矩形顶管工作井井壁计算

概述

沉井是顶管工作井的常用结构形式。矩形沉井制作简单，结构布置灵活，平面利用率也较高，但是其主要缺点是受力性能不如圆形沉井好，其计算过程也相对复杂。而在现有的结构设计手册中，还没有一套完整的矩形沉井在顶管时结构受力计算的标准模式。

故本文以单孔矩形顶管井为例，对矩形顶管工作井井壁的结构计算方法进行探讨。

顶力的确定

在计算顶管井受力之前，首先应确定顶力的大小。《市政工程施工及验收规范》pⅳ－99第四章中有述最大允许顶力是通过对工作井后靠土体稳定验算而求得的，即保证工作井在土体中不移动，不倾覆所能承受的最大外力。

1. 抗滑移计算----确定最大顶力

请见下列公式及简图。

f ----最大顶力；

fp----顶力作用下井后靠土体产生的被动土压力；

fa----主动土压力；

f摩----土体对井外表面产生的摩阻力（一般不计）；

s----安全系数，1.0～1.2。

2. 抗倾覆计算----验算最大顶力

《规程》在“顶力估算与后靠土体稳定验算”中指出，顶力所产生的力矩可忽略不计。

井壁内力计算

顶力作用下，后背井壁受力较大，但我们并不能就此下结论：井壁的配筋计算应由此工况下得出的内力控制。相反，大量计算结果证明，使用阶段井外水压力作用下的内力才是控制非受顶侧井壁配筋的首要因素。

使用阶段井壁的内力计算

一般情况下，我们认为当沉井沉到设计标高，刃脚内侧土被掏空时，作用于井壁上的水平荷载为最大，此法对于不排水下沉施工方法是可行的，其计算方法也比较简单：沿井壁每隔2～3m或于变截面处划分为若干水平区段按水平框架进行计算，这在《给排水工程结构设计手册》上已有详尽的描述。就排水下沉的沉井来说，此工况下无水压力作用，并不能就此判断此时所受的水平荷载为最大。实际的施工情况是到底板浇筑完毕（甚至是顶管施工结束）才恢复地下水位。因此，我们不妨将底板浇筑完毕，井外水位恢复之时作为控制井壁计算的工况。这也可以说是“使用阶段井壁内力计算”的确切意义。前面提到，我们在计算井壁时，常将水平框架作为井壁的不动铰支座。当有了底板的作用，就不宜单独将井壁下部支撑设为不动铰支座，尤其是顶管工作井在底板和井壁间往往加设接驳器，我们就更应视下边缘为固定端，来考虑支座钢筋的配筋。顶管施工阶段井壁的内力计算。

这一工况下井壁的计算，是整个顶管工作井结构计算中一个比较关键的部分。计算模式的确立，可以从两种角度入手。其一、参考圆形顶管井井壁的设计思路，将顶力作用点作为井壁上在该点上的水平框架或竖向框架的一个不动铰支座。（如图）当然，采用这种计算模式是有一定的局限性。我们知道，只有当井壁（无中间支座）高度不大于井壁最大跨度的2倍或井壁最小跨度大于2倍井壁（无中间支座）的高度时，可沿井深或竖向截取单位长度，按水平或竖向框架进行计算。如不符合上述条件，我们只得按双向板计算井壁，中间有一不动铰支座，便会给计算带来很大麻烦。

那么第二种角度，将顶力做为荷载的一部分加以考虑。下图为工作井荷载作用的水平示意图，fa表示作用于沉井非受顶侧的主动土压力，fp表示后背靠土体应顶力作用而产生的被动土压力，f为顶力作用。而在施工期工作井外的水压力可能存在，也可能尚未恢复。而水压力对受顶侧井壁的内力是有减无增的，所

以从安全角度考虑，不计水压力。

在平时的设计中，针对以上第二种设计模式，本人亦归纳出两种计算方法。各有长处。“形”不似而“神”无异，可以根据实际情况而自由选择。下面用简单的设计流程图来介绍这两种方法。（假定井壁都按双向板计算。）

方法一：

将最终求得的内力值与前面使用阶段井壁的内力计算结果相比较，取不利值进行配筋。

方法二：

同样，将最终取得的结果和使用阶段工况所得计算值相比较，取出两者的最大值，进行配筋计算。

有一个问题值得提出：以前我们在假定顶管井的壁厚时，认为，井越深井越大，井壁就定得越厚。大量计算结果证实，顶管井顶力后靠背井壁的计算配筋，是井越浅越大。合流二期2.1~2.4标中顶管井的设计就充分说明了这个问题。