[发明专利]钢筋混凝土顶管施工中优化管道设计的方法

说明书

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。