層間強度以承受和傳遞頂力。
(5)因頂管壁厚大，所以生產時間很長，故生產頂管的配方要小，否則會出現固化分層、炸裂或纖維浸潤等不良現象。
(6)頂管的模具精度要保證，頂管外表面要求光滑，錐度不能過大，因頂管是控制外徑的，所以模具的錐度對管道的外徑偏差有直接的影響，模具直徑的大與小差值易控制在3-5mm以內。模具的偏心也應嚴格控制以方便控制外徑(偏差在3mm以內)。
(7)制作設備必須考慮收塵措施，否則車間環境將會受到很大影響?？刹捎盟?或移動式吸塵。[-page-]
5 頂管施工技術
頂管施工技術就是在不需要開挖面層，借助于主頂油泵的推力，把工具箱或掘進機從工作坑內穿過土層，與此同時，也就把緊隨著工具箱或掘進機的頂管埋設在土層中的施工方法。頂管施工技術主要分為手掘式頂管施工、泥水式頂管施工、土壓式頂管施工、氣壓式頂管施工等。頂管施工技術所用的主要設備主要有主頂油缸、油泵、頂柱、導軌、控制閥門、漿液攪拌機、控制室 等。在該工程案例采用的是手掘式頂管施工，并在管外壁注漿潤滑減小頂進阻力。頂進施工的一般準備要求如下：
(1)玻璃鋼頂管可在廠內一端套好膠圈及鋼圈，施工時再將另一端套上膠圈。施工時向前插入前面的頂進頭或前一根玻璃鋼頂管的鋼圈承口中，鋼圈和橡膠圈構成了接頭密封形式，鋼圈還可以使前后推進的管道頭部對劑，也可以保證接頭有足夠的剛度并起到導向的作用。
(2)每根頂管應在其一端在圓周每隔120度均布3個注漿孔，以便施工時漿液注入。漿液的作用是減小土層與管道之間的摩擦力，增加潤滑，使管道更加容易的被頂進，從而使主頂油缸用力較小，減少管道損壞的概率。注漿機需要帶有螺紋，以方便注漿管聯接。也可以根據現場的情況調整注漿孔的使用量，視頂進難易程度間隔1-2根管道進行注漿潤滑。
(3)鋼套環接口要求無疵點，焊接接縫平整且需進行外部防腐處理。鐵圈的外徑要求與管道外壁一致，剛套環好使用不銹鋼材料。
(4)在頂管的工作過程中，還應有一根管子直接通到掘進室內，用來送入新鮮的空氣，以方便空氣的流通，工人呼吸。
頂進施工的一般步驟如下：
(1)施工時，主頂油箱和油泵都安裝在鋼板后背上，鋼板后背靠在墻上，掘進室先放在導軌上。
(2)由工人在掘進室中挖土，挖出的土由運土斗運到工作坑，由吊車把運土斗吊出工作坑，將掘進機靠頂柱伸縮從工作坑內頂進穿過土層。
(3)隨后玻璃鋼頂管跟進。頂鐵應置于主頂油泵和玻璃鋼頂管之間，以便把主頂油泵的推力較均勻的分布在所頂管子的端面上。
(4)在工作坑上面預先配制好漿液，并用管子將漿液和注漿相連以便隨時注漿，在頂管前進之前，通過注漿孔向管道和土層的縫隙中注漿，直到繼隙被充滿漿液為止。當注漿孔不用時，可暫用一個UPVC的六角螺母蓋將注漿孔封住，施工結束時可用手糊玻璃鋼將注漿孔封死。
(5)通過油缸前進實現頂管前進，待前面的管道頂進之后，由吊車把后續管道吊入工作坑中，由油泵把管道順著導軌頂進，直到與前面一根管子緊密連接為止。兩根玻璃鋼頂管之間應墊上纖維板以平衡過渡和分布頂力。
(6)如此循環操作到所有的管道全部頂完為止。施工照片如圖3示
6 結 論
本文結合某飲水工程夾砂玻璃鋼項目的執行，詳細介紹了該案例夾砂玻璃鋼頂管的設計要求、詳細設計、制作中的注意事項與體會以及玻璃鋼頂管的一般安裝要求和安裝步驟。正值玻璃鋼頂管在國內逐漸推廣使用之際，本文對類似項目的設計制作和施工具有指導意義。
