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从顶管工程实践谈逆作圆拱墙的设计与施工　
引论：逆作拱墙作为基础支挡结构形式的一种，具有1、受力合理、安全可靠；2、施工方便、节省工期；3、造价低的特点。其设计可按静力学方法解决，但几乎所有的深基坑支护设计软件均未将其列入，施工中多凭经验估值，缺少算例，使其应用受到限制，本文通过工程实例对其设计及施工做法给出了详细的介绍，聊供施工参考。　
一、 工程概述　　　
2009年年初我公司中标某市政工程的城区污水改造工程，该污水管线位于市区繁华地段的老街区，设计为DN1350污水顶管，污水管埋设深度为自然地面以下7.5m左右。原方案顶管工作井采用钢筋砼沉井，后经现场勘察，污水管线所处位置，左侧地下二米处有光缆管沟，右侧地下四到五米处为老城区在用污水管（砖砌）。二者之间净距为7米，如采用沉井方法施工工作井，工作井外围结构尺寸在六米左右，沉井下沉时，将带动其周围内二米左右的土体下沉，因老城区街道狭窄，不仅影响周边交通，须进行封闭施工，且土体下沉很可能会对光缆沟及原有污水管的结构造成破坏，一旦在用的污水管破裂，会造成无法估量的损失。如下图示意：　　　

经多方论证，选用了逆作砖砌圆拱墙做顶管工作井的作法。　
这种做法有两个优点：一是其结构工作原理是利用圆拱的受力特点，将垂直于拱圈面的土压力转化为沿拱轴线方向的轴向压力，拱圈在竖向截面内不受弯，同时，拱圈外的土也形成土拱，减少了一定的土压力。二是拱在垂直方向上是分层由上而下施工，拱的砌筑与挖土可同步进行。其施工工艺要求拱与土壁紧密接触，故施工对土体的影响范围只在拱圈外径以内，对拱圈以外的土体或结构无影响。　　　
二、逆作砖砌圆拱墙的构造　
根据污水管设计情况，为满足顶管施工需要，圆拱墙直径设计为6米，拱墙高度7.5-8米。拱墙采用砖砌，分三道成型，进出洞口及后背位置采用钢筋砖加强。　　
做法如下图示意：　　　

二、 圆拱墙设计　
根据地质勘察报告，管线埋设深度内土层信息如下表：　
表1　　
层号　　
土类名称　　　
层厚(m)　
重度(KN/m3)　　
浮重度(KN/m3)　
粘聚力　
(KPa)　　
内摩擦角(度)　　
1　　　
道路结构层　
0.7　　　
19　　

2-1　　　
粘质粉土　　　
0.7-2.6　　　
18．6　　　

7．6　
25．7　　
2-2　　　
砂质粉土　　　
2.6-3.7　　
19．1　　　
9．1　
8．7　　　
29．5　　
2-3　　
粘质粉土　
3.7-5.9　
18．8　
8．8　
10．6　
26．2　　
3　
淤泥质粉质粘土　　
5.9以下　　
17．9　　　
7．9　
9．5　
4．1　
圆形拱墙内力计算　
按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）在均布荷载作用下，圆形闭合拱墙结构轴向力设计值Ni按下式计算：　　

其中 R---圆拱的外圆半径　
hi-----拱墙分道计算高度　　　
ea----在分道设计高度hi范围内，基坑外侧水平荷载标准值的平均值　　　
r0为结构重要性系数，本例取1.0　　　
表5　　
计算深度（m）　
分段计算高度内圆拱墙轴向力设计值　
2.6　
312.7761　　　
3.7　
141.03　　　
4.7　　
172.557　　
5.9　　
248.346　　　
7　　　
664.76　　
8　
677.66　　　

水平荷载标准值　　　
按规程对粉土及粘性土以下式计算：　　　
eajk=δajkKai-2Cik　
δajk—作用于深度Zj处的竖向应力标准值　　　
考虑场地实际情况，基坑外侧按满布附加荷载q0（40KN/m2）计算，竖向应力标准值δajk按下列规定计算：　　
Δajk=YmjZj+ q0　　　
Ymj-深度Zj以上土的加权平均天然重度　
表3　　　
计算深度（m）　
各层竖向应力标准值(KN/m2)　
2.6　　　
88.64　　　
3.7　　
109.65　　　
4.7　　
128.45　　　
5.9　　　
147.25　　
7　　　
167.93　　
8　
185.83　　

Kai -第i层的主动土压力系数　
按规程以下式计算：　　　
Kai=tg2(45°-)　　
￡ik-三轴试验确定的第i层土固结不排水（快）剪内摩擦角标准值　　　
Zj-计算点深度　　
表2 　　
层号　　
土类名称　　　
层厚(m)　　　
内摩擦角(度)　　
主动土压力系数　　　
1　　
填土　
0.7　

道路结构层，不利用　　　
2-1　
粘质粉土　　　
0.7-2.6　
25．7　　
0.395　
2-2　
砂质粉土　
2.6-3.7　
29．5　　
0.34　
2-3　　
粘质粉土　
3.7-5.9　　
26．2　　
0.387　
3　　
淤泥质粉质粘土　　　
5.9以下　　
4．1　　
0.867　

由此得出，水平荷载标准值如下图所示。　
表4　
计算深度（m）　　　
各层水平荷载标准值(KN/m2)　
2.6　
25.46　
3.7　　　
27.135　
4.7　　　
36.52　　
5.9　
43.8　　
7　　
127.9　　
8　　
143.42　　

计算结果　
以列表深度为分段计算高度，由此得出拱墙结构轴向力设计值Ni，见表5。　　
拱墙厚度计算　
按砌体结构设计规范（GB50003-2001）砂浆强度取M2.5,砖强度等级取MU10，查表求抗压强度设计值1.3MPa。　
表6　　　
计算深度（m）　
分段计算高度内圆拱墙的厚度（mm）　
2.6　
92.5 (取240mm)　　　
3.7　　
98.6 (取240mm)　
4.7　　
132.7 (取370mm)　
5.9　　
159.2 (取370mm)　　
7　
464.9 (取500mm)　
8　　　
521.3 (取500mm)　　
四、逆作圆拱墙施工注意事项　　　
挖土可与做闭合拱圈同时交叉施工。　
可分段砌筑，分段浇筑砼圈梁，但上口肋梁宜在整个分段完成后整体浇筑。　
拱圈内应力与拱轴曲线关系很大，放线必须准确，拱轴线沿曲率半径方向误差控制在±40MM。　
拱墙在垂直方向应分道施工，视土层的直立度决定每道施工高度，不宜超过2.5M，上道拱墙合拢且砌体或砼强度达到70%设计强度后，才可进行下道拱圈的挖土施工。上、下两道拱墙的竖向施工缝应错开，错开距离不宜小于2M。拱墙施工宜连续作业，每道拱墙施工时间不宜超过去36h。　　
下道拱圈的施工，应严格控制，要防止挖下道拱圈时，使上道拱圈失去支持而导致破坏。可以采用分段跳挖。　
砌体外侧与土壁按触处的空隙必须采用砌筑砂浆填嵌，并插捣密实。　　　
开挖土方，应采取盆式挖土，即先挖基坑中部土方，以得降排水，并利用未挖土平衡拱圈外侧土压力，防止外侧土方塌垮。施工前应做好降水工作。积水坑设置应远离坑壁，距离不应小于2米。　　　
由于地质条件的非均匀性及施工等方面的原因，尽管拱结构本身的弯矩小，但仍应配置适量的水平环向双面钢筋。水平环向钢筋必须连通以充分发挥作用。　　　

参考书籍：1、《支挡结构设计手册》（第二版） 尉希成 周美玲编著 　　　
中国建筑工业出版社　　　
2、《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99） 中华人民共和国行业标准　
3、《建筑结构静力计算手册》（第二版） 中国建筑工业出版社　　
4、《砌体结构设计规范》（GB5003-2001）