頂管結(jié)構(gòu)計(jì)算

1、附件一 頂管結(jié)構(gòu)計(jì)算1設(shè)計(jì)依據(jù)及基本資料1.1 設(shè)計(jì)依據(jù) 水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范（DL 5077-1997）；水工鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范（SDJ20-78）。1.2 基本資料工程等級(jí)：頂管設(shè)計(jì)按2級(jí)建筑物考慮地震烈度：工程區(qū)域內(nèi)地震基本烈度為6度，按不設(shè)防考慮。巖土物理力學(xué)參數(shù)：參考值見表1-1。表1-1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表巖性及代號(hào)巖石容重變形模量泊松比內(nèi)摩擦角凝聚力單位彈抗系數(shù)堅(jiān)固系數(shù)EkcK0fg/cm3MPa度KPa104KN/m3Q31.776.590.451412/外水頭按6m考慮，運(yùn)行期內(nèi)水頭為1.378m。砼強(qiáng)度等級(jí)：預(yù)制頂管砼為C50。鋼筋級(jí)別：受力鋼筋采用II級(jí)鋼筋（20MnS

2、i），分布鋼筋采用I級(jí)鋼筋（AJ3或A3）。鋼筋保護(hù)層：按2cm進(jìn)行計(jì)算。2結(jié)構(gòu)計(jì)算2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則襯砌設(shè)計(jì)按限裂考慮，最大裂縫寬度不超過0.2mm 。2.2 計(jì)算荷載及荷載組合荷載：基本荷載包括圍巖壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力、穩(wěn)定滲流場靜水壓力；特殊荷載包括施工荷載、灌漿壓力、溫度荷載、地震荷載等。鑒于頂管所處洞段土質(zhì)很差，計(jì)算可不考慮彈性抗力。荷載組合：見下表2-1。 表2-1 荷載組合表 荷載工期山巖壓力自重內(nèi)水外水彈性抗力施工荷載溫度作用地震作用施工期完建期運(yùn)行期檢修期2.3 荷載計(jì)算及計(jì)算工況2.3.1 荷載計(jì)算內(nèi)水壓力：按設(shè)計(jì)水深加一定超高考慮，取1.7m。外水壓力：按有一定外水考慮

3、，取6m。自重：按設(shè)計(jì)厚度計(jì)算自重荷載，鋼筋混凝土容重取2.5T/m3; 施工推進(jìn)力：按頂管最大推進(jìn)長度對(duì)應(yīng)的推進(jìn)力考慮；溫度荷載：考慮到襯砌分縫等結(jié)構(gòu)措施，可不計(jì)；地震荷載：可不考慮；圍巖壓力： 可按松動(dòng)介質(zhì)平衡理論和彈塑性理論估算圍巖壓力，采用普氏理論、太沙基、鐵路公式、彈塑性理論公式分別計(jì)算，經(jīng)綜合分析后，確定不同的圍巖壓力分布作為計(jì)算組次。各種公式類比計(jì)算結(jié)果見表2-2。表2-2 山巖壓力荷載計(jì)算及選取值圍巖類別計(jì)算參數(shù)物理力學(xué)參數(shù)幾何參數(shù)Q3巖石容重 kN/m317.7洞室開挖寬度B （m）堅(jiān)固系數(shù)0.62.3單位彈抗K0 104×kN/m3/洞室開挖高度H（m）內(nèi)摩擦角k

4、142.3計(jì)算項(xiàng)目普氏公式太沙基公式鐵路公式彈塑性理論公式塌落拱高度 h (m)4.918.310.5/垂直山巖壓力q (kN/m2)61146 186 1239水平山巖壓力e (kN/m2)5075 140 1239側(cè)向壓力系數(shù)0.82 0.51 0.751說明普氏公式h=(b+2mH)/2f m=tg(45-k/2) q=0.7h e=m2(0.7h+0.5H)太沙基公式q=0.7 （B/2+mH）/ (tgk) h=q/ e=m2(0.7h+0.5H) 式中m=tg(45-k/2)鐵路公式q=0.45×26-s× e=q h=q/ =1+i(B-5) i=0.1 =1

5、/2、1/3、1/6、0、0（對(duì)應(yīng)與V、IV、III、II、I類圍巖） Q3 ：=0.51; Q2 ：=0.30.5; N2:=0.150.3 s對(duì)應(yīng)I、II、III、IV、V（包括N2、Q2、Q3 依次為：6、5、4、3、2、1、1、1 彈塑性理論公式q=H e=q 2.3.2 計(jì)算工況工況一（完建期）：山巖壓力+自重+外水；工況二（運(yùn)行期）：山巖壓力+自重+內(nèi)水+外水工況三（施工期）：山巖壓力+自重+頂進(jìn)力+外水；工況四（檢修期）：山巖壓力+自重+外水。工況一、二為基本荷載組合，工況三、四為特殊荷載組合。2.3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)不同工況下襯砌承載情況，分別按不同側(cè)向山巖壓力系數(shù)（=0.51.

6、0）考慮，列出計(jì)算組次，采用桿件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算求出控制性的主要組次下襯砌內(nèi)力后，可進(jìn)行配筋及裂縫計(jì)算分析。表2-3 設(shè)計(jì)配筋表洞段圍巖類別環(huán)向鋼筋縱向鋼筋備注內(nèi)層外層內(nèi)層外層Q3131213124584582m段長說明：表中環(huán)向鋼筋為二級(jí)鋼筋。3施工輔助計(jì)算3.1 推力設(shè)計(jì)推力計(jì)算是頂管施工最基本的計(jì)算之一，計(jì)算公式如下：F=F0+(Bcq+W)+BcCL式中：F 總推力（kN）F0 初始推力（kN）Bc 管外徑（m）q 管周邊均布載荷（kPa）W 每m管的重力（kN/m） 管與土之間的摩擦系數(shù)，=tg（/2）C 管與土之間的粘著力（kPa）L 推進(jìn)長度（m）其中，在手掘式頂管中，F(xiàn)0

7、=13.2BcN ， N 標(biāo)準(zhǔn)貫入值；管周邊均布載荷q計(jì)算公式如下：q = We + p式中：We = (- 2c/Be)Ce土的容重（kN/m3）c土的凝聚力（kPa）Be管頂土的擾動(dòng)寬度（m）Be= Bt1+sin(45°-/2)/cos(45°-/2) Bt為挖掘直徑（m），Bt= Bc+0.1Ce土的太沙基載荷系數(shù)（m），Ce=1/(2K/Be)1-e-(2 KH/ Be)H 管頂以上覆土影響深度（m）K 土的太沙基側(cè)向壓力系數(shù)，K=1土的摩擦系數(shù)，= tg 土的內(nèi)摩擦角（°）按全段推進(jìn)計(jì)算，推進(jìn)力為4800噸，鑒于頂進(jìn)設(shè)備限制，以最大頂進(jìn)力1800噸確定

8、單段頂進(jìn)長度和中繼間個(gè)數(shù)及設(shè)計(jì)相應(yīng)輔助設(shè)備。經(jīng)計(jì)算，單段頂進(jìn)長度為110m，頂進(jìn)力16750KN，需布置二個(gè)中繼間。3.2 掘進(jìn)方法設(shè)計(jì)擬采用手掘式掘進(jìn)方式，其計(jì)算主要內(nèi)容為：挖掘面自穩(wěn)計(jì)算覆土深度復(fù)核。3.2.1 挖掘面自穩(wěn)計(jì)算對(duì)于砂性土而言，挖掘面自穩(wěn)高度計(jì)算公式如下：h0 = 4c /t tg(45°+ /2)式中：h0 自立高度（m）c 土的凝聚力（kPa）t 土的容重（kN/m3） 土的內(nèi)摩擦角（°）經(jīng)計(jì)算，挖掘面自穩(wěn)高度h0 =3.47m挖掘直徑Bt=2.3m，挖掘面穩(wěn)定。3.2.2 覆土深度復(fù)核對(duì)于可自立的砂性土，最小覆土深度計(jì)算公式如下：式中：Z 管頂覆土深

9、度（m）c 土的凝聚力（kPa）t 土的容重（kN/m3） 土的內(nèi)摩擦角（°）Bc 管外徑（m）Bs 工具管挖掘長度（m）經(jīng)計(jì)算，最小覆土深度為2.2m，頂管上埋度滿足要求。3.3 工作坑設(shè)計(jì)3.3.1 工作坑后座墻尺寸計(jì)算工作坑需提供反力以保證頂管單段推進(jìn)的最大推力，其反力應(yīng)為總推力的1.21.6倍。反力計(jì)算公式如下：R=B（H2Kp/2+2cH Kp0.5+h H Kp）式中：R總推力之反力(kN)系數(shù)（取1.52.5）B后座墻的寬度（m）土的容重（kN/m3）H 后座墻的高度（m）Kp被動(dòng)土壓力系數(shù)，Kp=tg2(45°+/2)C 土的凝聚力（kPa）H 地面到后座墻頂部土體的高度（m）經(jīng)計(jì)算，確定后座墻埋置深度1.5m，墻高出坑底5m提供反力最大可達(dá)2020噸。3.3.2 工作坑后座墻結(jié)構(gòu)計(jì)算后座墻結(jié)構(gòu)計(jì)算需復(fù)核墻的承受頂推力、土壓力自重作用彎距和局部承壓抗剪切能力。后座墻承受彎距計(jì)算公式為Mr = 0.28 B T ct式中：Mr 后座墻所能承