CN102359659A - 钢筋混凝土顶管施工中优化管道设计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土顶管施工中优化管道设计的方法，通过地质资料以及试验资料，确定工作区的土体参数，结合管道尺寸，通过本发明中土压力公式求出作用在管道各方向上的土压力，包括垂直土压力、侧向土压力和地基反力，采用弹性中心法求出管道各截面的内力，并据此进行管道配筋设计。本发明原理简单，具有计算精度高等优点，在保证管道运行安全的基础上能减小配筋率，提高经济效益，具有较强的实用性。

Description

钢筋混凝土顶管施工中优化管道设计的方法

技术领域

本发明涉及一种建筑工程技术领域的方法，尤其涉及一种钢筋混凝土顶管施工中优化管道设计的方法。

背景技术

顶管法施工作为一种暗挖施工方法，具有以下优点：占地面积少，与同管径的明挖施工相比可节约用地；地下施工不影响地面活动，可保持交通运输畅通无阻；穿越铁路、公路、河流、建筑物等障碍物时可减少沿线的拆迁工作量，节约资金和时间；施工过程中不破坏现有的管线及构筑物，不影响其正常使用；施工无噪音，减少对沿线环境的污染。因此，顶管工法施工技术在近年得到广泛的应用，市政工程的上、下水道、煤气、电力、通信工程、液化石油气、天然气输送管道以及各种油管、动力电缆、宽频网、光纤网等通讯电缆等的敷设都相继采用顶管工法施工。

顶管施工不可避免地会对管道周围的土体产生扰动，扰动的结果是使周围的土体出现卸载或加载等复杂的力学行为并使土层的物理、力学指标产生变化，土体的应力状态也不断变化，引起管道周围土体产生变形，使土层移动。

土压力是管片设计荷载的主要组成部分，合理确定管道土压力及其分布是进行管片设计的主要依据，是使得管道结构设计安全且经济的基本要求。作用于管道上的土压力实际上是周围土层与管道共同作用面上的接触应力，其大小及分布形式不仅与地层的物理力学性质、管道的刚度有关，且与施工方法、管道的埋深、直径、形状等几何参数有关。随着顶管施工技术的进步，顶管的最大直径不断得到突破，且顶进过程中的注浆减摩技术已运用得越来越成熟，这些都导致传统的设计方法不再适用于实际工程。

经过对国内外文献的检索，现有技术中不同设计方法都立足于顶管受到的土压力，并将其分为垂直土压力、侧向土压力以及地基抗力三个部分。

美国所采用的设计方法中，对于作用在顶管用钢筋混凝土管道上的垂直土压力采用马斯顿沟埋式模型，即认为顶管法施工时上部土层滑动区域的宽度为管道外径一致；侧向土压力为在管顶垂直土压力的基础上乘以一个经验系数，该经验系数与施工方法有关，且为均布荷载；地基反力为均布，而反力的支承角同样也与施工方法有关。

德国设计方法中，假定管道的土压力呈椭圆形分布，椭圆形顶点荷载确定采用太沙基筒仓模型、侧向采用经验系数法，该经验系数也与施工方法有关；地基反力分布模式与垂直土压力相同，均为余弦分布，采用前苏联克莱茵分布模式，其支承角为180°。

而中国目前所采用的设计方法依照上海市政工程设计研究总院编制的《给水排水工程顶管技术规程》CECS246：2008，其中垂直土压力采用太沙基的筒仓模型、侧向土压力采用朗肯主动土压力模型、地基反力采用克莱茵半椭圆形假定，其支承角为120°。

相比而言，我国的顶管规程综合了各国规范的特点，但相对于其他国家规范仍然偏于保守，其中侧向土压力采用均布的主动土压力值得商榷，其大小和分布形式必须进行改进，同时地基反力的分布比较集中，使得整个结构受力相对不均匀，内力偏大，从而直接导致管材消耗大。因此，本领域的技术人员致力于开发一种适合软土地区钢筋混凝土顶管的设计方法。

发明内容

为实现上述目的，针对我国现有规范中钢筋混凝土顶管管道受力模式的不足，本发明提供了一种适合软土地区的钢筋混凝土顶管施工中优化管道设计的方法，通过地质资料以及试验资料，确定工作区的土体参数，结合管道的尺寸，通过土压力公式求出作用在所述管道的各方向上的土压力，采用弹性中心法求出所述管道的各截面的内力，并据此进行所述管道的配筋设计。

较佳地，本发明的方法包括以下步骤：

第一步，充分收集工作区已有地质资料，掌握场地的土体参数，所述土体参数包括：土质的粘聚力c、内摩擦角

容重γ，根据施工方案，确定管道参数，所述管道参数包括：管顶至原状地面埋置深度H_s、管道外径D₁、壁厚t及自重G；

第二步，把第一步得到的所述土体及管道参数代入到各土压力公式中，分别确定作用在所述管道上的垂直土压力、侧向土压力和地基反力；

第三步，根据土压力的分布模式及第二步中求得的各方向上的土压力，采用弹性中心法计算出所述管道的各截面的所述内力，包括截面的弯矩和轴力，其中，主要关注的截面为所述管道的顶部、底部及两侧位置；

第四步，根据第三步中得到的所述弯矩和所述轴力进行所述管道的所述配筋设计。

较佳地，所述土体参数通过以下方式确定：通过充分收集工作区的地质资料，分析资料的可利用程度，重点对钻孔资料进行分类整理和分析，通过取样试验或原位试验，测定出土体的内摩擦角

和粘聚力c，通过环刀法等测量土容重试验测定土体的容重γ；对于成层土，可根据每层土的厚度等效计算出相应参数；其中，根据施工设计方案，确定出顶部覆土的厚度h、管道外径D₁、壁厚t及自重G。

较佳地，所述各土压力公式中，垂直土压力公式为：当管顶覆盖层厚度小于或等于1倍管外径或覆盖层均为淤泥土时，采用土柱理论计算，即σ_v＝γH_s；当管顶覆土层不属上述情况时，管顶上竖向土压力标准值则按太沙基理论计算，即σ_v＝C_j(γB_t-2c)。其中：C_j为顶管竖向土压力系数；γ为土体容重(kN/m³)；B_t为管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度(m)；c为土体粘聚力(kPa)，宜取地质报告中的最小值；为管顶土的内摩擦角(°)；D₁为管道外径(m)；H_s为管顶至原状地面埋置深度(m)；K_aμ为原状土的主动土压力系数和内摩擦系数的乘积，一般粘性土可取0.13，饱和粘土可取0.11，砂和砾石可取0.165；式中的B_t、C_j通过通过以下方式得到：

$C_j=\frac{1-\exp (-2K_a\mathrm{\μ}{H}_s/B_t)}{{2K}_a\mathrm{\μ}}$

较佳地，所述各土压力公式中，侧向土压力公式为：管顶和管底处的侧向土压力为σ_h1＝K_aσ_v；管道中心处的土压力为σ_h2＝K_aγ(H_s+D₁/2)。其中：K_a为主动土压力系数，即

较佳地，所述各土压力公式中，地基反力公式为

其中P为管道所受到的竖直向下荷载的合力，包括管顶垂直土压力、管道自重及水压等；θ为离开管道底部的角度，其范围为

较佳地，所述土压力的所述分布模式是指：管顶垂直土压力为均匀分布，方向为竖直向下，分布范围为管道上半部分；侧向水平土压力为梯形分布，管顶和管底为σ_h1，管道中心处为σ_h2，中间区段为线性分布，分布范围为整个管道；地基反力为向心余弦式分布，分布范围为管道下半部分。

较佳地，所述弹性中心法是一种计算刚性管环的结构力学算法，其将所述管道的横截面看做一个三次超静定的闭合圆环，其弹性中心与圆心重合，可按无铰拱进行计算，并求得所述管道在各种荷载作用下的内力。

所述主要关注的截面是指：在一般外荷载作用下，管道顶部、底部及两侧位置的截面内力通常为整个管道内力的极限值，故管道设计中将这四个截面作为控制截面进行管道设计。

较佳地，所述管道的所述配筋设计是指：根据计算得出的控制截面的弯矩和轴力计算混凝土截面的配筋率，并确定钢筋混凝土管道所需要的钢筋根数及钢筋尺寸，该配筋率既要满足受力要求，也要符合构造要求等。

本发明的钢筋混凝土顶管施工中优化管道设计的方法在我国现有设计方法的基础上，优化了土压力的分布模式，使土压力分布更加均匀，管道弯矩降低。由于顶管为混凝土管，其抗压性能强，抗弯性能弱，弯矩减小可优化管道设计。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的土压力分布模式；

图2和图3为本发明实施效果图。

具体实施方式

本实施例以上海市污水治理白龙港片区南线输送干线完善工程为例，主要建设内容为长约26.21km的污水输送干管，顶管内径为4000mm，外径为4640mm，顶管底埋深14.0～15.0m，管道材质为钢筋混凝土预制管，每节管长度为2.5m。

为优化混凝土管道设计，采用如图1所示的受力模式。具体方法及步骤如下：

1)通过取样试验或原位试验，测定出土的内摩擦角

粘聚力c＝4kPa，土的容重γ＝18kN/m³。根据施工方案，确定管顶至原状地面埋置深度H_s＝10m，管道外径D₁＝4.64m，壁厚t＝0.32m，管道自重G＝108.6kN/m。

2)将土体及管道参数代入到各土压力公式中，不考虑水压的作用，确定作用在管道上的垂直土压力σ_v＝144.7kPa，侧向土压力σ_h1＝70.9kPa、σ_h2＝108.7kPa，地基反力q_θ＝252.2cos²θ。

3)根据图1所示的土压力分布模式及第二步中求得的各方向上的土压力，采用弹性中心法计算出管道各截面的内力，截面的弯矩如图2所示，轴力如图3所示，主要关注的截面为管道的顶部、底部及两侧位置。为便于与现有设计方法对比，图中也列出按《给水排水工程顶管技术规程》CECS246：2008计算得出的管道内力。

4)根据第三步中得到的弯矩和轴力进行管道配筋设计，计算可得管道内侧配筋为16/1490，配筋率为0.62％；外侧配筋为14/1490，配筋率为0.53％。而根据中国顶管规程计算可得管道内侧配筋为18/1890，配筋率为0.88％；外侧配筋为16/1690，配筋率为0.70％。由此可以看出，本发明的配筋率较低，从而降低了成本。

由图2和图3可见，本发明模式相对于现有设计方法，管道四个控制截面处的弯矩均显著减小，轴力增大，而影响管道配筋率的主要因素为弯矩，弯矩减小可降低配筋率，因此采用本发明的土压力分布模式能减少管材耗费，提高经济效益。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种钢筋混凝土顶管施工中优化管道设计的方法，其特征在于，通过地质资料以及试验资料，确定工作区的土体参数，结合管道的尺寸，通过土压力公式求出作用在所述管道的各方向上的土压力，采用弹性中心法求出所述管道的各截面的内力，并据此进行所述管道的配筋设计。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，充分收集工作区已有地质资料，掌握场地的土体参数，所述土体参数包括：土质的粘聚力c、内摩擦角

容重γ，根据施工方案，确定管道参数，所述管道参数包括：管顶至原状地面埋置深度H_s、所述管道的外径D₁、壁厚t及自重G；

第二步，把第一步得到的所述土体及管道参数代入到各土压力公式中，分别确定作用在所述管道上的垂直土压力、侧向土压力和地基反力；

第三步，根据土压力的分布模式及第二步中求得的各方向上的土压力，采用弹性中心法计算出所述管道的各截面的所述内力，包括截面的弯矩和轴力，其中，主要关注的截面为所述管道的顶部、底部及两侧位置；

第四步，根据第三步中得到的所述弯矩和所述轴力进行所述管道的所述配筋设计。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述土体参数通过以下方式确定：通过充分收集工作区的地质资料，分析资料的可利用程度，重点对钻孔资料进行分类整理和分析，通过取样试验或原位试验，测定出土体的内摩擦角

和粘聚力c；通过环刀法测量土容重试验测定土体的容重γ；对于成层土，根据每层土的厚度等效计算出相应参数；其中，根据施工设计方案，确定出顶部覆土的厚度h、管道外径D₁、壁厚t及自重G。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述各土压力公式中，

垂直土压力公式为：当管顶覆盖层厚度小于或等于1倍管外径或覆盖层均为淤泥土时，采用土柱理论计算，即σ_v＝γH_s；当管顶覆土层不属上述情况时，管顶上竖向土压力标准值则按太沙基理论计算，即σ_v＝C_j(γB_t-2c)；

其中：C_j为顶管竖向土压力系数；γ为土体容重(kN/m³)；B_t为管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度(m)；c为土体粘聚力(kPa)，宜取地质报告中的最小值；

为管顶土的内摩擦角(°)；D₁为管道外径(m)；H_s为管顶至原状地面埋置深度(m)；K_aμ为原状土的主动土压力系数和内摩擦系数的乘积，一般粘性土取0.13，饱和粘土取0.11，砂和砾石取0.165；式中的B_t、C_j通过以下方式得到：

$C_j=\frac{1-\exp (-2K_a\mathrm{\μ}{H}_s/B_t)}{{2K}_a\mathrm{\μ}}.$

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述各土压力公式中，

侧向土压力公式为：管顶和管底处的侧向土压力为σ_h1＝K_aσ_v；管道中心处的土压力为σ_h2＝K_aγ(H_s+D₁/2)；

其中：K_a为主动土压力系数，即

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述各土压力公式中，

地基反力公式为 $q_{\mathrm{\θ}}=\frac{3P}{{2D}_1}{\cos }^2\mathrm{\θ};$

其中P为管道所受到的竖直向下荷载的合力，包括管顶垂直土压力、管道自重及水压；θ为离开管道底部的角度，其范围为

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述土压力的所述分布模式是指：管顶垂直土压力为均匀分布，方向为竖直向下，分布范围为管道上半部分；侧向水平土压力为梯形分布，管顶和管底为σ_h1，管道中心处为σ_h2，中间区段为线性分布，分布范围为整个管道；地基反力为向心余弦式分布，分布范围为管道下半部分。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述弹性中心法是一种计算刚性管环的结构力学算法，其将所述管道的横截面看做一个三次超静定的闭合圆环，其弹性中心与圆心重合，按无铰拱进行计算，并求得所述管道在各种荷载作用下的内力。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述管道的所述配筋设计是指：根据计算得出的控制截面的弯矩和轴力计算混凝土截面的配筋率，并确定钢筋混凝土管道所需要的钢筋根数及钢筋尺寸，该配筋率既要满足受力要求，也要符合构造要求。

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