摘 要：以工程应用为基础，依据南充市顺庆区城市主干道及城市广场提升改造PPP项目（玉带路截污干管）实例，介绍顶管工程矩形逆作井的实用计算方法，可用于矩形人工挖孔桩的护壁等挖孔工程的设计，可供设计和施工参考。
关键词：矩形；逆作拱墙法；普氏土拱原理；侧向土压力；顶管井
0 引言
顶管技术是一项用于市政施工的非开挖掘进式管道铺设施工技术。工作井是顶管始发端放置顶管设备并进行顶进作业的竖井。对于市政管网工程，受到边界条件限制，常常采用逆作拱墙法施工矩形工作井。目前对逆作井护壁设计尚没有统一的方法，大多数是靠经验设计，而在实际工程中其地质情况以及荷载等往往比较复杂。笔者认为应根据土层情况及井壁深度，分别按照朗金土压力及普氏土拱原理提出了矩形逆作井的实用计算方法，并提出了设计相关注意事项。
1 井壁的侧压力计算
1.1按朗金土压力计算
一般情况下，井的深度较浅，可参考《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS 137:2015的规定，侧壁的土压力可按照主动土压力考虑，计算采用朗金土压力公式进行计算，公式如下：
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为简化计算，土层的侧压力均取井壁计算段的下部值。
1.2 考虑拱效应后的侧向土压力计算
土拱作用是指支撑刚度较大而围护结构刚度较小，墙后土压力局部增大的现象。局部土体产生移
动，而其余部分保持原来的位置不动，土中的这种相对运动受到土体抗剪强度的阻抗，使移动部分土体的压力减小，而不动部分上的压力增加。由于土拱作用，一般工程地质条件下（有地下水、软塑流塑土体存在等特殊情况除外），护壁的侧压力随着深度的增加而增加，但增加到一定深度后，侧向土压力基本接近常数。
按普氏土拱理论，当己护壁的底部至地表的距离H>2h1时井壁受到的侧压力基本为一常数。如图所示:
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a:井道宽度的一半
a1:土拱宽度的一半
fkp:岩石或土层的硬度系数，（根据经验：砂土及普通堆积土取0.6，亚粘土取0.8，硬粘土取1.0，软质石灰岩、页岩及沙岩取2.0），fkp也可按实际经验取值。
由于这里是考虑挖竖井对“土拱”实际上已进行了开孔,所以笔者建议在实际工程中将h1乘以放大系数。
由于开孔后,成孔不一定十分规整,加上护壁部分为非永久性结构,护壁板在平面外的刚度又小,因而按静止土压力计算过于保守,出于这种考虑,故当H≤2h1时，土拱效应未产生，土压力按主动土压力计算。即按式（1）计算。
当H>2h1时，认为此时已形成土拱，拱以上的荷载不再考虑，仅考虑土拱以下（即h1+h范围）的侧向土压力。
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当地表存在均布外荷载q，H≤2h1时，土拱效应未产生，将均布荷载折算为填土高度H1=q/r，将式（6）中H加上H1后计算侧向土压力。H>2h1时，土拱效应已产生，地表的均布荷载对深层处的土压力无影响。
2护壁结构内力计算
矩形护壁结构受力侧向压力如图所示，结构内力计算按闭合水平框架进行分析计算。
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护壁的内力也可采用专门的结构计算软件进行计算，本文不再赘述。
3计算实例
3.1不考虑土拱效应
南充市顺庆区城市主干道及城市广场提升改造PPP项目（玉带路截污干管）是2017年实施的截污干管工程。本项目位于现状南充市顺庆区玉带路下，毗邻西河，地下水丰富，地下管线较多，管线资料不准确，现状雨污水管道施工年代久，渗水较严重，道路旁均有建构筑物，管道埋深较深，管道基本位于地下水位以下。施工过程中，很可能会出现渗水、涌水、突水、积水等不良现象，给工程施工带来安全隐患，甚至影响工程质量。最终经多方调研，全线设计采用顶管施工工法，其中采用泥水平衡机械顶管直径达到2000mm，长度达到约2816m，为当时四川省内直径最大、长度最长的泥水平衡机械顶管项目。
由于泥水平衡机械尺寸较大，本项目顶管工作井设计采用内径8米的圆形沉井。施工W34井时发现遇原有地下污水管，后新增W35+井。为避开现状管线，W35+井采用矩形顶管井，内尺寸5m×7m，且为便于现场施工，减少对周边管网的影响，设计采用逆作拱墙。本文以W35+井作实例计算。本项目主要底层及物理力学指标如下表1：
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5结束语
通过上面的算例可以看出，对比深度11米和深度16米的矩形井，考虑土拱效应后，16米深的工作井比11米深工作井的设计控制弯矩仅大10%，最后计算采用相同实配钢筋，大大节约工程造价。但必须注意的是，逆作井设计前，设计人员应先核查地下水情况，土体的物理力学性质，确定是否可以考虑土拱效应。同时，本文也给矩形人工挖孔桩等类似施工工艺的竖向挖孔工程提供了一些设计思路。
参考文献(References)
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