顶管施工计算书

******工程顶管施工计算书

一、编制依据

1、**********工程施工图 2、《路桥施工计算手册 》

3、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001） 4、《给水排水工程结构设计手册》

5、《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)(2011 年版) 6、《混凝土结构设计规范》GB 50010-2002

二、工程概况

工程名称：******工程

工程地点：******

本工程为******，位于*****，西起物流基地*****K1+875，沿拟建*****两侧辅助车道设 置（路面设计高程 90.926～103.627m）,接******沿平乐大道东侧终止于玉洞大道。管道总长

7938m，管径 0.4m～1.0m。

其中顶管部分管道长 2887m，管径 1.0m，管底标高为 86.000～80.335；共有工作井 26 座，

接收井 34 座，工作井几接收井内径￠6000mm、壁厚 50～60cm，钢筋砼结构，砼等级 C30。分

布区域为：*******北侧 K1＋385～K3+521 段、平乐大道 K3＋521~K4+730 段。

三、地质

根据勘察资料，道路沿线勘探深度范围内管线沿线分布的地层主要有：新近堆积人工堆 填（Q4ml）素填土、植物沉积层（Q4pd）耕土，第四系晚更新统河流冲积（Q3al+pl）粉质黏

土、含砾粉质黏土，第四系晚更新统残坡积（Q3el+dl）黏土和含砾黏土，下伏基岩为石炭系 大塘阶（C1d）硅质岩等，现自上而下描述为：

1、素填土（Q4ml）①：暗红色、灰黄色、黄褐色，松散，稍湿～湿，主要由黏性土组成，

局部含少量砾石、植物根系等，土质不均，为新近堆积填土，未经压实，未完成自重固结。

该层分布于场地大部分地段，层厚 0.50～5.60m，平均厚度 1.79m。具高压缩性。

2、素填土（Q4ml）①：灰黄色、黄褐色，中密，稍湿～湿，主要由碎石土组成，经碾压

处理，为路基填土。该层分布于场地道路或在建道路上，层厚 0.50～5.80m,平均厚度

1.79m。具中压缩性。

1

3、耕土（Q4pd）②：灰色、灰褐色、黄褐色，松散，稍湿～湿，主要由黏性土组成，含 少量有机质和植物根系，其中分布于水田部分受水浸泡呈松软状。该层分布于管道沿线大部

分地段，层厚 0.20～1.80m，平均厚度 0.61m。具高压缩性。

4、粉质黏土（Q3al+pl）③：灰黄、红黄、浅黄等色，湿～饱和，可塑状为主，局部软

塑状，黏性中等，韧性一般，干强度中等，湿水具砂感，含少量铁锰质结核及其氧化物，局

部夹薄层粉细砂及含少量粉土，土质不均。该层分布于管道沿线大部分地段，层顶埋深 0.00～4.10m，层顶高程 87.19～106.79m，层底埋深 0.90～16.80m，层底高程

83.54～104.31m，层厚 0.10～3.50m，平均层厚度 2.31m。液性指数平均值 L=0.38，压缩系数 平均值 1-2=0.20MPa-1。该层现场做标准贯入试验 24 段次，实测锤击数 5～10 击，平均锤击 数=7.4 击；经杆长校正后锤击数 4.0～9.7 击，修正后锤击数标准值 k=6.7 击。具中压缩性。

5、含砾粉质黏土（Q3al+pl）④：棕黄、灰黄、黄褐等色，硬塑状为主，局部少量可塑， 黏性中等，韧性中等，干强度中等。砾石成分主要为强风化硅质岩、砂岩、石英等，砾石含

量 15～45%不等，粒径以 2～35mm 为主，大者达 100mm，亚圆形～次棱角状，局部呈含黏性土 碎石状，土质不均。该层分布于管道沿线局部地段，层顶埋深 0.00～3.30m，层顶高程 86.06～94.64m，层底埋深 1.00～8.20m，层底高程 83.46～91.94m，层厚 1.00～7.50m，平均 层厚 2.95m。液性指数平均值 L=0.11，压缩系数平均值 1-2=0.16MPa-1。该层现场做标准贯入 试验 12 段次，实测锤击数 11～13 击，平均锤击数=12.5 击；经杆长校正后锤击数 10.5～13.0 击，修正后锤击数标准值

k=11.8 击。现场做重型圆锥动力触探试验 4.0m，经杆

长校正后锤击数 6.6～15.3 击，修正后平均锤击数 63.5=9.3 击，修正后锤击数标准值 63.5k=8.9 击。具中压缩性。

6、黏土（Q3el+dl）⑤：暗红色、黄褐色，黑褐色，稍湿～湿，硬塑状为主，局部少量

可塑状。黏性好，韧性强，干强度高，湿水手感滑腻，无摇振反应，含少量铁锰质结核及其

氧化物，局部地段夹薄层粉质黏土。该层在管道沿线均有分布，层顶埋深 0.00～18.70m，层 顶高程 70.29～104.31m，层底埋深 0.70～27.50m，层底高程 67.31～96.79m，层厚

0.40～25.40m，平均层厚 12.04m。液性指数平均值 L=0.14，压缩系数平均 1-2=0.17MPa-1。 该层现场做标准贯入试验 159 段次，实测锤击数 9～17 击，平均锤击数=12.3 击；经杆长校正 后锤击数 7～14.50 击，修正后锤击数标准值 k=10.2 击。具中压缩性。

2

7、含砾黏土（Q3el+dl）⑥：灰黄色，黄褐色，黑褐色，褐红色，硬塑状，黏性较好， 韧性较强，干强度较高。砾石含量不均，疏密不等，大多为散状，局部相对较集中呈窝状，

孔壁不易坍塌。砾石含量 5～45%不等，粒径以 2～25mm 为主，大者达 40mm，棱角状。该层分 布于管道沿线大部分地段，层顶埋深 0.50～22.10m，层顶高程 68.47～96.79m，层底埋深 2.30～26.90m，层底高程 63.67～92.97m，层厚 0.40～16.20m，平均层厚 5.96m。液性指数平 均值 L=0.10，压缩系数平均 1-2=0.14MPa-1。该层现场做标准贯入试验 15 段次，实测锤击数 12～18 击，平均锤击数=14.3 击；经杆长校正后锤击数 10.2～13.9 击，修正后锤击数标准值 k=11.9 击。现场做重型圆锥动力触探试验 4.20m，经杆长校正后锤击数 5.6～13.5 击，修正 后平均锤击数 63.5=12.8 击，修正后锤击数标准值 63.5k=9.4 击。具中压缩性。

8、强风化硅质岩（C1d）⑦：灰色、灰黄色，坚硬状，岩体风化程度较深，原岩结构模

糊，多已风化呈含黏土角砾或碎石夹土状，冲击可缓慢钻进。岩芯易散，难取原状土芯。该

主要岩土参数建议值一览表

岩土名称 及层号 天然 含水 量 w % 22 21 26.6 25.1

天 然 密 度 ρ0 g/cm3 2.01 2.03 1.97 1.97 0.654 0.629 0.755 0.75 0.38 0.11 0.14 0.1 天 然 孔 隙 比 e 液 性 指 数 IL 天然快剪 内聚 力 Ck kPa 36.8 51.8 51.1 56 内摩擦 角 φk 度 16.6 18.1 17.2 18.2 压缩 基底 摩擦系 数 μ 承载力 基 本容许 层仅在 ZK37、ZK42、ZK47、ZK48、ZK50 附近地段有分布，本次勘察深度范围内未揭穿，揭露 层顶埋深 15.40～18.40m，层顶高程 78.64～82.85m，揭露层底埋深 17.50～19.80m，层底高 程 77.54～81.15m，揭露层厚 1.10～2.80m，揭露平均厚度 1.90m。岩石按坚硬程度划分属 “极软岩”，岩体主要结构面结合很差，散体状结构，完整程度为“极破碎”，岩体基本质量 等级Ⅴ级。

模量 值 Es1-2 （MPa） 9.08 10.39 11.07 13.07 fak (kPa) 180 220 220 225 380 粉质黏土③ 含砾粉质黏 土④ 黏土⑤ 含砾黏土⑥ 硅质岩⑦ 备注 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 3

四、水文

1、地表水

本次勘察范围内管道沿线地表水主要为水田、水塘、水沟中的水体，勘察期间水深约 0.20～1.50m，主要接受大气降水补给，水量大小受季节性影响较明显，水量较小，易于疏干。

2、地下水

根据钻探揭露，勘察期间管道沿线勘探深度范围内揭露两层地下水，分别为上层滞水、孔 隙水。上层滞水赋存于素填土①、耕土②中，孔隙水赋存于粉质黏土③及含砾粉质黏土④中，

因两者间无相对隔水层，形成混合水。混合水主要接受大气降水、地表水的补给，其水位、水 量、水质随补给来源、季节变化而变化，水位变化较大，水量中等。因沿线跨度较大，含水层 分布不均，水位埋深变化较大，局部地段因含水层缺失而未形成统一水位。根据勘察期间实测 水位资料，其稳定水位埋深 0.20～4.20m 不等，相应高程为 86.56～96.19。根据区域水文地质 资料，年水位变化幅度 1.00～3.00m。

五、与顶管施工相关联的水文地质情况:

本次顶管工作井、接收井垂直穿越素填土①、耕土②、粉质黏土③、含砾粉质黏土④、黏 土（Q3el+dl）⑤及含砾黏土⑥等土层；顶管主要穿越含砾粉质黏土④、黏土（Q3el+dl）⑤及

含砾黏土⑥等土层。

六、顶管作业验算：

1、顶管前工作井侧壁受力验算：（因工作井与接收井结构及尺寸一致，只对工作井验算）

1.1 验算说明：

1.1.1 工作井尺寸：净尺寸长*宽=6.0m*4.5m，壁厚 d=0.5-0.6m，取值 0.5m

1.1.2 工作井配筋情况：水平向为双层 Ф20II 级钢筋，间距 10cm，垂直向为双层 Ф20II 级钢筋，间距 20cm

1.1.3 为便于计算且偏于安全，工作井四周荷载按 1.5m 堆土计算，自由水水位按 1.0m 高

计算，井深按最大深度 H=11m。取最底部 1m 井壁作为结构计算单元，计算模型简化为跨度

L=6m、厚度 h=0.5m、宽 1m 两端刚接的梁结构。

1.1.4 工作井壁受力示意图

4

q=ρ土*h2*Ka -2Ck* Ka

H 水位线

h1

q=ρ水*h1

水位线

h1 H 工作井壁受水压力示意图 单位：cm

工作井壁受主动土压力示意图 单位：cm

q=ρ土*（H+h2）*Ka -2Ck* Ka

1.2 计算单元荷载计算 1.2.1 自由水压力荷载

q1=1/2*ρ 水* ((h1-1)+ h1)) =0.5*10*((1-1)+1)=5.0KN/m 1.2.2 主动土压力荷载

q2=1/2*ρ 土* ((H+1.5-1)+(H+1.5)) *Ka - 2*CK*√Ka =0.5*20*((11+1.5-1)+(11+1.5))

tg2(45°-16.6°/2)- 2*36.8* tg (45°-16.6°/2) = 78.5KN/m

1.2.2 计算单元总荷载

q=q1+q2=5.0+78.5=83.5 KN/m 其中：

q1------------ 计算单元侧自由水压力荷载 q2------------ 计算单元侧主动土压力荷载 q------------ 计算单元侧压力荷载

ρ 土=20KN/m3-- 土的天然密度，参照地勘资料《主要岩土参数建议值一览表》 H=11m-------- 工作井深度，取最大值

h1=1m-------- 自由水水位

h2=1.5m------ 井周地表荷载按堆土 1.5m 计算 Ka=tg2(45°-φk/2)----主动土压力系数

5

φk=16.6°---土的内摩擦角，参照地勘资料《主要岩土参数建议值一览表》，取较小值 16.6°

Ck=36.8KPa---------土的内聚力，取较小值，参照地勘资料《主要岩土参数建议值一览表》

1.3 计算模型：

q=83.5KN/m

L= 650 侧壁受力计算模型

单位：

1.4 弯矩验算

Mmax=1/12*qL^2=294.0KN*m

计算单元矩简图

1.4.1 最大弯矩：Mmax=1/12*q*L2=0.125*40.9*62=294.0KN*m

Mmax-------计算单元弯矩最大值 q----------计算单元侧压力荷载 L=6m-------计算单元跨度

1.3.2 井壁计算单元容许弯矩值：(顶管前 C30 砼强度按 70%计算，取 C20 标准)

中和轴 x

10Ф20间距10cm

1m高侧壁计算单元配筋图 单位：mm

6

cm

1.3.2.1 计算说明

假设计算单元受拉区由钢筋承受拉力，受压区由砼的承受压力，根据计算单元受力平衡条

件计算中轴位置 x 值。

1.3.2.2 中轴 x 值及弯矩计算

Ry*As1= fcm *S 压

340*103*3.14*0.012*10=11*103*1.0*x

x=0.097m

在不考虑受拉区砼作用的情况下，计算单元弯矩值容许值为：

[M]= Ry*As1 *（0.5-0.05-x）

=340*103*3.14*0.012*10*（0.5-0.05-0.097）

=376.9KN*m＞Mmax=294.0KN*m，安全。

[M]----------计算单元容许弯矩值

Ry=340MPa ---II 级钢筋抗拉强度设计值，参照《路桥施工计算手册》782 页 As1 ----------结构计算单元受剪钢筋截面积

fcm=11MPa-----C20 砼（C30 砼 70%强度）的弯曲抗压强度设计值，参照《路桥施工计算手

册》330 页

S 压 ---------计算单元受压砼截面积

1.4 剪力验算：(顶管施工前井壁 C30 砼强度按 70%计算，取 C20 标准)

Qmax=165KN

计算单元剪力简图

1.4.1 最大剪力:Qmax=1/2*q*L=0.5*83.5*6.5=271.4KN

Qmax----------计算单元剪力最大值 q-------------计算单元侧压力荷载 L=6.5m--------计算单元跨度

1.4.2 井壁计算单元承受的容许剪力值：（因钢筋及砼无具体抗剪强度标准值，按常规： 钢筋抗剪取抗拉强度的 75%，砼抗剪取抗拉强度的 50%）

[Q]= Ry*0.75 * As2 + ft1*0.5*S 剪=340*103*0.75*3.14*0.012*10+1.1*103*0.5*1.0*0.5

7

=1075.7KN＞Qmax=271.4KN，安全。 [Q]-------- 计算单元容许剪力值

Ry=340MPa -------II 级钢筋抗拉强度设计值，参照《路桥施工计算手册》782 页 As2 --------------结构计算单元受剪钢筋截面积

ft1=1.1MPa------- C20 砼（C30 砼 70%强度）的弯曲抗拉强度设计值，参照《路桥施工计

算手册》330 页

S 剪 --------------结构计算单元受剪砼截面积 1.5 挠度验算

fmax=qL4/(384EI)=83.5*103*6.54/(384*3.0*104*106*0.01042)

=1.24mmfmax-----------计算单元挠度最大值

q--------------计算单元侧压力荷载 L=6.5m---------计算单元跨度 E=3.0*104MPa---C30 砼弹性模量 I-------------计算单元截面惯性矩 I=1/12*B*h3=1/12*1.0*0.53=0.01042m4 B=1m----------计算单元宽度

h=0.5m--------计算单元高度 1.6 抗裂缝验算

因工作井为临时结构，在满足弯矩及剪力的要求下，不作抗裂缝验算。

2、顶管时受力验算

2.1 验算说明：

2.1.1 工作井尺寸：净尺寸长*宽=6.0m*4.5m，壁厚 d=0.5-0.6m，取值 0.5m

2.1.2 工作井配筋情况：水平向为双层 Ф20II 级钢筋，间距 10cm，垂直向为双层 Ф20II 级钢筋，间距 20cm

2.1.3 顶背尺寸：宽*高*厚=2.993m*3.5m*1.0m，C30 砼。

2.2 顶背受力验算 2.2.1 顶管施工顶力计算

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F=K1*π*D*L*fk=1.3*3.14*1.2*60*5=1470.0KN F--------顶管施工所需最大顶力

K1=1.3---顶力储备系数 D=1.2m---管道外径

L=60m----顶管顶进最大长度

fk=5KN/m2--顶管顶进时侧壁与周边土的摩阻力，取值 5KN/m2，参照排水设计《规程》 12.6.14

2.2.2 顶管施工时顶背处被动土压力荷载计算（安全起见，不计工作井周边地面荷载、水

侧压力及工作井与井底间摩阻力）

q1=ρ土*(H-3.5)*Kp+2Ck* Kp

水位线

h1顶背

F

H q=12*(q1+q2)*3.5

q2=ρ土*H*Kp+2Ck* Kp

工作井顶背处被动土压力平面图 单位：cm

工作井顶背处被动土压力立面图

单位：cm

q=1/2*ρ 土*（H-3.5/2）*3.5*Kp+2*CK*3.5√Kp

=0.5*20*(8-3.5/2)*3.5* tg2(45°+16.6°/2) +2*36.8*3.5* tg (45°+16.6°/2)

=760.3KN/m

q----------------顶管作业时侧壁压力荷载

ρ 土=20KN/m3------土的天然密度，参照地勘资料《主要岩土参数建议值一览表》 H=8m-------------工作井深度，取最小值。

Kp=tg2(45°+φk/2)-----主动土压力系数

φk=16.6°---土的内摩擦角，参照地勘资料《主要岩土参数建议值一览表》，取较小值

16.6°

Ck=36.8KPa---土的内聚力，取较小值，参照地勘资料《主要岩土参数建议值一览表》

9

2.2.3 顶背后区域土的最大被动土压力计算

K2=1-πd2/4/(B*H)=1-3.14*1.52/(4*3*3.5)=0.832

P=K2*q*B=0.832*760.3*3=1898KN＞F= 作井侧壁提供平衡力。

q----------顶管作业时侧壁压力荷载

1470.0KN，故顶背区受力平衡，无需顶背区以外工

B=3m------ 顶背宽度 H=3.5m---- 顶背高度

K2---------扣除顶管入口洞口面积后的顶背面积有效系数 d=1.5m---- 顶管入口洞口直径 2.2.4 顶背弯矩、剪力及挠度验算

因顶背所受顶管液压杆荷载被顶背与液压杆之间钢板均匀传递至顶背，且与顶背外侧被动

土压力维持平衡，故无需对顶背的弯矩、剪力及挠度进行验算。

3.3 工作井顶管施工时整体滑移验算

因顶背处所提供的被动土压力足以抵消顶管施工时产生的最大顶力，故工作井顶管施工时

不产生整体滑移。

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