广西水利水电GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2017(3) ・施工技术・ 顶管工程中逆作圆形工作井结构计算 赵双双 (广州市水务规划勘测设计研究院,广州510640) 【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。 【关键词]工作井;顶管反力;后座墙 【中图分类号】TU455.47 [文献标识码】B [文章编号】1003—1510(2017)03—0035—05 1 工程概况 2逆作工作井的设计和分析计算 广州市北部水系建设沙河涌等三涌联合补水 2.1设计资料 四期工程包括沙河涌支线和猎德涌支线,工程等级 根据设计资料,工作井拱墙土方分段逐层开 为Ⅲ等,永久性建筑物的主要建筑物为3级,次要建 挖,以1 in为一个单位分段来进行施工。工作井 筑物为4级,临时水工建筑物为5级。其中猎德涌 (L1+826)采用圆形形式,内径为8.5 m,壁厚取0.8 支线中采用DN800 mm的预应力钢筒混凝土管(PC. ITI,底板厚0.85 m,井深8.2 ITI。后座墙宽度为4.5 nl, CP管),常流水流量及换水流量均为1.2 m。/s,补水 高度为4.5 in,厚度为0.5 m。混凝土选用C30,钢筋 线路长2 001 in。本工程顶管施工用井结构形式采 选用HRB335级(Ⅱ级)。地面标高24.46 in,地下水 用钢筋混凝土圆形工作井,井体及封底采用C30商 位标高23.80 in,地下水位距地面深度为0.70 in(见 品混凝土,井壁处预留出管道进出洞口。 图1)。 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1.0 ITI,如果施工过程中遇到砂层等不良 / 地基则以O.5 in为一节来制作井身,具体视情况而 一定。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 0 . 器 层开挖至每段深度,然后浇筑拱墙混凝土,拱墙混 ,1勰g g0 ,/ 钢。23板.桩80 f /—_ 一 一卜 一 一 凝土养护到一定强度后拆出模板,再往下开挖基 蔷望 Y//////7//////JZ///J//Z 5 篁 曲 坑,再浇筑下段拱墙混凝土,如此反复进行,直至基 \ ,N,^ ,,、 ,,、Y,, 0 坑开挖到设计标高,浇完底板混凝土为止。本工程 aSQ 一 ,15.10 \塑曼圭苎墨\—E ̄—lf.拟采用搅拌桩或拉森式钢板桩作为止水桩。在顶 ,l3.7O 霾墅 /, 管预留洞口处,应加强洞口处的井作,配筋必 嚣里 / / 须满足构造要求。 / ,11.30 / 图1工作井剖面图 【收稿151期】2017-03-20 ‘ 【作者简介】赵双双(1985一),女,河北邯郸人,广州市水务规划勘测设计研究院工程师,硕士,从事水利水电工程设计工作。 35 赵双双:顶管工程中逆作圆形工作井结构计算 根据现场勘察资料,土层主要物理参数见表1。 表1土层物理参数表 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 ”。互成90。的井圈上两点处沿径向分布的土 压力分别为p 和P (p <P ),假定在倾斜方向的前、 后(B—B喑0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。。 , 图2径向分布的土压力示意图 在计算P 和P 时,土壤内摩擦角采用: d= +(2.5。-5。); B= +(2.5。~5。)。 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 36 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/m 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: pAk=124.84 kPa; PB =230.98 kPa。 计算系数为:仇 一1=0.85。 pA q=20kN/m ll l l I Il 口28.1 3(堤顶高程 阍区岸墙 ,24.46(湖底标高: 图3湖区岸墙及地面堆载示意图 2.2.2 内力计算 截面上弯矩标准值(井壁外侧受拉为负): 舭:一0.1488OAkF m =-402.78kN・m; Msk:0.1366pAkr m =369.76 kN・m。 截面上压力标准值: Ⅳ舭=p (1+0.7854m )=1051.45 kN; N8 =pAkr(1+0.5m )=898.47kN。 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 0525@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 18@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 : F=Fo+l厂0,J 式中:卜总推力,kN; F0_一初始推力,kN; .厂O——每米管子与土层之间的综合摩擦阻力, kN/m; 广西水利水电GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2o]7(3) £广一推进长度,m。 2.3.1迎面阻力计算 F0=(P。+p +ap) "it D 2 式中:p ——挖掘面前土压力,P =150 kPa; p ——地下水压力,kPa; △p——附加压力(一般为20 kPa); ——管外径,m。 Fo=1.27 X(150+10 X 7.5+20)×—"4J-×0.9 斗 =197.95kN 2.3.2顶管管壁外周摩阻力计算 =RS+wf 式中: _嫜合摩擦阻力,kPa; .卜管外周长,m; 一每米管子的重力,kN/m; 产_管子重力在途中的摩擦系数 =0.2。 L=1.27 X(12 X 3.14 X 0.9+10×0.2)×68 =3102.85kN 2-3.3 顶管顶进阻力计算 F=197.95+3102.85=3300.79 kN 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=4.5 rrl,高度h:4.5nl, 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q ̄25@200,水平向选配q ̄25@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》p , 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: : .B.f、 . H2, K二p+2 c.H. + 咖日. ), 式中: 总推力之反力,kN; ——系数,取 =1.5~2.5; 唇座墙的宽度,m; r土的重度,kN/m ; 后座墙的高度,m; ——被动土压力系数,按《顶管施工技术及 验收规范》采用; 卜土的粘聚力,kPa; ——地面到后座墙顶部土体的高度,m。 R=5453.9kN >1. =3300.79 X 1.6=5281.27kN 2.5局部受压验算 根据《混凝土结构设计规范》 : Fl≤1.35 1 Al 式中:Fz——局部受压面上作用的局部荷载或局部 压力设计值,kN; ——. 混凝土轴心抗压强度设计值,kPa; ——混凝土强度影响系数; ——混凝土局部受压时的强度提高系数; 为混凝土局部受压净面积,nl。。 2.5.1 工作井井壁局部受压验算 1.3 卢l AI =781852.5 kN>Fz=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1.5 m X 2 m进行计算: 1.3 。卢 AI 1 15830 kN >F 1.2×3300.79=3960.95 kN(满足)。 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》 ,按下式验算: Fl≤0. 如 ho 式中:JB^P——受冲切承载力截面高度影响系数; F ——相应于荷载效应基本组合时的冲切力 设计值; ——临界截面的周长,取周边ho/2 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×(4500+800/2)+(450o+80O/2) =14700 mm ’ 0.7 如 h0=11036kN >F 1.2 X 3300.79=3960.95 kN(满足)。 2.6.2后靠背顶铁对后座墙冲切计算 =2 X(20O0+600)+(1500+600) :7300mm ’ 0. 蛔 h0=8768.8 kN >F 1.2×3300.79=3960.95 kN(满足)。 计算简图见图4、5。 2.7钢筋混凝土底板计算 底板厚度为0.85 m,h。=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: 37 赵双双:顶管工程中逆作圆形工作井结构计算 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)。另外第一节井作时 候留出竖向钢筋焊接在钢板桩上,使钢板桩对井体 图4后座墙对井壁冲切图 厂 『_] i l 图5后靠背顶铁对后座墙冲切图 g=1.27 X(10 X 8.2—0.85×25)=77.15 kN/m 弯矩:M=0.198×q×r =295.7 kN 上层选配 ̄25@150,满足要求。下层按构造选 用,选配q ̄18@150。对底板进行抗剪计算,满足要求。 2.8抗浮验算 井体自重: G= ×H× + … =5994.4 kN 浮力为: , (8.2一O.7)x 3.14×5.05 x 10 =6005.8 kN 抗浮安全系数: : 一 : 一—600—58 :1.川00<1.05 .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。 38 有一定的支撑作用。 图6第一节井体构造示意图 其中井壁竖向配筋为 ̄18@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。 3 结语 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『生储备较高。 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。 参考文献 【1]CECS13—2015,给水排水T程钢筋混凝土沉井结构设计 规程[S】. [2】余彬泉,陈传灿.顶管施丁技术(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T技术及验收规范【M】.北 京:人民交通出版社,2006. [4】GB50010—2010,}昆凝土结构设计规范【s]. (责任编辑:周群) 广西水利水电GUANG ̄WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2017(3) Structural design of reverse round working well for pipe jacking construction ZHA0 Shuang—。shuang (Guangzhou Municipal institute of Water Affairs Investigation&Design,Guangzhou 5 10640,China) Abstract:Taking the 4th—stage three—stream joint water replenishment project for the Northern water system of Guangzhou City as example,an introduction was made on the design and calculating process of reverse round work— ing wel1.Corresponding engineering measures were put forward to increase the upward resistance of well—wall dur— ing construction.With regard to selecting soil parameters and defining boundary conditions,the unfavorable factors of the consturction site should be fully considered to calculate the internal force of well—wall and the jacking resis- tance.The practice of real project demonstrate this calculation method is effective and feasible. Key words:Working well;jacking counterforee;back wall (上接第31页) 较大。 参考文献 4结语 [11] DL5039-1995,水利水电工程钢闸门设计规范[s】. 压杆式充水阀具有操作方便、环境适应力强和 [2】SL/T248-1999,水工钢闸门系列标准一充水阀【s】. 充水效率高等的特点,但是其设计计算复杂,与之 相配的抓梁设计也较为复杂,同时,国内工程中尚 (责任编辑:周群) 未出现过类似的设计及应用,其工作可靠性有待进 一步的观察和研究。 ArranR ̄Arrangement and ment and desirgn e:of ot column-ty ̄ water umn-type water iftillling valveve GA0 Chao (Shanghai Investigation,Design&Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200434,China) Abstract:A new type of column-type water iflling valve is proposed to be installed in the bottom section of stop log bulkhead gate,SO as to permit less filling time for pressure balance and inprove maintenance efifciency of metal works of hydropower station.Taking a real overseas project as example,an introduction was made on the arrange— ment and working principles,as well as the key design issues of this new type of iflling valve. Key words:Water iflling valve;water iflling ofr pressure balance;stop log bulkhead gate 39