结构计算讨论

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1 设计内容
本次设计内容为××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××220千伏送出工程、××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) ××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) ××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：
 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；
 细砂②X层，饱和，中密，含有云母及氧化铁，厚度为1.10～2.10m；
 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；
 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；
 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;
 细砂④X层，饱和，密实，含云母及氧化铁，厚度为1.90m左右;
 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如下：
 顶管坑底宽取9.0m，底长取6.0m。
 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：
 本工程工作坑深度与××220千伏送出工程及××污水工程的工作坑深度相当；
 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；
 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。
 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 =20.50
6.2.2 加权平均内凝聚力
c = 7.6KPa
6.2.3 加权平均重度
ρ=1.96g/m3
γ =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 =9.24h+12.94
6.3.2 长度（6m）方向受力分析
6.3.2.1 荷载集度F0
F0= 4.62×(h22-h12)+12.94×(h2-h1)
 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
 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

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。