一种硬岩曲线钢顶管实体模型及设计方法与流程

1.本发明涉及曲线钢顶管施工技术领域，尤其是一种硬岩曲线钢顶管实体模型及设计方法。


背景技术：

2.顶管技术是一项用于市政施工的非开挖掘进式管道铺设施工技术。优点在于不影响周围环境或者影响较小，施工场地小，噪音小。而且能够深入地下作业，这是开挖埋管无法比拟的优点。但是顶管技术也有缺点，施工时间较长，工程造价高等。
3.目前穿江、跨海用到非开挖掘技术越来越普遍，其中以顶管技术居多，但是钢顶管施工中也存在以下问题：其一，在穿江、跨海中顶管技术的杆件越短越容易在隧道内畅通无阻，但是较短的杆件会造成施工成本提高、施工周期变长；其二，由于水下地层比较复杂，或者需要避开某些建筑物、构筑物，需要采用曲线结构。特别是长距离的顶管中，往往有一段或局部在岩石当中，而在岩石中形成的通道是不可变动的，这就需要杆件在已形成的设计通道内圆顺行走，避免形成线性卡管；其三，在长距离的顶进中需要布设活动节或中继间对杆件进行灵活地调整，那么该如何妥善设置杆件、活动节、中继间之间的位置。
4.如申请号cn202110672551.2，名称为分节预制式曲线顶管的顶力计算方法的中国发明专利，在对现有分节预制、现场拼装式钢筋混凝土顶管管节受力分析的基础上，分析研究曲线顶进状态下管节轴向顶力受弯曲影响而折减的力学平衡规律，适用于多段不同平面、不同曲率半径及不同管节长度所组成的曲线轴线的顶管顶力计算，而且还可以分别考虑不同曲线段的管节长度和不同段管节与土体摩阻力之间的影响，该专利对搭建曲线钢顶管起到了启示作用。
5.因此，需要通过合理地计算杆件的长度并建立与工程实体等比例缩小的模型，来验证杆件设置的合理性，确保曲线钢顶管的设计的正确性，故设计一种硬岩曲线钢顶管实体模型及设计方法。


技术实现要素：

6.本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种硬岩曲线钢顶管实体模型及设计方法，既能推演杆件在设计的隧道内是否畅通无阻，又能验证活动节或中继间布置的合理性，同时也验证曲线钢顶管设计的合理性。
7.为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种硬岩曲线钢顶管实体模型，包括曲线通道，所述曲线通道内形成曲线段，所述曲线通道由左、右斜直线段和左、右斜直线段之间的曲线段组成，所述曲线通道内布设顶管，所述顶管包括第一斜直线段、圆曲线段、第二斜直线段，所述圆曲线段位于第一斜直线段、第二斜直线段之间，所述圆曲线段布设在曲线通道的曲线段中；所述圆曲线段包括若干第二杆件，所述第二杆件由基础杆件和第二活动节组成或者由基础杆件和第二中继间组成。
8.作为本发明的一种优选方案，所述第一斜直线段包括至少一个第一杆件，所示第
一杆件由基础杆件和第一活动节组成或者由基础杆件和第一中继间组成。
9.作为本发明的一种优选方案，所述第二斜直线段包括至少一个第三杆件，所述第三杆件由基础杆件和第三活动节组成或者由基础杆件和第三中继间组成。
10.作为本发明的一种优选方案，所述基础杆件和第二活动节连接处的张口量或者基础杆件和第二中继间连接处的张口量小于或者等于20mm。
11.作为本发明的一种优选方案，所述第一活动节、第二活动节、第三活动节、第一中继间、第二中继间、第三中继间的调节角度小于或者等于2
°
，所述第一活动节、第二活动节、第三活动节的长度尺寸相同，所述第一中继间、第二中继间、第三中继间的长度尺寸相同，所述第二中继间的长度尺寸大于第二活动节的长度尺寸。
12.作为本发明的一种优选方案，所述第一斜直线段的入射角度为2
°‑8°
之间，所述第二斜直线段的顶出角度为2
°‑8°
之间。
13.一种硬岩曲线钢顶管实体模型的设计方法，包括步骤1：确定曲线段的中心线半径尺寸，确定曲线通道的内径尺寸，确定顶管的外径尺寸；步骤2：通过曲线段的中心线半径尺寸，曲线通道的内径尺寸，顶管的外径尺寸，计算出曲线段的中心线外侧半径尺寸，计算出曲线段的中心线内侧半径尺寸，计算出圆曲线段的中心线外侧半径尺寸；步骤3：通过曲线段的中心线外侧半径尺寸、圆曲线段的中心线外侧半径尺寸，来计算顶管在曲线通道通行时第二杆件的长度尺寸；步骤4：计算第二杆件与曲线段是否存在距离，来验证二杆件的长度尺寸的合理性；步骤5：再通过最小曲率半径值来验证曲线段的中心线半径尺寸的合理性。
14.作为本发明的一种优选方案，所述曲线段的中心线半径尺寸设定为a，曲线通道的内径尺寸设定为b，顶管的外径尺寸设定为c，曲线段的中心线外侧半径尺寸为a+b/2，曲线段的中心线内侧半径尺寸为a-b/2，圆曲线段的中心线外侧半径尺寸为a-b/2+ c。
15.作为本发明的一种优选方案，所述第二杆件的长度尺寸设定为d，d小于。
16.作为本发明的一种优选方案，所述第二杆件距离曲线段的单边距离为。
17.本发明的有益效果是：1.本发明的顶管通过演算和实体建模，设立第一斜直线段、圆曲线段、第二斜直线段实现顶管在曲线通道中的通过，其中，第一斜直线段、圆曲线段、第二斜直线段中设置基础杆件、活动节、中继间等部件，方便杆件在曲线通道中的转向和衔接，有利于顶管在曲线通道中的顶入。
18.2.本发明第一斜直线段的入射角度要控制在2
°‑8°
之间，第二斜直线段的顶出角度要控制在2
°‑8°
之间，避免入射角度、顶出角度过大影响第一斜直线段、圆曲线段、第二斜直线段之间的连接，避免顶管无法在曲线通道中调节，不利于顶管的顶入。
19.3.本发明通过验算第二杆件距离曲线段的单边距离、第二杆件与曲线段刚好卡住
的数值以及曲线段的最小曲率半径数值来验证第二杆件设置的可行性，确保圆曲线段能在曲线段中通过。
附图说明
20.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明曲线段的部分结构示意图；图3是本发的第一斜直线段的结构示意图；图4是本发明第二斜直线段的结构示意图；图中附图标记：第一斜直线段1，圆曲线段2，第二斜直线段3，曲线段4，第一杆件11，第一活动节12，第一中继间13，第二杆件21，第二活动节22，第二中继间23，第三杆件31，第三活动节32，第三中继间33，基础杆件100，曲线通道200，顶管300。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
22.图1是本发明的结构示意图，由于结构整体长度过长，因此，在结构的中间设立省略线来省略结构的部分长度，而图2的曲线段也仅仅截取了曲线段的部分结构。
23.如图1-4所示，一种硬岩曲线钢顶管实体模型，包括曲线通道200，所述曲线通道200内形成曲线段4，所述曲线通道200由左、右斜直线段和左、右斜直线段之间的曲线段4组成，所述曲线通道200内布设顶管300，所述顶管300包括第一斜直线段1、圆曲线段2、第二斜直线段3，所述圆曲线段2位于第一斜直线段1、第二斜直线段3之间，所述圆曲线段2布设在曲线通道200的曲线段4中，第一斜直线段1、第二斜直线段3也布设在曲线通道200的左、右斜直线段中；所述圆曲线段2包括若干第二杆件21，所述第二杆件21由基础杆件100和第二活动节22组成或者由基础杆件100和第二中继间23组成，所述第二活动节22、第二中继间23能起到调节角度的作用，其中，第二中继间23还能起到分段顶进的作用。
24.具体的，顶管300位于曲线通道200内并顺着曲线通道200的轨迹运行，顶管300的第一斜直线段1、第二斜直线段3能顺利通过曲线通道200的直线段，而面对曲线通道200的曲线段4，顶管300需通过计算形成圆曲线段2以适配曲线通道20的曲线段4方便顶管300的通过，其中，圆曲线段2为了避免与曲线通道200的曲线段4卡住，圆曲线段2需细分为若干个第二杆件21，同时，为了适应曲线段的角度变化，将第二杆件21分为基础杆件100和第二活动节22或者将第二杆件21分为基础杆件100和第二中继间23，其中第二活动节22、第二中继间23方便第二杆件21在曲线通道200的曲线段内转向，有利于圆曲线段2在曲线通道200内通过。
25.第一斜直线段1包括至少一个第一杆件11，所示第一杆件11由基础杆件100和第一活动节12组成或者由基础杆件100和第一中继间13组成。
26.第二斜直线段3包括至少一个第三杆件31，所述第三杆件31由基础杆件100和第三活动节32组成或者由基础杆件100和第三中继间33组成。
27.具体的，第一斜直线段1中的第一活动节12和第二斜直线段3中的第三活动节32结构相同，尺寸相同；第一斜直线段1中的第一中继间13和第二斜直线段3中的第三中继间33结构相同，尺寸相同；而由于第一斜直线段1、第二斜直线段3需适应不同尺寸的曲线通道
200，因此，第一斜直线段1中第一杆件11的数量与第二斜直线段3中第三杆件31的数量不同。
28.第一斜直线段1和圆曲线段2连接处可通过第一活动节12或第一中继间13实现转向，第二斜直线段3和圆曲线段2连接处也可通过第三活动节32或第三中继间33实现转向。
29.由于圆曲线段2是弧形，因此基础杆件100和第二活动节22连接处或者基础杆件100和第二中继间23连接处存在张口量，即第二活动节22、第二中继间23一边顶住基础杆件100的情况下，另一边转弯调角度而存在张口量，基础杆件100和第二活动节22连接处的张口量或者基础杆件100和第二中继间23连接处的张口量小于或者等于20mm，进一步的，由于第二中继间23中存在千斤顶，其张口量要大于第二活动节22。
30.第一活动节12、第二活动节22、第三活动节32、第一中继间13、第二中继间23、第三中继间33的调节角度小于或者等于2
°
，第一活动节12、第二活动节22、第三活动节32的长度尺寸相同，第一中继间13、第二中继间23、第三中继间33的长度尺寸相同，第一中继间13的长度尺寸大于第一活动节12的长度尺寸，第一中继间13的长度尺寸优选为1.6m，第一活动节12的长度尺寸优选为0.4m。
31.第一斜直线段1的入射角度为2
°‑8°
之间，所述第二斜直线段3的顶出角度为2
°‑8°
之间，避免入射角度、顶出角度过大顶管300无法在曲线通道200有效调节，不利于顶管300的顶入，在图1-4中通过标注l来表示入射角度，通过标注p来表示顶出角度，入射角度为第一斜直线段1的中心线与水平面的夹角且该夹角均为锐角，顶出角度为第二斜直线段3中心线与水平面的夹角且该夹角均为锐角。
32.一种硬岩曲线钢顶管实体模型的设计方法，包括步骤1：确定曲线段（4）的中心线半径尺寸，确定曲线通道（200）的内径尺寸，确定顶管（300）的外径尺寸；步骤2：通过曲线段（4）的中心线半径尺寸，曲线通道（200）的内径尺寸，顶管（300）的外径尺寸，计算出曲线段（4）的中心线外侧半径尺寸，计算出曲线段（4）的中心线内侧半径尺寸，计算出圆曲线段（2）的中心线外侧半径尺寸；步骤3：通过曲线段（4）的中心线外侧半径尺寸、圆曲线段（2）的中心线外侧半径尺寸，来计算顶管（300）在曲线通道（200）通行时第二杆件（21）的长度尺寸；步骤4：计算第二杆件（21）与曲线段（4）是否存在距离，来验证二杆件（21）的长度尺寸的合理性；步骤5：再通过最小曲率半径值来验证曲线段（4）的中心线半径尺寸的合理性。
33.曲线段（4）的中心线半径尺寸设定为a，曲线通道（200）的内径尺寸设定为b，顶管（300）的外径尺寸设定为c，曲线段（4）的中心线外侧半径尺寸为a+b/2，曲线段（4）的中心线内侧半径尺寸为a-b/2，圆曲线段（2）的中心线外侧半径尺寸为a-b/2+ c。
34.第二杆件（21）的长度尺寸设定为d，d小于。
35.第二杆件（21）距离曲线段（4）的单边距离为。
36.具体实施例中：以福建省某硬岩曲线钢顶管施工为例，曲线通道200直线全长为1137.679m，曲线
通道200的内径为2.14m，即b=2.14m；顶管300采用dn2000钢管，顶管300的外径为2.02m，即c=2.02m。曲线段4的中心线半径尺寸选用接近曲线通道200直线全长的一半，这样弧度较小，方便施工，选用曲线段4的中心线半径尺寸为6000m，即a=6000m。
37.第一斜直线段1的入射角度要控制在2
°‑8°
之间，第二斜直线段3的顶出角度要控制在2
°‑8°
之间，避免入射角度、顶出角度过大影响第一斜直线段1、圆曲线段2、第二斜直线段3之间的连接。
38.在满足a=6000m，b=2.14m，c=2.02m，入射角度在2
°‑8°
之间，顶出角度在2
°‑8°
之间的条件下进行cad建模， cad建模后，顶管300的第一斜直线段1以3.15
°
斜直线下坡顶进160m，再通过中心线半径尺寸为6000m的圆曲线段2顶进611.562m，最后第二斜直线段3以2.7
°
斜直线上坡顶进374.26m出土并进一步顶至接收井，顶管300穿过曲线通道200并从强风化岩层穿越至中砂淤泥层。
39.同时，形成顶管300的dn2000钢管的材料采用q355b(镇静钢)，dn2000钢管之间采用直缝埋弧焊制，dn2000钢管的管节长度为7.2m；连接dn2000钢管之间的中继间的长度尺寸为1.6m；连接dn2000钢管之间的活动节的长度尺寸为0.4m，中继间、活动节可调节最大角度为2
°
。
40.进一步，计算第二杆件21、基础杆件100的数值，并验证顶管300是否适用在曲线通道200中。
41.曲线段4的中心线半径尺寸为6000m，即a=6000m，曲线通道200的内径为2.14m， 即b=2.14m，那么曲线段4的中心线外侧半径尺寸为a+b/2，即a+b/2=6001.07m，曲线段4的中心线内侧半径尺寸为a-b/2，即a-b/2=5998.93m。
42.顶管300的外径为2.02m，即c=2.02m，那么圆曲线段2的中心线外侧半径尺寸为a-b/2+ c，a-b/2+ c=6000.95m。
43.顶管300在第一斜直线段1、第二斜直线段3中直线倾斜进入因此均不会被卡入，顶管300只有在曲线段4中才会被卡住，因此只需计算顶管300的第二杆件21刚好卡在曲线段4的数值，该值==72.6m，第二杆件21=72.6m时顶管300将不能在曲线段4中通行，而钢管的管节长度为7.2m，10根钢管连接后的长度为72m，此时第二杆件21将不能在曲线段4中通行，因此，减去2根钢管，选用8根钢管，即基础杆件100的长度尺寸为7.2
×
8=57.2。
44.而第二杆件21由基础杆件100和第三活动节32组成或者由基础杆件100和第三中继间33组成。而第三活动节32、第三中继间33转向时还存在张口量，但该张口量的数值较小，可以忽略不记，因此，第二杆件21的长度尺寸d= 8
×
7.2+0.4=58m或者8
×
7.2+1.6=59.2m。同时，为了方便加工安装，第一杆件11、第三杆件31选用与第二杆件21相同的结构，第一杆件11、第三杆件31也可以优选为取58m或者59.2m。
45.验算第二杆件21距离曲线段4的单边距离， ，=0.0235m，存在0.0235m距离，第二杆件21能在曲线段4中通过，同时，参考陈楠博士的《复杂环境中大直径钢顶管的受力特性研究》的
文献，文献中杆的l/d的比小于30时，此处d为直径，最小曲率半径建议为d的2400倍，而第二杆件21的l/d=59.2/2.02=29.2，则曲线段4的最小曲率半径建议为2.02
×
2400=4848m,而实际圆曲线段2的中心线半径尺寸为6000m，因此，通过cad建模的顶管300模型可行。
46.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
47.尽管本文较多地使用了图中附图标记：第一斜直线段1，圆曲线段2，第二斜直线段3，曲线段4，第一杆件11，第一活动节12，第一中继间13，第二杆件21，第二活动节22，第二中继间23，第三杆件31，第三活动节32，第三中继间33，基础杆件100，曲线通道200，顶管300等术语，但并不排除使用其它术语的可能性；使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。