沉井结构计算书(详细)

深圳市城市轨道交通4号线工程
主体工程4302标段二工区
（沉井）结构计算书
计算:
校核: 审定:
中铁二局工程有限公司
深圳市轨道交通4号线4302标二工区项目部
2016年10月
1目录
1 目录 (2)
1.1 顶管概况 (3)
1.2 顶管工作井、接收井尺寸 (3)
1.3 1200mm管顶力计算 (3)
1.3.1 推力计算 (3)
1.3.2 壁板后土抗力计算： (4)
1.3.3 后背土体的稳定计算： (4)
1.4 工作井（沉井）下沉及结构计算 (4)
1.4.1 基础资料： (4)
1.4.2 下沉计算： (5)
1.4.3 下沉稳定计算： (5)
1.4.4 刃脚计算： (5)
1.4.5 沉井竖向计算： (6)
1.4.6 井壁内力计算：(理正结构工具箱计算) (7)
1.4.7 底板内力计算：(理正结构工具箱计算) (12)
1.5 接收井（沉井）下沉及结构计算 (13)
1.5.1 基础资料： (13)
1.5.2 下沉计算： (14)
1.5.3 下沉稳定计算： (14)
1.5.4 抗浮稳定计算(沉井下沉到设计标高浇注底板后)： (14)
1.5.5 刃脚计算： (14)
1.5.6 沉井竖向计算 (15)
1.5.7 井壁内力计算：(理正结构工具箱计算) (16)
1.1顶管概况
（1）钢筋
Ф—HRB335级钢筋强度设计值fy=fy′=300N/ mm2
（2）圆管砼：采用C50，沉井采用C30。

（3）所顶土层为黏土，r=17KN/ m3
本计算除井壁、底板外未采用专业计算软件。

1.2顶管工作井、接收井尺寸
1、工作井尺寸的设计、核算由检查井的设计要求及顶管操作技术要求决定。

（1）、工作井的宽度计算公式
B =D+2b+2c 式中：
B——工作井宽度；
D——顶进管节的外径尺寸；
b——工作井内安好管节后两侧的工作空间，本工程采用每侧0.8m；
c——护壁厚度，本工程采用0.4m；
本工程的顶管直径为D1000，壁厚200。

工作井的宽度尺寸为 B=8.7mm；
（2）工作井底的长度计算公式：
L=L1+L2+L3+2L4+L5式中：
L——工作井底部开挖长度；
L1——管节长度取2m ；
L2——顶镐机长度取1.1m ；
L3——出土工作长度，取1.1m；；
L4——后背墙的厚度，取0.4m；；
L5——已顶进的管节留在导轨上的最小长度，取0.3m。

确定本工程工作井的底部长度尺寸为 L=8.7m。

（3）工作井的深度工作井的深度由设计高程和基础底板的厚度决定。

（4）接收井尺寸只需满足工具管退出即可，本工程接收井尺寸4.35m。

1.31200mm管顶力计算
1.3.1推力计算
=1.2m
管径D
1
管外周长 S=3.14d=3.14x1.6=5.024m
顶入管总长度L=50m 管壁厚t=0.2m
顶入管每米重量W={3.14X（1.42-1.02）/4}X25=18.84KN/m
管涵与土之间摩擦系数f=0.40
=RS+Wf=5x5.024+18.84x0.4=32.656
每米管子与土层之间的综合摩擦阻力 f
kN/m
初始推力 F0=（Pe+Pw+△P）(3.14/4)B2c=（150+2.0 x10+20x3.14/4x1.62=484.6kN
总推力 F= F 0+ f 0L=484.6+32.656x 50=2117.4 kN
1.3.2 壁板后土抗力计算：
顶管总推力设计值 Pt=1.5x2117.4=3176.1 kN
顶管力至刃脚底的距离：h f =2.5m 沉井尺寸r c =8.7m
q Amax =4 Pt/(3 s f ) =4x3176.1/(3x59.416x2.5)=28.51kpa
q A =28.51x(8-1.5)/8=23.16 kpa
MA=-0.307qAr2c=-0.307x43.42x(59.416)2=-47058 kN.m
1.3.3 后背土体的稳定计算：
主动土压力标准值Pa=rZtg 2（45°-
235︒）= 21x8xtg 2（45°-2
35︒）=45.53kN/m 2
被动土压力标准值Pp= rZtg 2（45°+235︒）= 21x8xtg 2（45°+2
35︒）=619.95 kN/m 2 沉井前方总主动土压力标准值Pa=0.5rH 2tg 2（45°-2
35︒）= 0.5x21x82 x tg 2（45°-2
35︒）=182.11 kN/m 2 沉井后方总被动土压力标准值Pp=0.5rH 2tg 2（45°+2
35︒）= 0.5x21x82 x tg 2（45°+2
35︒）=2479.80kN/m 2 h p =H/3=8/3=2.67 m
§=( h f -︳h f - h p ︳)/ h f =( 2.5-︳2.5- 2.67︳)/ 2.5= 0.932
总推力F=1552.1≤ §(0.8Pp-Pa )
=0.932x(0.8x2479.8-182.11)=1679.21KN 满足规范要求
所以经过以上计算可知：
采用管径D 1=1.0m 圆管，顶进距离50m 符合要求。

1.4 工作井（沉井）下沉及结构计算
8.7沉井，本井为工作井，由于地质条件好，在沉井范围内均为粘土层，沉井考虑先开挖后下沉。

1.4.1 基础资料：
单位摩阻力f k ＝30Kpa ，地基承载力特征值取为350Kpa 。

采用C30砼，钢
筋为HRB335。

粘土天然容重取为17kN/m 3，内摩擦角Φ=35°,井壁高8m,底板厚0.6m,壁厚0.6m 。

1.4.2 下沉计算：
井壁总摩阻力标准值：
T ＝U 11( 2.5)2H h f +-=(8.7x2x2)x 12
x(8.7+1.3-2.5)X 30 =3915kN
沉井自重标准值
G 1k ＝(8.7x0.6x2)x2 x 8.7x30=5449.68kN
下沉系数：
K1＝（G 1k-F fw,k ）/ T ＝（5449.68-371.3）/3915=1.297＞1.05
满足要求
1.4.3 下沉稳定计算：
根据地勘资料,沉井下沉土层为卵石土层，因此下沉稳定满要求。

1.4.4 刃脚计算：
水平框架作用的判别,L1=4.9m,h=1.3m
af =(0.1XL14)/(h4+0.05 L14)=1.81＞1
af ＞1，刃脚在内墙荷载作用下，不作水平分配，只按悬臂计算。

(1)刃脚向外悬臂弯曲计算
a.起沉时
井体重量为1626.63KN ，平均每延米重量1626.632(4.75 2.95)
R =+=105.63 KN/m 。

刃脚插入土中最大深度为0.45米，α0.45arctg
0.3==56.3° n=0.3m,c=0.3m
2105.630.320.320.3
Rn X V n c X ==++=35.21KN/m 取β=30°
水平推力H=V 2tg(α-β)=35.21xtg(56.3°-30°)= 17.4KN/m
向外悬臂弯矩M=17.4X2/3X0.45=5.22KN.m/m
b.沉至井深一半，井为全高时，沉井入土深度H=0.5X8=4m,此时摩阻力为： T ＝U 11( 2.5)2H h f +-=(5.3x2+3.8x2)x 12
x(4+1.3-2.5)X15=382.2KN 刃脚斜面垂直反力及水平推力：2382.20.320.320.3
Rn X V n c X ==++=127.4KN/m H=V 2tg(α-β)=127.4xtg(56.3°-30°)= 93.59KN/m
向外悬臂弯矩：M=93.59X2/3X0.45=28.08KN.m/m
c.下沉至设计标高时，刃脚内部全部挖空，在外侧水、土作业下，刃脚向里悬臂弯曲的计算：
q a =130KN q b =182.11KN
向里悬臂弯矩：
22221130 1.31()(182.11130) 1.32323
A G
B A q h X M q q h X X =+-=+-=139.2 KN.m (2)刃脚配筋计算
计算时，刃脚自重及井壁摩阻力略去不计。

MC=1/2*1.27*139.2*0.552+1/2*1.27* (13*6.5-13*6.1) *0.552*2/3
=27.4KN.m
选择钢筋截面：M=27.4KN.m ，h0=510mm,b=1000mm,
αs=M/α1fcbh02=27400000/(1.0*11.9*1000*510*510)=0.00853
ζ=0.0085
AS=192mm2<AS,min=0.2%*550*1000=1100mm2,按构造配筋，AS=1100mm2,选用8φ14。

1.4.5 沉井竖向计算：
1）、抽垫木时井壁竖向计算
沉井在开始下沉特别是在抽垫木时，井壁会产生皆大的弯曲应力。

沉井采用四个支承点，定位支撑点布置如图。

（1）假定定位承垫木间距为0.7L ，不考虑刃脚下回填砂的承载力，如图a 所示。

井壁单宽自重标准值：g k =6.5*0.6*30=117KN/m
井壁单宽自重标准值：g s =1.27*117=148.59KN/m
支座弯矩：
M 支=-1/2*82.55*(5.3*0.15)2-1/2*3.4*82.55*(5.3*0.15-0.25)
=-102.6KN.m
跨中弯矩：M 中=1/8*82.55*(5.3*0.7)2-102.6=39.43KN.m
(2)、假定抽垫木时，先抽并回填部位已经压实变成支点。

此时，沉井井壁支承在三个点上，如图b 所示。

支座弯矩：
M 支=-1/8*82.55*2.652=-72.5KN.m
跨中弯矩：M 中=0.07*82.55*2.652=40.6KN.m
(3)配筋计算
L10/H≤2，按深梁进行设计，根据《混凝土结构设计规范》，计算如下：因为L10<H，内力臂：z1=0.6 L10=0.6*5.3=3.18m
刃脚底部：M中=40.6KN.m,
As= M中/fyz1=40600/（300*3.18）=42.6mm2
井墙顶部：M支=102.6KN.m,
As= M支/fyz1=102600/（300*3.18）=107.6mm2
求得的钢筋值较小，故按构造配筋已能满足要求。

2）、井壁的抗拉计算
根据《规程》，由于本工程地基为卵石土层地基，不必进行竖向拉断计算。

1.4.6井壁内力计算：(理正结构工具箱计算)
（1）、池壁荷载计算:
池外荷载:
主动土压力系数Ka= 0.27
2
基础底面以上土重标准值Gt= 0.00kN
基础底面以上活载标准值Gh= 30.21kN
沉井底板以上全部竖向压力基本组合:
Qb = (1431.72×1.20+0.00×1.27+0.00×1.27+30.21×1.27×
0.90)/20.140
= 87.02kN/m2
板底均布净反力基本组合:
Q = 87.02-0.350×25.00×1.20
= 76.52 kN/m2
板底均布净反力准永久组合:
Qe = 71.69-0.350×25.00
= 62.94 kN/m2
底板荷载计算(池内有水，池外无土):
水池底板以上全部竖向压力基本组合:
Qb = [59.416×1.60×1.27+5449.16×1.40
/20.140 = 127.6kN/m2
板底均布净反力基本组合:
Q = 93.17-(0.350×30.00×1.40+0.700×10.00×1.27) = 91.6kN/m2沉井底板以上全部竖向压力准永久组合:
Qbe = [59.416×1.50×0.7+1431.72
+(59.416×0.700)×10.00]/20.140 = 94.1N/m2 板底均布净反力准永久组合:
Qe = 62.94-(0.350×25.00+0.700×10.00) = 49.1/m2
（2）内力,配筋及裂缝计算
弯矩正负号规则:
顶板:下侧受拉为正,上侧受拉为负
池壁:内侧受拉为正,外侧受拉为负
底板:上侧受拉为正,下侧受拉为负
荷载组合方式:
1.池外土压力作用(池内无水，池外填土)
2.池内水压力作用(池内有水，池外无土)
3.池壁温湿度作用(池内外温差=池内温度-池外温度)
(3)L侧池壁内力:
计算跨度: Lx= 4.900 m, Ly= 6.550 m , 四边固定
池壁类型: 普通池壁,按双向板计算
计算跨度: Lx= 3.400 m, Ly= 6.550 m , 四边固定池壁类型: 普通池壁,按双向板计算
计算跨度:Lx= 4.900m, Ly= 3.400m , 四边简支+池壁传递弯矩
按双向板计算.
1.池外填土,池内无水时,荷载组合作用弯矩表(kN.m/m)
配筋计算方法:按单筋受弯构件计算板受拉钢筋.
裂缝计算根据《接收井结构规程》附录A公式计算.
按基本组合弯矩计算配筋,按准永久组合弯矩计算裂缝,结果如下:
2
2
工作井井壁钢筋实配18@200。

1.4.7底板内力计算：(理正结构工具箱计算)
单块矩形板计算(弹性板):
（1）计算条件
计算板长= 4.500(m) ；计算板宽= 3.000(m) ；板厚= 350(mm) 板容重= 25.00(kN/m3) ；板自重荷载设计值= 10.50(kN/m2) 恒载分项系数= 1.20 ；活载分项系数= 1.40
荷载设计值(不包括自重荷载):
均布荷载= 7.40(kN/m2)
砼强度等级: C25, fc=11.90 N/mm2
支座纵筋级别: HRB335, fy=300.00 N/mm2
板底纵筋级别: HRB335, fy=300.00 N/mm2
混凝土保护层= 40(mm), 配筋计算as= 45(mm), 泊松比= 0.20 支撑条件：
四边上:简支下:简支左:简支右:简支
角柱左下:无右下:无右上:无左上:无（2）计算结果
弯矩单位:kN.m/m, 配筋面积:mm2/m, 构造配筋率:0.20%
计算方法: 查表
①跨中: [水平] [竖向]
弯矩 6.9 12.6
面积 700(0.20%) 700(0.20%)
实配 D14@200(770) D14@200(770)
②四边: [上] [下] [左] [右]
弯矩 0.0 0.0 0.0 0.0
面积 700(0.20%) 700(0.20%) 700(0.20%) 700(0.20%)
实配 D14@200(770) D14@200(770) D14@200(770) D14@200(770)
工作井底板钢筋实配实配18@200。

1.5接收井（沉井）下沉及结构计算
本井为6.2m接收井（沉井），地下水位根据地堪按地面以下-2.0m计（施工期间为汛期）由于地质条件好，在沉井范围内均为卵石土层，沉井考虑先开挖后下沉。

1.5.1基础资料：
单位摩阻力f
＝25Kpa，地基承载力特征值取为350Kpa。

采用C30砼，钢
k
=10KN/m3,井壁高8m,底、筋为HRB335。

粘土天然容重取为17kN/m3，水容重γ
w
顶板厚0.6m,壁厚0.6m。

1.5.2 下沉计算：
下沉过程中水的浮托力标准值：
F fw,k =6.2x0.6x4x8x10=1190.4kN
井壁总摩阻力标准值：
T ＝U 11( 2.5)2H h f +-=2.7x4x 12
x(8.0+1.4-2.5)X30 =1117.8kN
沉井自重标准值
G 1k ＝6.5x0.35x4x8.0x30=2184kN
下沉系数：
K1＝（G 1k-F fw,k ）/ T ＝（2184-226.8）/1117=1.75＞1.05
满足要求
1.5.3 下沉稳定计算：
根据地勘资料,沉井下沉土层为卵石土层，因此下沉稳定满要求。

1.5.4 抗浮稳定计算(沉井下沉到设计标高浇注底板后)：
a.施工阶段
沉井自重标准值
G K ＝2184＋30.17×0.35×30=2500kN
基底的水浮力标准值：
Ff b w,k ＝30.17×8.0×10＝2414kN
抗浮系数：
K fw ＝k
f b w F G K ＝2500/2414＝1.04＜1.05不满足要求，需压重物。

b. 使用阶段
由于使用阶段井顶板有覆土，可满足要求。

1.5.5 刃脚计算：
水平框架作用的判别,L1=2.35m,h=1.3m 水平分力分配系数：44
1444410.1x 0.1x2.350.05 1.30.05x2.35
f L a h L ==++=0.696＞1 又工作井计算可知，下沉至设计标高时，刃脚内部全部挖空，在外侧水、土作业下，刃脚向里悬臂弯曲的计算值最大，则：
q a =2.7x4.0x10=108KN/m
q b =0.5rH 2tg 2（45°-235︒）= 0.5x21x72 x tg 2（45°-2
35︒）=139.0 kN/m 向里悬臂弯矩：
22221108 1.31()(139108) 1.32323
A G
B A q h X M q q h X X =+-=+-=108.7 KN.m 刃脚配筋计算：计算时，刃脚自重及井壁摩阻力略去不计。

MC=1/2*1.27*108.7*0.52+1/2*1.27* (13*6.0-13*5.65) *0.52*2/3
=17.8KN.m
选择钢筋截面：M=17.8KN.m ，h0=460mm,b=1000mm,
αs=M/α1fcbh02=17800000/(1.0*11.9*1000*460*460)=0.00707
ζ=0.00707
AS=163mm2<AS,min=0.2%*500*1000=1000mm2,按构造配筋，AS=1100mm2,选用8φ14。

1.5.6 沉井竖向计算
1）、抽垫木时井壁竖向计算
沉井在开始下沉特别是在抽垫木时，井壁会产生皆大的弯曲应力。

沉井采用四个支承点。

（1）假定定位承垫木间距为0.7L ，不考虑刃脚下回填砂的承载力，如图a 所示。

井壁单宽自重标准值：g k =6.0*0.35*25=52.5KN/m
井壁单宽自重标准值：g s =1.27*52.5=66.7kN/m
支座弯矩：
M 支=-1/2*66.7*(2.7*0.15)2-1/2*2.35*66.7*(2.7*0.15-0.2)
=-21.5KN.m
跨中弯矩：M 中=1/8*66.7*(2.7*0.7)2-21.5=8.3KN.m
(2)、假定抽垫木时，先抽并回填部位已经压实变成支点。

此时，沉井井壁支承在三个点上，如图b 所示。

支座弯矩：
M支=-1/8*66.7*1.352=-15.2KN.m
跨中弯矩：M中=0.07*66.7*1.352=8.5KN.m
(3)配筋计算
L10/H≤2，按深梁进行设计，根据《混凝土结构设计规范》，计算如下：因为L10<H，内力臂：z1=0.6 L10=0.6*2.7=1.62m
刃脚底部：M中=8.5KN.m,
As= M中/fyz1=8500/（300*1.62）=17.5mm2
井墙顶部：M支=21.5KN.m,
As= M支/fyz1=21500/（300*1.62）=44.3mm2
求得的钢筋值较小，故按构造配筋已能满足要求。

2）、井壁的抗拉计算
根据《规程》，由于本工程地基为卵石土层地基，不必进行竖向拉断计算。

1.5.7井壁内力计算：(理正结构工具箱计算)
（1）池壁荷载计算:
池外荷载:
主动土压力系数Ka= 0.27
2
底板荷载计算(池内无水，池外填土):
水池结构自重标准值Gc= 728.00kN
基础底面以上土重标准值Gt= 0.00kN
基础底面以上水重标准值Gs= 0.00kN
基础底面以上活载标准值Gh= 10.94kN
水池底板以上全部竖向压力基本组合:
Qb = (728.00×1.20+0.00×1.27+0.00×1.27+10.94×1.27×
0.90)/7.290
= 121.55kN/m2
水池底板以上全部竖向压力准永久组合:
Qbe = (728.00+0.00+0.00×1.00+1.50×7.290×0.40)/7.290
= 100.46kN/m2
板底均布净反力基本组合:
Q = 121.55-0.350×25.00×1.20
= 111.05 kN/m2
板底均布净反力准永久组合:
Qe = 100.46-0.350×25.00
= 91.71 kN/m2
底板荷载计算(池内有水，池外无土):
水池底板以上全部竖向压力基本组合:
Qb = [2.700×2.700×1.50×1.27+728.00×1.20
+(2.000×2.000×0.100)×10.00×1.27]/7.290 = 122.44kN/m2 板底均布净反力基本组合:
Q = 122.44-(0.350×25.00×1.20+0.100×10.00×1.27) = 110.67kN/m2 水池底板以上全部竖向压力准永久组合:
Qbe = [2.700×2.700×1.50×0.40+728.00
+(2.000×2.000×0.100)×10.00]/7.290 = 101.01kN/m2 板底均布净反力准永久组合:
Qe = 101.01-(0.350×25.00+0.100×10.00) = 91.26kN/m2
（2）内力,配筋及裂缝计算
弯矩正负号规则:
顶板:下侧受拉为正,上侧受拉为负
池壁:内侧受拉为正,外侧受拉为负
底板:上侧受拉为正,下侧受拉为负
荷载组合方式:
1.池外土压力作用(池内无水，池外填土)
2.池内水压力作用(池内有水，池外无土)
3.池壁温湿度作用(池内外温差=池内温度-池外温度)
(3)L侧池壁内力:
计算跨度: Lx= 2.350 m, Ly= 7.475 m , 四边固定
池壁类型: 深池壁
计算方法: 0<H<2L 部分按照三边固定,顶边自由的双向板计
算:Lx=2.350,Ly=4.700
H>2L 部分按照水平向单向板计算
H=2L处池外土压力作用弯矩(kN.m/m):
水平向跨中: 基本组合:7.72, 准永久组合:5.77
水平向边缘: 基本组合:-15.44, 准永久组合:-11.53
H=2L处池内水压力作用弯矩(kN.m/m):
水平向跨中: 基本组合:0.00, 准永久组合:0.00
水平向边缘: 基本组合:0.00, 准永久组合:0.00
H=2L处水平向内力,与0<H<2L部分按双向板计算的水平向内力,取大值.
计算跨度: Lx= 2.350 m, Ly= 7.475 m , 四边固定
池壁类型: 深池壁
计算方法: 0<H<2L 部分按照三边固定,顶边自由的双向板计
算:Lx=2.350,Ly=4.700
H>2L 部分按照水平向单向板计算
H=2L处池外土压力作用弯矩(kN.m/m):
水平向跨中: 基本组合:7.72, 准永久组合:5.77
水平向边缘: 基本组合:-15.44, 准永久组合:-11.53
H=2L处池内水压力作用弯矩(kN.m/m):
水平向跨中: 基本组合:0.00, 准永久组合:0.00
水平向边缘: 基本组合:0.00, 准永久组合:0.00
H=2L处水平向内力,与0<H<2L部分按双向板计算的水平向内力,取大值.
计算跨度:Lx= 2.350m, Ly= 2.350m , 四边简支+池壁传递弯矩按双向板计算.
池外填土,池内无水时,荷载组合作用弯矩表(kN.m/m)
配筋计算方法:按单筋受弯构件计算板受拉钢筋.
裂缝计算根据《水池结构规程》附录A公式计算.
按基本组合弯矩计算配筋,按准永久组合弯矩计算裂缝,结果如下:
接收井井壁钢筋实配22@200。