顶管.沉井结构计算书(详细)

XXXX 路及其配套设施建设项目（排水工程）

工作井（沉井）结构计算书

计算:

校核:

审定:

XXXXX 设计建设有限公司

二○一二年X 月

目 录

1 目 录 ............................................................... 2

1.1 工程概况 . ............................................................. 3

1.2 结构计算依据 .......................................................... 3

1.3 顶管概况 . ............................................................. 3

1.4 顶管工作井、接收井尺寸 ................................................ 3

1.5 1000mm 管顶力计算 ..................................................... 4

1.5.1 推力计算 .......................................................... 4

1.5.2 壁板后土抗力计算： ................................................ 4

1.5.3 后背土体的稳定计算： .............................................. 5

1.6 工作井（沉井）下沉及结构计算 .......................................... 5

1.6.1 基础资料： ........................................................ 5

1.6.2 下沉计算： ........................................................ 5

1.6.3 下沉稳定计算： .................................................... 6

1.6.4 抗浮稳定计算(沉井下沉到设计标高浇注底板后) ： ...................... 6

1.6.5 刃脚计算： ........................................................ 6

1.6.6 沉井竖向计算： .................................................... 7

1.6.7 井壁内力计算：(理正结构工具箱计算) ................................ 9

1.6.8 底板内力计算：(理正结构工具箱计算) ............................... 14

1.7 接收井（沉井）下沉及结构计算 ......................................... 15

1.7.1 基础资料： ....................................................... 15

1.7.2 下沉计算： ....................................................... 16

1.7.3 下沉稳定计算： ................................................... 16

1.7.4 抗浮稳定计算(沉井下沉到设计标高浇注底板后) ： ..................... 16

1.7.5 刃脚计算： ....................................................... 16

1.7.6 沉井竖向计算 ..................................................... 17

1.7.7 井壁内力计算：(理正结构工具箱计算) ............................... 18

1.7.8 底板内力计算：(理正结构工具箱计算) ............................... 24

1.1 工程概况

本工程污水管道起于XXX 污水接入位置，沿XX 快速路布设，汇入XXX 路西侧的XX 污水第一处理厂进场干管，长约1Km 。主要解决包括XXXXX 地块等的污水排放，管道布设位置距道路中线7.9m, 为了不影响XX 路的交通，W24~W26段采用顶管穿越XXX 路。

1.2 结构计算依据

1、测量资料、污水管道平面、纵断面设计图；

2 、地勘资料（XXXX 工程地质勘察队 2010年10月29日）；

3、 《室外排水设计规范》GB50014-2006；

4 、《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）；

5 、《给水排水工程管道结构设计规范》（GB50332-2002）；

6 、《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-97）；

7 、《市政排水管道工程及附属设施》（国家标准图集06MS201）；

8 、《混凝土结构设计规范》GB 50010-2002；

9 、《顶管施工技术及验收规范》（试行） 中国非开挖技术协会行业标准 2007年2月；

10 、《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS 137：2002）。

1.3 顶管概况

1、 顶管工程性质为解决XX 安置小区污水排放问题，兴建地点XX 快速路接

XX 路交叉口处，顶管管径1m ，管道埋深5.1米。XX 路顶管管道放置在密实的卵石层内，覆土平均取4.5m ，由于顶管长度较长，分两段顶管，每段长度L ≤50m 。顶管工作井、中继井尺寸5.3m*3.8m，顶管接收井尺寸

2.7m*2.7m。

2、 本工程设计合理使用年限为五十年，抗震设防烈度为七度。

3、 钢筋及砼强度等级取值：

（1） 钢筋

Ф—HPB235级钢筋强度设计值fy=fy′=210N/ mm2

Ф—HRB335级钢筋强度设计值fy=fy′=300N/ mm2

（2） 圆管砼：采用C50，沉井采用C25。

（3） 所顶土层为砂砾石，r=21KN/ m3

4、 本工程地下水埋深为2.0～2.5m 。

5、 本计算除井壁、底板外未采用专业计算软件。

1.4 顶管工作井、接收井尺寸

1、工作井尺寸的设计、核算由检查井的设计要求及顶管操作技术要求决定。

（1）、工作井的宽度计算公式

B =D+2b+2c 式中：

B ——工作井宽度；

D ——顶进管节的外径尺寸；

b ——工作井内安好管节后两侧的工作空间，本工程采用每侧0.8m ； c ——护壁厚度，本工程采用0.4m ；

本工程的顶管直径为D1000，壁厚200。

因此，工作井的宽度尺寸为 B=1400＋2×800＋2×400=3800mm；

（2）工作井底的长度计算公式 ：

L=L1+L2+L3+2L4+L5式中：

L ——工作井底部开挖长度 ；

L1—— 管节长度 取2m ；

L2——顶镐机长度 取1.1m ；

L3——出土工作长度， 取1.1m ；；

L4——后背墙的厚度，取0.4m ；；

L5——已顶进的管节留在导轨上的最小长度，取0.3m 。

因此，确定本工程工作井的底部长度尺寸为 L=2+1.1+1.1+2×0.4+0.3=5.3m 。

（3）工作井的深度工作井的深度由设计高程和基础底板的厚度决定。

（4）接收井尺寸只需满足工具管退出即可，本工程接收井尺寸2.7m*2.7m。

1.5 1000mm 管顶力计算

1.5.1 推力计算

管径D 1=1.0m 水位至管顶高度：2m

管外周长 S=3.14d=3.14x1.4=4.396m

顶入管总长度L=50m 管壁厚t=0.2m 水容重γw =10KN/m3

顶入管每米重量W={3.14X（1.42-1.02）/4}X25=18.84KN/m

管涵与土之间摩擦系数f=0.40

每米管子与土层之间的综合摩擦阻力 f0=RS+Wf=5x4.396+18.84x0.4=29.52 kN/m

初始推力 F0=（Pe+Pw+△P ）(3.14/4)B2c=（150+2.0 x10+20）x3.14/4x1.42=76.1kN 总推力 F= F0+ f0L=76.1+29.52x50=1552.1 kN

1.5.2 壁板后土抗力计算：

顶管总推力设计值 Pt=1.3x1552.1=2017.73 kN

顶管力至刃脚底的距离：h f =2.5m 沉井尺寸r c =5.3x3.8m

q Amax =4 Pt/(3 rc hf ) =4x2017.73/(3x5.3x3.8x2.5)=53.43kpa

q A =53.43x(8-1.5)/8=43.42 kpa

MA=-0.307qAr2c=-0.307x43.42x(5.3x3.8)2=-5406.89 kN.m

1.5.3 后背土体的稳定计算：

35︒35︒）= 21x8xtg 2（45°-）=45.53kN/m2

22

35︒35︒被动土压力标准值Pp= rZtg 2（45°+）= 21x8xtg 2（45°+）=619.95 kN/m2 22

35︒沉井前方总主动土压力标准值Pa=0.5rH2tg 2（45°-）= 0.5x21x82 x tg 2（45°2

35︒-）=182.11 kN/m2 2

35︒沉井后方总被动土压力标准值Pp=0.5rH2tg 2（45°+）= 0.5x21x82 x tg 2（45°2

35︒+）=2479.80kN/m2 2

h p =H/3=8/3=2.67 m

§=( hf -︳h f - hp ︳)/ hf =( 2.5-︳2.5- 2.67︳)/ 2.5= 0.932

总推力F=1552.1≤ §(0.8Pp-Pa )

=0.932x(0.8x2479.8-182.11)=1679.21KN 满足规范要求

所以经过以上计算可知：

采用管径D 1=1.0m圆管，顶进距离50m 符合要求。 主动土压力标准值Pa=rZtg2（45°-

1.6 工作井（沉井）下沉及结构计算

5.3x3.8m沉井，本井为工作井，地下水位按地面以下-2.0m 计（施工期间）由于地质条件好，在沉井范围内均为卵石土层，沉井考虑先开挖后下沉。

1.6.1 基础资料：

单位摩阻力f k ＝25Kpa ，地基承载力特征值取为350Kpa 。采用C25砼，钢

筋为HPB235，HRB335。卵石土天然容重取为21kN/m3，水容重γw =10KN/m3 , 内

摩擦角Φ=35°, 井壁高6.5m, 底板厚0.35m, 壁厚0.40m 。

1.6.2 下沉计算：

下沉过程中水的浮托力标准值：

F fw,k =(5.3x0.4x2+3.8x0.4x2)x5.1x10=371.3kN

井壁总摩阻力标准值：

11T ＝U (H +h 1-2.5) f =(5.3x2+3.8x2)xx(6.5+1.3-2.5)X25 22

=1205.2kN

沉井自重标准值

G 1k ＝(5.3x0.4x2+3.8x0.4x2)x6.5x25=1183kN

下沉系数：

K1＝（G 1k-F fw,k ）/ T＝（1183-371.3）/1205.2=0.67＜1.05

(不满足规范要求) ，所以仅靠自重不能顺利下沉，需在顶部压重

1.6.3 下沉稳定计算：

根据地勘资料, 沉井下沉土层为卵石土层，因此下沉稳定满要求。

1.6.4 抗浮稳定计算(沉井下沉到设计标高浇注底板后) ：

a. 施工阶段

沉井自重标准值

G K ＝1626.63＋5.3×3.8×0.35×25=1655.52kN

基底的水浮力标准值：

b Ff w,k ＝5.3×3.8×6.5×10＝1309.1kN

抗浮系数：

K fw ＝G K ＝1655.52/1309.1＝1.27>1.05满足要求。 F f w k

b. 使用阶段

由于使用阶段井顶板有覆土，可满足要求。

1.6.5 刃脚计算：

水平框架作用的判别,L1=4.9m,h=1.3m

af =(0.1XL14)/(h4+0.05 L14)=1.81＞1

af ＞1，刃脚在内墙荷载作用下，不作水平分配，只按悬臂计算。

(1)刃脚向外悬臂弯曲计算

a. 起沉时

井体重量为1626.63KN ，平均每延米重量R =1626.63=105.63 2(4.75+2.95)

0.45=56.3° 0.3KN/m。刃脚插入土中最大深度为0.45米，α=arctg

n=0.3m,c=0.3m

Rn 105.63X 0.3V 2===35.21KN/m n +2c 0.3+2X 0.3

取β=30°

水平推力H=V2tg(α-β)=35.21xtg(56.3°-30°)= 17.4KN/m

向外悬臂弯矩M=17.4X2/3X0.45=5.22KN.m/m

b. 沉至井深一半，井为全高时，沉井入土深度H=0.5X8=4m,此时摩阻力为： 11T ＝U (H +h 1-2.5) f =(5.3x2+3.8x2)xx(4+1.3-2.5)X15=382.2KN 22

Rn 382.2X 0.3=刃脚斜面垂直反力及水平推力：V 2==127.4KN/m n +2c 0.3+2X 0.3

H=V2tg(α-β)=127.4xtg(56.3°-30°)= 93.59KN/m

向外悬臂弯矩：M=93.59X2/3X0.45=28.08KN.m/m

c. 下沉至设计标高时，刃脚内部全部挖空，在外侧水、土作业下，刃脚向里悬臂弯曲的计算：

q a =130KN qb =182.11KN

向里悬臂弯矩：

q A h 21130X 1.3212M G =+(q B -q A ) h =+X (182.11-130) X 1.32=139.2 KN.m 2323

(2)刃脚配筋计算

计算时，刃脚自重及井壁摩阻力略去不计。

MC=1/2*1.27*139.2*0.552+1/2*1.27* (13*6.5-13*6.1) *0.552*2/3 =27.4KN.m

选择钢筋截面：M=27.4KN.m，h0=510mm,b=1000mm,

αs=M/α1fcbh02=27400000/(1.0*11.9*1000*510*510)=0.00853

δ=0.0085

AS=192mm2

1.6.6 沉井竖向计算：

1）、抽垫木时井壁竖向计算

沉井在开始下沉特别是在抽垫木时，井壁会产生皆大的弯曲应力。沉井采用四个支承点，定位支撑点布置如图

。

（1）假定定位承垫木间距为0.7L ，不考虑刃脚下回填砂的承载力，如图a 所示。

井壁单宽自重标准值：g k =6.5*0.4*25=65KN/m

井壁单宽自重标准值：g s =1.27*65=82.55KN/m

支座弯矩：

2M 支=-1/2*82.55*(5.3*0.15)-1/2*3.4*82.55*(5.3*0.15-0.25)

=-102.6KN.m

跨中弯矩：M 中=1/8*82.55*(5.3*0.7)2-102.6=39.43KN.m

(2)、假定抽垫木时，先抽并回填部位已经压实变成支点。此时，沉井井壁支承在三个点上，如图b

所示。

支座弯矩：

M 支=-1/8*82.55*2.652=-72.5KN.m

跨中弯矩：M 中=0.07*82.55*2.652=40.6KN.m

(3)配筋计算

L10/H≤2，按深梁进行设计，根据《混凝土结构设计规范》，计算如下： 因为L10

刃脚底部：M 中=40.6KN.m,

As= M中/fyz1=40600/（300*3.18）=42.6mm2

井墙顶部：M 支=102.6KN.m,

As= M支/fyz1=102600/（300*3.18）=107.6mm2

求得的钢筋值较小，故按构造配筋已能满足要求。

2）、井壁的抗拉计算

根据《规程》，由于本工程地基为卵石土层地基，不必进行竖向拉断计算。

1.6.7 井壁内力计算：(理正结构工具箱计算)

（1）、 池壁荷载计算:

池外荷载:

主动土压力系数Ka= 0.27

2底板荷载计算(池内无水，池外填土):

水池结构自重标准值Gc= 1431.72kN

基础底面以上土重标准值Gt= 0.00kN

基础底面以上水重标准值Gs= 0.00kN

基础底面以上活载标准值Gh= 30.21kN

水池底板以上全部竖向压力基本组合:

Qb = (1431.72×1.20+0.00×1.27+0.00×1.27+30.21×1.27×0.90)/20.140

= 87.02kN/m2

水池底板以上全部竖向压力准永久组合:

Qbe = (1431.72+0.00+0.00×1.00+1.50×20.140×0.40)/20.140 = 71.69kN/m2

板底均布净反力基本组合:

Q = 87.02-0.350×25.00×1.20

= 76.52 kN/m2

板底均布净反力准永久组合:

Qe = 71.69-0.350×25.00

= 62.94 kN/m2

底板荷载计算(池内有水，池外无土):

水池底板以上全部竖向压力基本组合:

Qb = [5.300×3.800×1.50×1.27+1431.72×1.20

+(4.500×3.000×0.700) ×10.00×1.27]/20.140 = 93.17kN/m2 板底均布净反力基本组合:

Q = 93.17-(0.350×25.00×1.20+0.700×10.00×1.27) = 73.78kN/m2 水池底板以上全部竖向压力准永久组合:

Qbe = [5.300×3.800×1.50×0.40+1431.72

+(4.500×3.000×0.700) ×10.00]/20.140 = 76.38kN/m2 板底均布净反力准永久组合:

Qe = 76.38-(0.350×25.00+0.700×10.00) = 60.63kN/m2

（2） 内力, 配筋及裂缝计算

弯矩正负号规则:

顶板:下侧受拉为正, 上侧受拉为负

池壁:内侧受拉为正, 外侧受拉为负

底板:上侧受拉为正, 下侧受拉为负

荷载组合方式:

1.池外土压力作用(池内无水，池外填土)

2.池内水压力作用(池内有水，池外无土)

3.池壁温湿度作用(池内外温差=池内温度-池外温度)

(3)L侧池壁内力:

计算跨度: Lx= 4.900 m, Ly= 6.550 m , 四边固定

池壁类型: 普通池壁, 按双向板计算