西旺路工程第四标段道路桥梁工程顶管工作坑设计计算书书.doc

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西旺路工程第四标段道路、桥梁工程
顶管工作坑结构设计计算书

1 设计内容
本次设计内容为西旺路工程第四标段道路、桥梁工程顶管工作坑支护结构.
2 工作坑结构的选取
2.1 近期工程数据
我公司近期施工的郑常庄220千伏送出工程、沙阳路污水工程，其工作坑全部为倒挂支护结构，以上两工程的主要数据如下：
a) 郑常庄220千伏送出工程数据
表1
序号
工作坑截面
深度
结构壁厚
砼标号
结构主筋
冠梁截面
1
φ8.5m
12。8m
250mm
C20喷射砼
4Φ18
600mm×1000mm
2
φ5.3m
9。82m～12.51m
250mm
C20喷射砼
4Φ18
400mm×750mm
3
4m×6m
11.41m
300mm
C20喷射砼
4Φ20
600mm×1000mm
地质情况
地质分层情况:
1. 人工填土层：由上往下依次为粘质粉土～粉质粘土、碎石填土、房渣填土，厚度为0。8~3。7m；
2. 新近沉积层：由上往下依次为粘质粉土～粉质粘土、粉细砂层、粉质粘土层。
3. 一般第四沉积层：卵石层、细砂层、圆砾层.
地下水情况:开挖深度范围内无地下水.
土层物理性质参数
土层
人工填土层粘质粉土～粉质粘土
新近沉积层粘质粉土～粉质粘土
新近沉积层粉细砂
新近沉积层粉质粘土
第四纪沉积层卵石
第四纪沉积层细砂
第四纪沉积层圆砾
重度（kN/m3)
19。13
18.84

19.03

内摩擦角（0)
17.33
23.9
32
18
45
35
40
内聚力(kN/m2)
20
8.42
0
30
0
0
0
压缩模量（MPa）
4.99
9。36
27。5
4.67
70
32.5
65
b) 沙阳路污水工程数据
表2
序号
工作坑截面
深度
结构壁厚
砼标号
结构主筋
冠梁截面
1
8m×6m
10。05m
300mm
C20喷射砼
4Φ20
500mm×1000mm
地质情况
地质分层情况：
1. 表层为人工堆积之粘质粉土、粉质粘土填土①层及房渣土①1层，一般厚度0。60～2。80m。
2. 其下为第四纪沉积层：分别为粘质粉土、砂质粉土②层、粉质粘土②1层及粉、细砂②2层；
3. 其下为粉土③层、粘土、重粉质粘土③1层及粉、细砂③2层。
地下水情况：全线地下水位变化较大，地下静止水位标高为39。45m～44.81m，埋深0。5～6。6m,地下水类型为上层滞水.
土层物理性质参数
土层
人工填土层素填土
第四纪沉积层 粉土
第四纪沉积层 细砂
第四纪沉积层 粉土
第四纪沉积层 粘性土
重度(kN/m3)
17。50
19。70
20。20
19.70
19.00
内摩擦角(0）
10
31.43
30
31.34
7
内聚力(kN/m2）
15
11
0
12
24
2.2 本工程数据
2.2.1 本工程中，工作坑位置土层结构分布如下:
l 表层为人工堆积之素填土①层，以亚砂土为主，可见植物根茎，含有少量砖渣、灰渣，厚度为0。60～0.80m；
l 细砂②X层，饱和，中密，含有云母及氧化铁，厚度为1。10～2。10m;
l 亚粘土③1层，饱和，可塑，含有云母及氧化铁,压缩性很差，厚度为1.90～2。10m；
l 亚粘土③层，饱和，可塑～硬塑，含有云母及氧化铁，厚度为0.80～3.40m；
l 亚砂土④1层，饱和，可塑~硬塑，含有云母及氧化铁,厚度为3.70～6.40m;
l 细砂④X层,饱和,密实，含云母及氧化铁，厚度为1。90m左右；
l 亚砂土④1层，饱和,可塑～硬塑，含有云母及氧化铁，厚度为1。10～1.40m.
2.2.2 土层性质如下表所示:
表3
土层序号
压缩模量ES
(MPa）
地基容许承载力δ0
（KPa)
内摩擦角φ
(0）
内凝聚力C
(KPa)
②
20
160
25
0
③
4
100
7
10
③1
8
140
15
15
④
25
200
30
0
④1
10
160
15
20
2.2.3 根据施工图纸，给水、中水管线现场埋深情况见下表：
表4
管线名称
管径
顶管坑处（自来水3+807,中水3+850）
接收坑处（自来水3+850,中水3+896）
钢管底高(m)
砼管底高（m）
地面高（m)
砼管底高（m）
管底高程（m）
砼管底高（m)
地面高（m）
砼管底高（m)
给水
DN800
28。400
27。52
38.310
10.79
28.490
27.61
38。350
10。70
中水
DN300
28。404
27.757
38。310
10。553
28。500
27。853
38.350
10。447
2.2.4 工作坑的长度与宽度见下表：
l 顶管坑底宽取9。0m,底长取6.0m。
l 接收坑底宽取9。0m，底长取4。0m。
2.3 根据以上数据可以看出:
l 本工程工作坑深度与郑常庄220千伏送出工程及沙阳路污水工程的工作坑深度相当;
l 本工程工作坑的宽度、长度与上述工程工作坑尺寸大致相同;
l 本工程工作坑位置的地质条件与上述工程地质条件相当，且无地下水干扰。
l 钢筋榀架+钢筋网片+锚喷混凝土的倒挂施工支护结构是较为成熟、可靠的施工工艺。
2.4 工作坑选取
根据以上分析，本次工程工作坑施工支护采用“钢筋榀架+钢筋网片+锚喷混凝土”的倒挂施工支护结构,锚喷结构厚度为0。3m.
顶管坑和接收坑净空分别为9m ×6m×11。49 m、9m × 4m×10。9 m，为确保基坑稳定和安全提高支护结构刚度，在满足顶管施工操作需要的前提下，尽量减少支护结构长度，在垂直于基坑长边方向，增设一0。3m厚的支护墙，使顶管坑和接收坑平面均为两室形式。
3 工作坑的结构形式
3.1 施工平面布置图

图1 施工平面布置图
3.2 工作坑平面图
图2 顶管坑平面图
图3 接收坑平面图

3.3 工作坑断面图

图4 顶管坑断面图

图5 接收坑断面图
4 工况受力情况分析
由于顶管坑在净空尺寸上比接收坑大，而且顶管坑还要承受吊混凝土管、出土等活动载荷，故顶管坑支护结构所受载荷比接收坑大，又因顶管坑、接收坑支护结构相同，因此只做顶管的受力分析。
4.1 顶管施工期间，支护结构所承受的载荷主要有:
4.1.1 吊装设备自重；
平台用40a工字钢做主梁,南北向放置,间距2.5米，并需要让开吊管位置；负梁采用25工字钢,15×15方木采用满铺方式；吊架采用“四不搭”架设，管子采用φ159×10钢管。起重机械采用两台卷扬机,一个20吨，一个10吨.“四不搭”架子座落在圈梁上的预埋板。以上结构总重量：
G1=50×8×2×10+25×8×2×10+15×5×8×10+50×60×10
=48000N=48KN
4.1.2 吊装混凝土管、顶管设备、钢管及土方弃运产生的载荷；
按最不利情况：
左侧吊架吊运1根D2150混凝土管、右侧吊架吊运土方（土斗容量为1m3）。
吊运产生的最大重量：
G2=5190×10+500×10+2000×10
=77000N=77KN
4.1.3 工作坑周围运输车辆产生的活动载荷；
在顶管坑10m以外设置土场，施工机械产生的载荷计p1=15KPa。
4.1.4 工作坑内施工人员产生的活动载荷。
假定工作坑周围同时有15人施工,则
活动载荷p2=(75×15×10/1000）/20=5KPa
4.1.5 周边环境产生的载荷
取等待土层高度为1。5m，则
载荷p3=1。5×19.21=28.815KPa
4.1.6 工作坑周围土压力
工作坑周围土压力为支护结构所承受的主要载荷，具体由6.3.1章节阐述。
4.2 计算说明
4.2.1 由4。1～4.2产生的载荷Q=125KN，传导至冠梁上的竖直分力
Q竖直=125×sin53.130 KN =100 KN
而支护结构的自重
G=（36×0。3×9。99+0.6×1×33)×2。4×10=3070 KN
故在以下计算中忽略此力。
4.2.2 由于“四不搭"结构对称，故产生水平分力相互抵消，故在以下计算中不考虑此力。
4.2.3 工作坑承受的总等待载荷p0
p0= p1+ p2+ p3
=15KPa+5KPa+28.815KPa
=48.815 KPa

5 结构受力简图
5.1 结构受力立面图

图6 结构受力立面图
5.2 结构受力平面图

图7 结构受力平面图
由于施工时对结构边角位置进行了加强，可以近似视为固定结构,故将图7进一步简化如图8、图9所示：

图8 结构宽度（9m）方向受力平面图

图9 结构长度（6m）方向受力平面图
6 结构强度计算
6.1 结构强度计算依据
6.1.1 《建筑基坑支护技术规程》DBJ11/489-2007
6.1.2 《混凝土结构设计规范》 GB50010-2002
6.2 基本技术参数
6.2.1 加权平均内摩擦角
φ =(1。69×25+2.3×7+5.05×15+1.9×30+1.25*15+4。25×30）/16.34
=20.50
6.2.2 加权平均内凝聚力
c =(1.69×0+2.3×10+5。05×15+1。8×0+1。25×20+4。25×0)/16.34
= 7.6KPa
6.2.3 加权平均重度
ρ= [（3×1。85+2×1.97+2×2+2×1。94+4×1。91+4×2。01+2×1.92)/19+
（4×1。97+1。5×1.95+1。5×1.95+1.5×2.04+3。5×2。01)/12]/2
=1。96g/m3
γ =1。96×9.8 = 19。21KN/m3
6.2.4 等待载荷
q 0= 48。815Pa
6.3 支护墙体强度验算
由于支护墙体是按钢隔栅榀距分层锚喷施工而成的，故以每层钢隔栅为受力对象进行分析。沿深度方向0～7。2m范围内的钢隔栅间距为0。6m，7.2m以下钢隔栅间距为0.45m。
6.3.1 压强沿深度方向的分布方程
由朗肯公式p=( q 0+hγ)tan2(450-φ/2)—2c tan（450-φ/2)，故压强沿深度方向的分布方程为：
p=( q 0+hγ)tan2(450—φ/2）-2c tan(450-φ/2)
=（48。815+19.21h）tan2（450—20.50/2）—2×7。6×tan（450—20.50/2)
=9.24h+12。94
6.3.2 长度(6m)方向受力分析
∫
h2
h1

∫
h2
h1

6.3.2.1 荷载集度F0
F0= pdh = (9.24h+12.94） dh
=4.62×（h22—h12）+12。94×（h2—h1)
l 深度为0~7.2m时，
h2=7。2m，
h1=6.6m，
h2—h1=0。6m,
故F0=7。8+2。77(h2+h1）
最大载荷集度F0∣max=46。02KN/m
l 深度为0~7.2m时，
h2=9.99m，
h1=9。54m，
h2—h1=0。45m，
故F0=5.8+2。07 (h2+h1)
最大载荷集度F0∣max =46。13 KN/m
综上所述，隔栅承受最大载荷集度为46。13 KN/m.
6.3.2.2 隔栅承受弯矩
隔栅承受弯矩M =-23。07L2+138。39L-138。39，
故M∣max=46.13×62/24=69。20KN。m
6.3.2.3 结构所受弯矩与剪力图
图10 结构长度（6m)方向隔栅弯矩图
图11 结构长度(6m）方向隔栅剪力图
6.3.3 宽度（9m）方向受力分析
6.3.3.1 荷载集度F0
分析同6。3.2.1，最大荷载集度发生在深度为9.99m～9。54m的隔栅上，最大荷载集度46.13 KN/m。
6.3.3.2 结构所受弯矩与剪力图
采用三弯矩方程计算隔栅承受的弯矩.
基本参数如下图所示：
图12 采用三弯矩方程计算弯矩的基本参数
M2=- 144.16 KN.m；M0=—92。26KN。m；
由上图得知:
ω1=246。03 KN。m2,ω2=480。53KN。m2；
a1=2m， b2=2。5m，L1=4m，L2=5m；
根据三弯矩方程：
M0L1+2M1（L1+L2)+M2L2=-6ω1a1/L1-6ω2b2/L2
得：M1=—60.55KN。m
故结构的弯矩图如下图所示：

图13 宽度(9m）方向弯矩图
图14 宽度（9m)方向剪力图
7 结构截面设计
7.1 支护墙体截面设计
7.1.1 宽度(6m）方向钢筋设计
α1fcbx=fcAs— fy'As’+ fpyAp+(σ'p0—fpy'） Ap’
x≥2a’
式中：
x——混凝土受压区高度；
α1-—系数 ,当混凝土强度等级不超过C50时,取α1=1；
b-—矩形截面宽度,b=0.6m;
fc ——混凝土轴心抗压强度设计值,C20混凝土取9.6MPa；
fy -—普通钢筋抗拉强度设计值，HRB335钢筋取300MPa;
fy’——普通钢筋抗压强度设计值，HRB335钢筋取300MPa；
fpy—-预应力钢筋抗拉强度设计值；
fpy’-—预应力钢筋抗压强度设计值；
As——受拉区纵向普通钢筋的截面面积;
As’——受压区纵向普通钢筋的截面面积；
Ap —-受拉区纵向预应力钢筋的截面面积，面积为零；
Ap’——受压区纵向预应力钢筋的截面面积，面积为零；
σ’p0-—受压区纵向预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时预应力钢筋应力。
a’ ——受压区全部纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离，当受压区未配置纵向预应力钢筋或受拉区纵向预应力钢筋（σ'p0— fpy’）为拉应力时，公式中的a’用as’代替。
钢隔栅中性轴通过矩形形心，纵向钢筋沿中性轴对称分布,故纵向钢筋受拉区与受压区面积相等，x=0。
而a’=0.03m，故截面受弯承载力应符合下式：
M≤fpyAp（h-ap—a's）+ fcAs（h—as—a’s）+（σ'p0-fpy’） Ap’（ a’p—a’s）
由于Ap= Ap’=0，故公式简化为：
M≤fcAs（h—as-a's）
故As≥ M / [fc（h-as-a's）］
l 钢隔栅中部配筋
As≥69。20×1000÷［300×1000000×（0。3—0。03-0。03）]=962×10—6m2
取直径为25mm的HRB335钢筋作为受拉主筋，单根钢筋截面面积S0为490。9×10-6m2，2根钢筋总面积为982×10-6m2。
故截面共配置4根直径为25mm的HRB335钢筋。
l 钢隔栅两端配筋
As≥138.39×1000÷［300×1000000×（0.3—0。03—0.03)]=1922×10—6m2
单根直径25mm的HRB335钢筋截面面积S0为490.9×10—6m2，直径25mm的HRB335钢筋截面面积S0为615.8×10—6m2.
故取2根直径25mm的HRB335钢筋,另外两根取直径28mm的HRB335钢筋,4根钢筋总面积为2124×10-6m2.
因Qmax=138.39KN，0.7ftbh0=967。68KN，故Las≥0。14m.由于28mm钢筋处在负弯矩部位，故28mm钢筋的长度≥0。56m，取L=0.8m.
故截面共配置4根直径为25mm的HRB335钢筋，为通长钢筋，2根直径为28 mm的HRB335钢筋，长度为0.8m。
l 结构箍筋配置
矩形截面剪切力Vmax=138。39KN
ft--混凝土轴心抗拉强度设计值，C20混凝土取1。1MPa；
b——矩形截面宽度，b=0。6m;
h0——截面有效高度，取h0=0.27m;
Np0——混凝土法向预应力钢筋及非预应力钢筋的合力,由于截面对称受力,故取Np0=0。
V-0。7 ftbh0+0。05Np0=138.4—0。7×1100×0。6×0.27+0=13。6KPa＞0
由《混凝土结构设计规范》GB50010—2002知：

故钢隔栅箍筋选择直径为12mm的HRB335钢筋，间距为150mm。
7.1.2 长度（9m）方向钢筋设计
l 钢隔栅中部配筋
由弯矩图看出中部最大弯矩Mmax=65。40＜69.20KN。m,故受拉钢筋数量为2根直径为25mm的HRB335钢筋，钢隔栅中部截面采用4根直径为25mm的HRB335钢筋做主筋。
l 钢隔栅两端部配筋
As≥144。16×1000÷［300×1000000×（0.3—0.03-0。03）]=2002×10—6m2
故受拉主筋取2根直径25mm的HRB335钢筋及两根直径28mm的HRB335钢筋。其中25mm的HRB335钢筋为通长钢筋，28mm的HRB335钢筋长度为0.8m。
l 结构箍筋配置
钢隔栅箍筋选择直径为12mm的HRB335钢筋，间距为150mm.
7.1.3 支撑隔栅墙配筋
l 支撑钢隔栅主筋设计
由于支撑隔栅墙只承受压力，因此整个截面都承受压应力，
根据公式N≤0。9φ（fcA+fy’As’）
式中:N—-轴向压力设计值，隔栅所受轴力为175。93KN;
φ—-钢筋混凝土构件的稳定系数，L/b=20，取0。75;

fc—-混凝土轴心抗压强度设计值，取9.6Mpa;
A——构件截面面积,取0。18m2；
As' -—全部纵向钢筋的截面面积；
fy' ——钢筋抗压强度设计值，取300Mpa。
As’≥[175.93×103÷（0.9×0。75）- 9.6×103×0。18］ ÷300×106
=770×10-6m2
单根直径18mm的HRB335钢筋截面面积为254.5×10-6m2，4根钢筋截面面积为1017×10-6m2，故主筋4根选择直径18mmHRB335钢筋。
l 支撑钢隔栅箍筋设计
箍筋采用直径12mm的HRB335钢筋,间距为300mm。
8 结构挠度验算
由以上计算知:钢隔栅最大挠度发生在长度（6m）方向，位于隔栅中点位置：
根据公式 f=5qL4/(384EI）,
其中：f——最大挠度；
q——载荷线集度，q =46.43KN/m；
L-—梁长度，L=6m；
E—-混凝土弹性模量,E=2。55×107KN/m2;
I——钢隔栅惯性矩，I=1。35×10-3m4；
f=0。0228m
f/L=0.0228/6=0.0038≤0.01
9 计算结论
本结构设计符合要求。