馬正，葛豐源，葉飛

（濟南市市政工程設(shè)計研究院（集團）有限責(zé)任公司，山東 濟南 250000）

隨著社會的發(fā)展，對城市景觀要求也逐年提升，架空的管網(wǎng)逐漸被地下管道取代。在土木工程特別是市政工程建設(shè)領(lǐng)域，有大量地下管網(wǎng)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(jīng)濟效益，在工程中得到了廣泛的應(yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(guān)鍵。頂管工作井實質(zhì)就是一個基坑，可以采用沉井、鋼板樁、地下連續(xù)墻、SMW 工法等作為圍護結(jié)構(gòu)，沉井由于自身結(jié)構(gòu)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(yōu)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(fā)生一系列的問題。比如，應(yīng)力集中可能導(dǎo)致井體開裂，裂縫超過規(guī)范規(guī)定的限制從而無法正常工作；發(fā)生向后傾斜，影響頂管的頂進的定位從而偏離設(shè)計路線；頂管工作井后背地面隆起，導(dǎo)致管線和路面結(jié)構(gòu)或者建筑破壞。因此，不論是井體自身的結(jié)構(gòu)驗算還是其背后土體的穩(wěn)定性驗算，都是非常必要的。

1 工作井設(shè)計

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

1.1 設(shè)計條件

沉井內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jù)地勘報告，加權(quán)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(shù)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(gòu)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?xí)r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?xí)r應(yīng)介于兩者之間，保守取698kN。

刃腳內(nèi)側(cè)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(shè)計值均×1.2，應(yīng)配3000mm2，內(nèi)側(cè)垂直配筋：三級筋Φ25@125，外側(cè)垂直配筋：三級筋Φ25@125，實配3927mm。

（6）井壁環(huán)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(dǎo)作用，荷載組合分項系數(shù)取1.35，承載力設(shè)計值Ma=1383KN/m，需配3241mm2，內(nèi)側(cè)垂直配筋：三級筋Φ25@125，外側(cè)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(dǎo)作用，荷載組合分項系數(shù)取1.35，承載力設(shè)計值Ma=650kN/m，需配2508mm2，內(nèi)側(cè)垂直配筋：三級筋Φ20@125，外側(cè)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(shè)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(cè)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(jù)施工單位提供為1200T。

圖1 工作井后座應(yīng)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(jīng)計算b’=hf+b/2=9.685，頂力設(shè)計值： tkP=12000kN。

②井壁內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(cè)垂直配筋：三級筋Φ25@125。

2.3 土的穩(wěn)定性計算

根據(jù)已知條件，土的內(nèi)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(jīng)計算，ξ=0.11，Ppk=12000kN ＜16127kN。

3 結(jié)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(wěn)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(shù)值模擬計算也是可行的，但尚需進一步計算參數(shù)。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(xué)指標等，直接選取頂進機械的最大頂力。這在工作井結(jié)構(gòu)設(shè)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(jù)實際的客觀需求對上述忽略因素進行進一步研究。