12.2.3.1　接头

钢筋混凝土管是由管段互相承插连接起来的,相邻管端之间的连接称为接头。接头不但要承插方便,而且又要密封。管道接头性能好坏与顶管施工、管线的质量关系极大。顶管施工中钢筋混凝土管接头作用有：①顶进时在管段间传递纵向顶力,防止钢筋混凝土管管壁裂缝；②在管轴线弯曲或曲线顶管时传递横向力,防止相邻管段错位；③管段间的密封,防止管道内外互相渗漏。

为了可靠地传递纵向顶力,需要在管段之间设置弹性垫片。这种垫片必须能够比较均匀地将顶力由前一管段传递到下一管段上去。设计顶力在钢筋混凝土管段上的平均应力并不高,约9～13MPa,但管道一旦产生偏差,管端的局部应力就很快升高,偏差越大,局部应力也越大。对C50的钢筋混凝土管,要求局部应力应控制在30MPa范围内,这就要求接头有良好的性能。为了减小局部应力,传力面上应加上垫片,而且应当柔软。垫片的另一作用是补偿管段端面的不平整度。在传递顶力的过程中,要求垫片应发生塑性变形,同时又不会变硬；垫片又要有弹性,但弹性又不能太大。弹性太大的垫片,在主站或中继站油缸卸载时,会导致管段一段一段的回弹,使顶进行程受到损失。因此垫片的选择在顶顶管施工中是重要的。

为了将两段管段连接在一起,可按图12.9(a)所示,用一个钢套管套在两相邻管段之间,在直线顶进情况下足以保证管段间的连接。但在偏差段或在曲线段,由于横向力的出现,两管端之间则可能发生相对错动,这样会使钢套管倾斜。因为钢套管仅有两点支承,当支承点变位时,钢套环必然倾斜,如图12.9(b)所示。如果将带着倾斜钢套管的管子继续向前顶进,便会把泥土挤入管端与钢套之间,这将导致顶进阻力的迅速增加,结果是刮松了土体,并造成钢套管的撕裂,顶管施工的停顿。

图12.9　钢套管倾斜示意图

改用T形接头,用腹板定位,情况有所好转,但危险依然存在。后来为了避免这种危险,将钢套管与前方管段的混凝土浇铸成一体,这就是T形接头向F形接头的演变过程。

F形接头的钢套管在管段上必须要牢固地固定。应用短钢筋将钢套管与钢筋笼焊接在一起[图12.10(a)],或在钢套管内侧焊上一个完整的钢环[图12.10(b)],不使钢套管松动。有了钢环,对提高钢套管与钢筋混凝土管之间的水密性也有利。

图12.10　F形接头密封和受力示意图

(a)钢套管用短钢筋与钢筋笼焊接；(b)钢套管上焊钢环、斜密封槽；(c)钢套管内侧加弹性密封胶；(d)密封槽前加钢箍、顶管结束时充填性密封胶

钢套管与钢筋混凝土管虽然浇铸在一起,但毕竟是两种弹性模量不一样的材料,而且黏结表面有限,所以还存在结合面渗漏的可能性。为了阻止结合面的渗漏,浇筑时在管端平面上靠钢套管一侧留有一个梯形槽,在梯形槽内充填弹性密封胶[图12.10(c)]。

F形接头的密封采用双重形式。第一道密封是在钢套管与后续管段的插头之间安装一条橡胶密封圈。设计必须保证在承插时或在横向力作用下,橡胶密封圈不会受到损坏,同时还要考虑浇筑混凝土时插头的脱模方便。图12.10(b)表示的插头,其密封圈槽是个斜面,混凝土浇筑后脱模是方便的,接头承插也是方便的,但不能承受较高的外部水压力。图12.10(a)表示的插头,其密封圈槽是条环形的凹槽。橡胶密封圈的前后都有挡肩,可以承受较大的内外水压力。但脱模比较困难,特别是管端的挡肩容易损坏,不但脱模时容易损坏,运输过程容易损坏,而且在传递纵向应力时也容易损坏[图12.10(c)]。为此,浇筑时可在管端挡肩处加上一个钢箍[图12.10(d)]保护管段的承插头。第二道密封在两相邻管段的端面之间。木垫片的内径应比管道内径大20mm,顶管施工结束后,在该缝隙封堵弹性密封胶[图12.10(d)]。封堵时,应特别注意混凝土表面一定要清洗干净,密封胶与混凝土的黏结要牢固。不致发生密封胶由混凝土表面松脱的现象。弹性密封胶可用聚氨醋类密封胶,要求既防水,又和混凝土有较强的黏着力,展延率要大于20%,寿命要长。接头中的橡胶密封圈不但密封性能要好、弹性好、耐老化而且要有一定的强度。

常见的接头有以下3种。

1.企口接头

企口接头如图12.11所示。管段间采用企口连接,其间设有一道密封圈。这种形式的接头,将管壁在接头处分成内外两部分,插口深度和插头长度是不一样长的,一般要差3～5mm,插入后间隙小的部分传递顶力,另一半不传递顶力。企口接头传递顶力的能力是比较小的,还不及其他接头的一半。企口接头的钢筋混凝土管不宜用于较长距离的顶管,特别是中长距离的顶管。

2.T形接头

T形接头是在两管段之间插入一钢套管,钢套管与两侧管段的插入部分均有橡胶密封圈(图12.12)。

图12.11　企口接头

图12.12　T形接头

1—T形套管；2—密封圈

3.F形接头

F形接头是T形接头的发展。典型的F形接头如图12.13所示。钢套管是一个钢筒,与管段的一端浇筑成一体,形成插口。管段的另一端混凝土做成插头,插头上有密封圈的凹槽。相邻管段连接时,先在插头上安装好密封圈,在插口上安装好木垫片,然后将插头插入插口就完成连接。这种接头在使用时一定要注意方向,插口始终是朝后的。

图12.13　F形接头(单位：mm)

1—钢套管；2—垫片；3—密封圈

(1)钢套管。钢套管在接头中主要起连接的作用。钢套管的厚度约为6～10mm,宽度为250～300mm,见表12.2,可由条形钢板卷制而成,宜采用耐腐蚀的钢材。钢套管的一端有坡口,便于压入密封圈。另一端与混凝土浇筑成一体,内外要涂上防腐涂料。钢套管的外径一般比混凝土管的外径小2～3mm。

(2)密封圈。密封圈形式很多,常用的有3种：O形、楔形和锯齿形。

1)O形密封圈。O形密封圈是最早采用的一种密封圈,形状简单,成本低。但压缩率小。密封圈的装配间隙要精确,设计压缩率可采用30%。O形密封圈可用于地下水压力较小或无地下水的场合,不适合用于曲线顶管。密封圈选用的直径见表12.3。

表12.2　钢套管的尺寸　单位：mm

表12.3　O形圈断面　单位：mm

2)楔形密封圈。楔形密封圈是后期发展起来的新型密封圈,如图12.14所示。压缩率最大可达57%,设计时可采用40%。装配间隙宽、容量大,可用于曲线顶管。楔形断面的滑动侧留有唇边,密封性能好,能承受较大的地下水压力。(www.daowen.com)

3)锯齿形密封圈。齿形密封圈(图12.15)的压缩率较大,设计时可采用38%。装配间隙的宽容量较大,可用于曲线顶管。密封性能好,能承受较大的水压力,但断面形状复杂,制造比较困难。

图12.14　楔形密封圈

图12.15　锯齿形密封圈

F形接头的密封圈可根据具体情况,在此3种形式中挑选。

(3)木垫片。木垫片的作用是传递顶力,使顶力传递均匀。木垫片的材料最好是软到中等硬度的木材,质地要均匀,并有弹性,如松木、杉木等,不宜用硬木。其厚度一般采用20～30mm,在曲线顶进或管径较大的场合应采用较厚的木垫片,反之管径较小的直线顶管或顶力偏小的场合可采用较薄的木垫片。木垫片由弧形拼接而成,垫片上要去掉木节,垫片的宽度要比管壁小,安装时每边至少费留出20mm,以防止混凝土的边缘开裂。有的地方木垫片也有被木屑板、层压板等所代替,但弹性不如木材。在顶力较大、口径较大或曲线顶管中均不宜代用。

12.2.3.2　钢筋混凝土管段的长度与壁厚

钢筋混凝土管段的长度取决于制管、吊装和运输能力,另外还根据曲顶管的曲率大小而定。对于直线顶进,如果吊装和运输能力允许,管段长度宜放长,一般采用2.5～3.0m。如采用长行程油缸,管段长度可放长到3.5m。从经济角度审视,因钢套管较贵,所以管段宜长不宜短。管段长还有利于加快施工速度,降低施工成本。

钢筋混凝土管的壁厚,一般为内径的1/12～1/10,曲线顶管还要加厚。日本标准的管壁较薄,德国较厚。根据我国的具体情况,制作工艺还不够成熟,宜采用较厚的管壁。

12.2.3.3　钢筋混凝土管允许顶力

钢筋混凝土管的混凝土强度等级一般都要求在C50以上,但设计取用的允许应力各不相同。

根据我国的具体情况,钢筋混凝土管的允许顶力可按下式计算：

式中　F——钢筋混凝土管允许顶力,kN；

K——安全系数,取K=6；

σ——混凝土抗压强度,kPa；

t——壁厚,m；

L1——密封圈槽底与外壁距离,m；

L2——木垫片至内壁的预留距离,m；

d——钢筋混凝土管内径,m。