顶管工程中逆作圆形工作井结构计算

顶管工程中逆作圆形工作井结构计算
赵双双
【摘要】以广州市北部水系建设沙河涌等三涌联合补水四期工程为例,主要介绍了逆作圆形工作井的设计计算过程,并提出了相应的工程措施来提高施工时井壁向上
的阻力.在土质参数选取及边界条件设定时,充分考虑施工现场的不利因素来进行井
壁内力及顶管顶进阻力的计算.实践证明:本工程计算方法有效可行,可供类似工程设计参考.
【期刊名称】《广西水利水电》
【年(卷),期】2017(000)003
【总页数】5页(P35-39)
【关键词】工作井;顶管反力;后座墙
【作者】赵双双
【作者单位】广州市水务规划勘测设计研究院,广州 510640
【正文语种】中文
【中图分类】TU455.47
广州市北部水系建设沙河涌等三涌联合补水四期工程包括沙河涌支线和猎德涌支线，工程等级为Ⅲ等，永久性建筑物的主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时
水工建筑物为5级。

其中猎德涌支线中采用DN800mm的预应力钢筒混凝土管（PCCP管），常流水流量及换水流量均为1.2m3∕s，补水线路长2 001m。

本工
程顶管施工用井结构形式采用钢筋混凝土圆形工作井，井体及封底采用C30商品
混凝土，井壁处预留出管道进出洞口。

本工程工作井采用逆作拱墙法施工，逆作拱墙支护系采用拱墙自上而下分段施工的一种支护结构。

拱墙土方分段逐层开挖，拱墙垂直方向每层拱墙高度不大1.0m，如果施工过程中遇到砂层等不良地基则以0.5m为一节来制作井身，具体视情况而定。

用明沟排水措施及时排除雨水或地表水，基坑平面设计成封闭拱墙。

逆作工法的特点是分段逐层开挖至每段深度，然后浇筑拱墙混凝土，拱墙混凝土养护到一定强度后拆出模板，再往下开挖基坑，再浇筑下段拱墙混凝土，如此反复进行，直至基坑开挖到设计标高，浇完底板混凝土为止。

本工程拟采用搅拌桩或拉森式钢板桩作为止水桩。

在顶管预留洞口处，应加强洞口处的井体制作，配筋必须满足构造要求。

2.1 设计资料
根据设计资料，工作井拱墙土方分段逐层开挖，以1m为一个单位分段来进行施工。

工作井（L1+826）采用圆形形式，内径为8.5m，壁厚取0.8 m，底板厚0.85m，井深8.2m。

后座墙宽度为4.5m，高度为4.5m，厚度为0.5m。

混凝土选用C30，钢筋选用HRB335级（Ⅱ级）。

地面标高24.46m，地下水位标高23.80m，地下水位距地面深度为0.70m（见图1）。

根据现场勘察资料，土层主要物理参数见表1。

2.2 井壁内力计算及截面设计
2.2.1 土压力计算
工作井的形式为圆形，由于实际地质情况是不均匀的，相应井壁在同一水平圆环上的土压力也是不均匀分布的。

大多数工程在设计中较少考虑或忽略此因素对工程的不利影响。

结合现场情况，该项目的工作井场地均位于比较敏感、重要的民国时期老建筑旁边，不可忽略此不利因素。

本次工程设计为了考虑土压力的不均匀分布，假定在互成90°的两点处土壤内摩擦
角的差值为5°～10°[1]。

互成90°的井圈上两点处沿径向分布的土压力分别为pA 和pB（pA＜pB），假定在倾斜方向的前、后（B-B'剖面）两侧土压力均有增大（见图2），其增量相当于土壤内摩擦角减小2.5°～5°，而在垂直与此倾斜方向的左、右两侧土压力均较小，相当于内摩擦角增大2.5°～5°。

在计算pA和pB时，土壤内摩擦角采用：
经判断，井底部土压力最大，所以取井底部的土压力进行计算。

确定最不利控制截面之后，考虑周围环境和周围土体高差对井壁内力的影响，岸边超出湖底标高的土体对井壁内力影响与工作井距离堤岸的远近有关，距离较近的工作井不可忽略该因素。

只在最不利的B点一侧取地面标高为28.13 m来进行井底部水土压力计算。

另外考虑岸上地面堆积活荷载，取20 kN∕m2进行计算（见图3）。

计算工作井底部区域井壁A、B点外侧的水平向水土压力：
2.2.2 内力计算
截面上弯矩标准值（井壁外侧受拉为负）：
截面上压力标准值：
2.2.3 配筋计算
环向配筋为内外侧双层，采用对称配筋，按压弯构件进行强度配筋计算。

内外侧钢筋均选用Ф25@200（Ⅱ级），满足规范要求。

井壁竖向配筋按构造要求，钢筋选用HRB335级（Ⅱ级）。

选配Ф18@250。

井壁顶进洞口是整个结构的一个薄弱点，按构造要求在洞口配置环状加强筋和水平及竖直向加强筋，把洞口边缘做成圈梁形式。

2.3 顶管顶进阻力计算
顶管顶进阻力为迎面阻力和顶管管壁外周摩阻力的合力，采用下式计算[2]：
式中：F——总推力，kN；
F0——初始推力，kN；
f0——每米管子与土层之间的综合摩擦阻力，kN∕m；
L——推进长度，m。

2.3.1 迎面阻力计算
式中：pe——挖掘面前土压力，pe=150 kPa；
pw——地下水压力，kPa；
Δp——附加压力（一般为20 kPa）；
Bc——管外径，m。

2.3.2 顶管管壁外周摩阻力计算
式中：R——综合摩擦阻力，kPa；
S——管外周长，m；
W——每米管子的重力，kN∕m；
f——管子重力在途中的摩擦系数，f=0.2。

f0L=1.27×(12×3.14×0.9+10×0.2)×68=3102.85kN
2.3.3 顶管顶进阻力计算
F=197.95+3102.85=3300.79kN
2.4 后座墙设计及土体稳定计算
2.4.1 后座墙设计
后座墙尺寸取：宽度b=4.5m，高度h=4.5m，厚度t=0.5m。

后座墙按构造配筋，配置双层双向钢筋，竖向选配Ф25@200，水平向选配Ф25@200，满足要求。

2.4.2 后座墙后土体稳定计算
计算方法：根据《顶管施工技术及验收规范》[3]，忽略钢制后座的影响，假定主
顶千斤顶施加的顶进力是通过后座墙均匀地作用在工作坑井的土体上，为确保后座在顶进过程中的安全，后座的反力或土抗力R应为总顶进力P的1.2～1.6倍，反力R可采用下式计算：
式中：R——总推力之反力，kN；
α——系数，取α =1.5～2.5；
B——后座墙的宽度，m；
γ——土的重度，kN∕m3；
H——后座墙的高度，m；
KP——被动土压力系数，按《顶管施工技术及验收规范》采用；
C——土的粘聚力，kPa；
h——地面到后座墙顶部土体的高度，m。

2.5 局部受压验算
根据《混凝土结构设计规范》[4]：
式中：Fl——局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值，kN；
fc——混凝土轴心抗压强度设计值，kPa；
βc——混凝土强度影响系数；
β1——混凝土局部受压时的强度提高系数；Aln为混凝土局部受压净面积，m2。

2.5.1 工作井井壁局部受压验算
1.35βcβ1fcAln=78185
2.5kN ＞ Fl=3690.95 kN（满足）。

2.5.2 后座墙局部受压验算
根据顶管机械设备资料，后座墙前面放一块后靠背顶铁，后靠背顶铁尺寸取
1.5m×2m进行计算：
2.6 工作井井壁受冲切承载力验算
根据《混凝土结构设计规范》[4]，按下式验算：
式中：βhp——受冲切承载力截面高度影响系数；
Fl——相应于荷载效应基本组合时的冲切力设计值；
um——临界截面的周长，取周边处板垂直截面的最不利周长。

2.6.1 后座墙对工作井井壁冲切验算
2.6.2 后靠背顶铁对后座墙冲切计算
计算简图见图4、5。

2.7 钢筋混凝土底板计算
底板厚度为0.85m，h0=800mm。

混凝土强度等级为C30。

水托浮力产生的底板反力设计值为：
上层选配Ф25@150，满足要求。

下层按构造选用，选配Ф18@150。

对底板进行抗剪计算，满足要求。

2.8 抗浮验算
井体自重：
浮力为：
抗浮安全系数：
因为井壁与土体之间还有一定的反摩阻力，所以基本能满足抗浮要求。

2.9 验算逆作法施工中井壁摩擦力
在施工过程中，为了保证每层井圈施工完毕后，整体不向下滑动，需要保证下滑力小于向上的阻力。

经计算各层井壁反摩阻力均略小于自重。

需要采取工程措施增大向上的阻力。

本工程采用以下工程措施：第一节井体制作时做成倒L形弯向周围土体，井壁周围打水泥搅拌桩进行支护和止水（见图6）。

另外第一节井体制作时候留出竖向钢筋焊接在钢板桩上，使钢板桩对井体有一定的支撑作用。

其中井壁竖向配筋为Ф18@250。

经计算能够保证安全施工，但计算过程中是以假定钢板桩不失稳为前提的，但是施工过程中钢板桩有失稳的可能性，所以应该加强监测，及时发现问题以便及时采取措施。

本文以顶管工程逆作工作井的工程为例，以力学计算为基础，为工作井及后座墙的
结构尺寸及配筋量设计提供依据。

该工程顶管过程已经完成，施工中未有漏水漏砂现象，堤岸沉降满足要求，支护效果良好，整体来看，本工程计算方法有效可行，设计符合相关规范的要求，结构安全性储备较高。

该逆作圆形工作井设计计算方法趋于保守，例如土压力采取最不利截面土压力，后座墙计算时没有考虑基坑整体作用等等。

在今后类似工程设计中，可在后座墙设计时适当考虑内支撑的作用和实际工程情况，以提高工程的经济性。

【相关文献】
[1]CECS13-2015，给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程[S].
[2]余彬泉，陈传灿.顶管施工技术（修订版）[M].北京：人民交通出版社，2005.
[3]中国非开挖技术协会.顶管施工技术及验收规范[M].北京：人民交通出版社，2006.
[4]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].。