淺談某矩形頂管工作井設計計算

馬正，葛豐源，葉飛

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南 250000）

隨著社會的發展，對城市景觀要求也逐年提升，架空的管網逐漸被地下管道取代。在土木工程特別是市政工程建設領域，有大量地下管網和地下隧道的新建和改造。頂管施工以工作井作為推進支座，在千斤頂和中繼站的推動下，機頭地下進行掘進，是暗挖法的一種，特別適用于管線的頂進施工，具有很好的經濟效益，在工程中得到了廣泛的應用。在頂管施工中，所受最主要的活荷載是頂進的水力，因此，井體的內部結構受力情況以及外部土體施加被動土壓力的情況是能否成功的關鍵。頂管工作井實質就是一個基坑，可以采用沉井、鋼板樁、地下連續墻、SMW 工法等作為圍護結構，沉井由于自身結構閉合，施工開挖量少，是最常見的工作井采用形式。由于頂管工程由以上的優越性，相對較大的管徑也青睞這種施工工藝，推力可以達到上千噸以上。在這樣大的水平推力作用下，可能會發生一系列的問題。比如，應力集中可能導致井體開裂，裂縫超過規范規定的限制從而無法正常工作；發生向后傾斜，影響頂管的頂進的定位從而偏離設計路線；頂管工作井后背地面隆起，導致管線和路面結構或者建筑破壞。因此，不論是井體自身的結構驗算還是其背后土體的穩定性驗算，都是非常必要的。

1 工作井設計

采用沉井方式的頂管工作井主要包括以下幾個重要設計階段：整體抗浮驗算、下沉穩定性驗算、封底驗算、刃腳計算、井壁環向計算（封底前、封底后）、底板計算、配筋計算、土體整體穩定性計算。下面將分別予以闡述。

1.1 設計條件

沉井內尺寸為兩孔8.2×10m，其中上部分井壁厚0.8m，L11=18.6m，外寬L12=11.6m，高9.5m。下部分井壁厚t1=1.3m，外長L21=19.6m，外寬L22=12.6m，高8m，底板厚度取0.9m，刃腳踏面寬度0.4m，刃腳高H1=3.7m。

1.2 井體結構計算

（1）抗浮驗算。驗算使用階段抗浮，施工時保持降水，保守按地下水位-3m 進行計算：

（2）下沉驗算。根據地勘報告，加權平均單位摩阻力標準值為：fka=20kPa，計算得出總摩阻力標準值為：Ffk=16035KN，排水下沉，浮力Ffw，k取0，沉井下沉系數為：kst=（Gk-Ffw，k）/Ffk=2.05＞1.05，滿足下沉要求。

（3）封底驗算。采用干封底，不進行封底計算。

（4）下沉前井壁豎向彎曲計算。沉井為深梁，一般按構造配筋已能滿足要求。

（5）刃腳計算。

①刃腳根部向外彎曲（取刃腳入土位置）：刃腳斜面與水平夾角為：θ=57°，刃腳高度為：hl=1.7m，假定刃腳斜面與土的外摩擦角為：β0=20°，取開始下沉時入土深度為：hs=hl=1.7m，沉井刃腳底端的豎向地基反力為：Rj=gs-=689kN，實際地基承載力140kN/m，下沉時應介于兩者之間，保守取698kN。

刃腳內側水平推力之和為：

刃腳底面地基反力的合力偏心距為：

刃腳根部向外的彎矩為：

③配筋計算（按承載能力配筋）。設計值均×1.2，應配3000mm2，內側垂直配筋：三級筋Φ25@125，外側垂直配筋：三級筋Φ25@125，實配3927mm。

（6）井壁環向計算（封底前）：①取刃腳根部以上1.5倍井壁厚度一段進行配筋計算：計算高度：hcal=1.5t=0.9m。MA為角點處的彎矩，K 值為雙艙頂管井中長向的單個井體的長度與頂管井寬度的比值。計算得MA=1.37，為最不利，恒載起主導作用，荷載組合分項系數取1.35，承載力設計值Ma=1383KN/m，需配3241mm2，內側垂直配筋：三級筋Φ25@125，外側垂直配筋：三級筋Φ25@125，實配3927mm。②取上部高度井壁進行計算：計算得MA=1.33，為最不利，恒載起主導作用，荷載組合分項系數取1.35，承載力設計值Ma=650kN/m，需配2508mm2，內側垂直配筋：三級筋Φ20@125，外側垂直配筋：三級筋Φ20@125 實配2513mm。

（7）井壁計算（封底后）底板與壁板按簡支考慮，池壁之間按固接考慮。

由于為臨時工作井，所以不需按照裂縫控制配筋，因該處承載力設計值小于封底前階段，故不需計算。

（8）底板計算。底板與壁板按簡支考慮；工作井工作時，井體外側一直排水，地下水按最不利的-3m 考慮，按浮力進行計算。最終計算面積：長向3132(0.35%)，短 向4909(0.49%)， 實 配長 向E25@150(3272)短 向E25@100(4909)。

（9）沉井井壁配筋計算（頂管時）。頂管力根據施工單位提供為1200T。

圖1 工作井后座應力分布圖

①強度配筋計算。頂管后座尺寸按3m×3m 進行計算，3+2t=5.6m，0.6 L10=5.49m，因0.6 L10＜3+2t＜ L10，b=0.6（3+2t）+0.94 L10=11.961m。

頂力到刃腳底的距離為：hf=3.7m ＜b/2，因此，分布高度如圖1：

經計算b’=hf+b/2=9.685，頂力設計值： tkP=12000kN。

②井壁內力。井壁按左邊固支，右邊固支，上部簡支，下部簡支，受均布荷載，按雙向進行板計算，頂力荷載值按均布考慮為：

采用理正進行彎矩及配筋計算：

③土抗力力作用下的井壁內力。頂管采用兩邊固接，上部自由，下部簡支，采用三角形荷載作用。雙艙工作井土抗力分布圖如圖2。

圖2 雙艙工作井土抗力分布圖

③主動土壓力作用下的井壁內力采用三角形荷載計算。將三部分理正計算彎矩疊加得出最終計算配筋外側垂直配筋：三級筋Φ25@125。

2.3 土的穩定性計算

根據已知條件，土的內摩擦角取20，黏聚力取15，地下水位按照將至底板進行計算，計算的主動土壓力為127kPa，被動土壓力為1065kPa。經計算，ξ=0.11，Ppk=12000kN ＜16127kN。

3 結語

本文以某頂管工程為例，詳細地對工作井井體受力及背后土體的穩定進行了理論分析，在頂管工作井從下沉到頂進，需要分析的因素眾多，本文的計算主要是解析法，對頂管井進行數值模擬計算也是可行的，但尚需進一步計算參數。在本次計算時，忽略了很多頂進過程中的因素，比如注漿工藝、管道頂進的線路長度、頂進土體的物理力學指標等，直接選取頂進機械的最大頂力。這在工作井結構設計上是可取的，如果進一步研究開挖期間的頂進力分析，研究減少開挖阻力的方法，還需依據實際的客觀需求對上述忽略因素進行進一步研究。