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[摘 要]通过对内径DN4400mm大型PCCP顶管的设计计算研究，确定了内径超过4000的PCCP管的结构型式，为国内大型PCCP管的设计、应用开创了先河。
[关键词]大型PCCP顶管；设计研究；计算理论
中图分类号：TU991.36 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）35-0341-03
一、简介
在国家大力发展基础设施的施工中，有一类施工是至关重要的——穿越公路、铁路、已有各种管线的施工。为不影响已有基础设施的使用功能，只能采用顶管施工，顶管施工中所用的管材即为顶管，顶管是该项施工中的重要元素，顶管的质量将决定该项施工的质量。本篇将重点研究大型PCCP顶管的设计研究问题，以求在设计源头上保证管件质量。
二、大型PCCP顶管的设计难点
2012年10月，我公司中标某供水工程顶进施工法用钢筋混凝土管（PCCP管）生产项目，顶管规格为DRCP Ⅲ 4400×3000。
目前，国内设计制造的最大顶管公称内径为4000mm，最具代表的工程是上海市污水治理白龙港片区南线输送干线完善工程和昆明主城污水处理厂尾水外排及资源化利用工程，顶管最大内径都是4000mm，外径分别为4640mm和4700mm。国内乃至世界范围内还没有内径4400mm顶管的相关设计、制造和施工经验及数据可供参考和借鉴，而且国家建材行业标准《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》（JC/T 640-2010）适用的最大顶管公称内径只有3500mm。
顶管内径超过4000mm以后，带来很多问题。首先，顶管尺寸较大，不便于运输和吊装。DN4000以上顶管外径最小达到4640mm，而DN4400顶管外径更是大于5000mm，不仅体积庞大，公路运输困难，而且管道重量超过40t，吊装要求高，并面临超大顶进设备的制作问题。
其次，DN4400顶管的技术标准高，制作难度大。顶管尺寸达到4000mm以上时，尺寸和重量难以平衡，过厚的混凝土带来很多弊端，混凝土收缩和水化热等容易产生裂缝，影响管道抗渗性能。接口和吊装孔需要加强，由于顶管重量巨大，必须强化接口和吊装孔，避免起吊和施工过程中损坏。同时，因顶管尺寸带来钢筋笼滚焊机、模具、卷圆机、卸料装置、养护设备、内外压试验机、吊具、工装等制作设备结构复杂，体积庞大，设计和制作难度明显提高。
再次，DN4400顶管施工难度大。由于顶管重量超过40t，外径大于5000mm，一方面顶进设备制作困难，特别是需要大型掘进机、中继间和顶推设备，出土设备也要配套以满足出土量。另一方面，需要加强基础勘察、管道偏移和地面沉降监测，防止顶管偏移或下沉，以及地面隆起或塌陷。
三、大型PCCP顶管的设计研究
由于DN4400顶管没有任何实践经验、设计参数和试验数据可供参考，需要经过设计、制作、试验的过程，才能最终确定满足工程需要的顶管结构设计。又因为现有国家和行业标准规范没有对DN3500以上的顶管作出规定，给顶管生产质量控制、产品检验等带来了不确定因素，各项参数指标缺乏试验数据，很难确定经济、合理、先进的检测指标。另外，我公司也没有设计和生产过内径超过3500mm的顶管，缺少相关的企业标准、设计经验、制作设备和技术工人。我们参考《给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程》（CECS 143：2002）、《给排水顶管施工规程》（CECS 246：2008）、《给水排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管道结构设计规程》（CECS140：2002）和《给水排水工程管道结构设计规范》（GB 50332-2002）等标准和规范规定的方法进行DN4400顶管结构设计，采用弹性体系分析顶管结构内力、以概率理论为基础的承载能力和正常使用极限状态的理论进行结构设计，确定顶管的结构尺寸、混凝土等级、配筋和外压荷载等参数，并对管道基础构造、管道连接构造、地基及地基处理等进行设计研究。
以DN4400顶管覆土深度4m为例进行设计研究，设计壁厚400mm，單节长度3m，采用钢承插口柔性接头，承口钢板厚度12mm，楔形橡胶圈密封，胶圈内径4358mm，每节顶管设四只注浆孔和两只吊装孔，注浆孔位于插口端，互成90°，吊装孔直径125mm，孔深200mm。
DN4400顶管设计基础为90°砂土基础，地基承载力不低于10kPa，否则应进行土壤加固处理，并将地下水位降至管底以下300mm。混凝土强度等级为C40，抗渗等级S8，风动振动器振捣工艺成型。钢筋采用热轧带肋钢筋HRB400，主筋直径12mm，构造筋10mm。
顶管设计荷载包括管自重、管内水重、竖向和侧向土压力、地基不均匀沉降等永久作用和地面堆积荷载、地面车辆荷载等可变作用。对永久作用采用作用标准值为代表值进行设计，对可变作用采用标准值、组合值或准永久值进行设计。管道结构按照承载能力和正常使用极限状态进行设计，承载能力极限状态采用管道各项作用效应的基本组合设计值进行计算，设计值为作用代表值乘以作用分项系数，作用效应组合设计值应小于管道结构抗力的设计值；正常使用极限状态采用作用效应的准永久组合计算截面的受力状态处于受弯、大偏心受压时允许出现的最大裂缝宽度应不大于0.2mm。顶管内层配筋应取管顶或管底截面，按受弯状态进行计算；外层配筋取管侧截面，考虑截面上的轴力影响，按偏心受压状态计算。
设计结果，DN4400顶管内层配筋面积3152mm2/m，外层配筋面积2000mm2/m，外压开裂荷载472kN/m，破坏荷载695kN/m，允许顶力48589kN。
顶管检验，参考JC/T 640-2010标准，并结合国内有关内径4000mm顶管的制造和施工经验，编制了大直径顶管检验标准，允许偏差和检验项目数据都提高了。明确了顶管的规格、技术要求、检验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等内容，为顶管的生产过程和品质提供保证，并以此作为产品质量检验、交货验收的依据。 按照结构设计，进行顶管试制、检验是否满足设计要求。对制作的顶管进行型式检验，外观质量良好，无裂缝、蜂窝和麻面等现象，内外表面光洁平整，顶管直径、长度、壁厚、承插口尺寸、端面平整度、弯曲度和倾斜度等尺寸偏差全部符合设计和标准要求，混凝土强度、保护层厚度、内外压检验也都合格，最终确定顶管型式检验合格，结构设计合理，满足工程需要。
四、大型PCCP顶管结构设计计算
（按照CECS143：2002设计计算）
（一）设计条件（Φ4400×3000，H4）
1、管内径D0=4400 mm
2、壁厚h=440 mm
3、管外径Dw=5280mm
4、覆土深度Hs=4.0 m
5、钢筋净保护层C=25 mm
参数取值
① 砼强度C40，计算系数α=1，砼轴心抗压设计强度fc=19.1 MPa，砼轴心抗拉强度ftk=2.39 MPa
② 钢筋采用符合国家标准GB1499《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》HRB400级，钢筋设计值fy=360 N/㎜2，内环钢筋直径d1=12 mm，外环钢筋直径d2=12 mm。
③ 钢筋骨架采用滚焊机焊接。
④ 土壤力学指标：
i.管顶上原状土的主动土压力和内摩擦系数取值Kμ=0.19
ii.土壤重力密度γs=18.9 KN/m3
iii.管侧土的内摩擦角φ=300
iv.土壤的坚实系数Jg=0.8
⑤ 施工方法：不开槽顶进施工
⑥ 基础为砂土基础，支承角为90°
（二）荷载计算
荷载分项系数按照《CECS143：2002》4.2.3取值
1、管自重：
标准值GLK=π[（Dw/2）2-（D0/2）2] γc
=π[（5.28/2）2-（4.4/2）2]×26
=173.949 KN/m
设计值GL=γG1GLK=1.2×173.949=208.738 KN/m
2、管内水重：
标准值Gwk=π[（D0/2）2γw=π（4.4/2）2×10=152.053 KN/m
设计值Gw=γG2Gwk=1.27×152.053=193.107 KN/m
3、管顶竖向土压力：
标准值Fsv，k=CjγsBtDw
其中：Bt=Dw[1+tg（450-φ/2）]=5.28×[1+tg（450-300/2）]=8.328 m
Cj={1-exp[-2Kμ（Hs/Bt）]/2Kμ}={1-exp[-2×0.19（4.0/8.328）/2×0.19）
=0.439
Fsv，k=0.439×18×8.328×5.28=347.486 KN/m
设计值Fsv=1.27×347.486=441.308 KN/m
4、管上腔内土重：
标准值Pok=0.1073γsDw=0.1073×18×5.282=53.84 KN/m
设计值P0=1.27P0k=1.27×53.84=68.382 KN/m
5、侧向土压力：
标准值Fep，k=Kaγs（Hs+Dw/2）=1/3×18（4.4+5.28/2）=39.84 KN/m
设计值Fep=1.0×39.84=39.84 KN/m
Pep=FepDw=39.84×5.28=210.355 KN/m
6、地面荷载：
标准值qmk=10 KN/m2
qmkDw=10×5.28=52.8 KN/m
設计值qmDw=1.4×52.8=73.92 KN/m
（三）内力计算
支承角900土弧基础弯矩系数按《CECS143：2002》取值。
1、 承载力极限状态下管体弯矩计算：
（1）管底：MkA=γ0Pi
=1/2（D0+h）[0.123GL+0.123Gw+0.178（Fsv+qmDw）+0.155P0-0.125Pep
=1/2（4.4+0.44）[0.123×208.738+0.123×193.107+0.178×（441.308+73.92）+0.155×68.382-0.125×210.355]
=303.571 KN·m/m
（2）管顶：MkB=γ0Pi
=1/2（D0+h）[0.071GL+0.071Gw+0.141（Fsv+qmDw）+0.076P0-0.125Pep
=1/2（4.4+0.44）[0.071×208.738+0.071×193.107+0.141×（441.308+73.92）+0.076×68.382-0.125×210.355]
=193.796 KN·m/m
内层配筋计算时，管底和管顶的弯矩取其大者：
M=303.571 KN·m/m
（3）管侧：Mkc=γ0Pi
=1/2（D0+h）[0.082GL+0.082Gw+0.145（Fsv+qmDw）+0.117P0-0.125Pep
=1/2（4.4+0.44）[0.082×208.738+0.082×193.107+0.145×（441.308+73.92）+0.117×68.382-0.125×210.355] = -216.265 KN·m/m
2、管侧的轴向力：
Nc=Pi
=[0.25GL-0.069Gw+0.5（Fsv+qmDw）+0.5P0]
=[0.25×208.738-0.069×193.107+0.5×（441.308+73.92）+0.5×68.382]
=330.67 KN/m
偏心距：e=Mc/Nc=303.571/330.67=0.654
（四）配筋計算：
1、内环筋面积：Agn=（αfcbh0-）/fy
={1×19.1×1000×375-（|1×19.1*1000*375|2-2×303.571×106
×1×19.1×1000）0.5}/360
=2135.49 mm2/m
2、外环筋面积：Agw=NcKf（e0-h/2+C）/[fy（h0-C）]
= 330.67×1.1×（375-440/2+25）/[360×（375-25）]
=1189.201 mm2/m
（五）验算裂缝宽度按永久组合计算：
1、钢筋砼管各计算截面积的弯矩及轴力：
（1） 管底：Ma1=γ0 [0.123GLk+0.123Gwk+0.178（Fsv，k+qmkDw）+0.155P0k-0.125Pep，k
=1/2（4.4+0.44）×[0.123×173.949+0.123×152.053+0.178×
（347.5.286+5.28） +0.155×53.84-0.125×210.355]
=226.03 KN·m/m
（2）管顶：Mb1=γ0 [0.071GLk+0.071Gwk+0.141（Fsv，k+qmkDw）+0.076P0k-0.125Pep，k
=1/2（4+0.44） ×[0.071×173.949+0.071×152.053+0.141×
（347.486+5.28）+0.076×53.84-0.125×210.355]
=138.87 KN·m/m
（3） 管侧：Mc1=γ0 [-0.082GLk+0.082Gwk+0.145（Fsv，k+qmkDw）+0.117P0k-0.125Pep，k
=1/2（4+0.44） ×[-0.082×173.949+0.082×152.053+0.145×
（347.486+5.28）+0.117×53.84-0.125×210.355]
=156.765 KN·m/m
3、 管侧轴向力：Nc1=0.25GLk-0.069Gwk+0.5（Fsv，k+qmkDw）+0.5P0k
=0.25×173.949+0.069×152.053+0.5×（347.486+5.28）+0.5×53.84
=260.061 KN/m
σsq=Ma1/（0.87Agnh0）=226.03×106/（0.87×2250×375）=278.237 MPa（取弯矩较大者）
按有效受拉砼截面积计算的纵向受拉钢筋配筋率：
Pte=Agn/（0.5bh）= 2250/（0.5×1000×440）=0.010
裂缝间受拉钢筋应变不均匀系数：
Ψa=1.1-0.65ftk/Pteσsqα2 （取α2=1，α1=0，V=0.7）
=1.1-0.65×2.39/（0.010×278.237×1）
=0.554
ωmax=1.8Ψaσsq（1.5C+0.11d/Pte）（1+α1）V/Es
=1.8×0.554×278.237×（1.5×25+0.11×10/0.010）×（1+0） ×0.7/19×104
=0.170 mm<0.20 mm
4、 外侧裂缝验算：试算后调整外层配筋面积为1460 mm2/m。
偏心距：e01=Mc1/Nc1=226.03/260.061=602.80 mm
Ptec=Agw/0.5bh=1600/（0.5×1000×440）=0.007
大偏心受压构件的纵向受拉钢筋应力：
σsqc=[Mc1-0.35Nc（h0-0.3e0）]/0.87Agwh0=297.35 MPa
系数：α2c=1+0.2h0/e01=1.138
裂缝间受拉钢筋应变不均匀系数：
Ψc=1.1-0.65ftk/Ptecσsqcα2c=0.408
Ωmax=1.8Ψcσsqc（1.5Cw+0.11dc/Ptec） Vc/Es
=0.1902 mm<0.20 mm
（六）计算结果
1、砼强度C40；
2、钢筋采用热轧带肋钢筋，直径d=12㎜；
3、配筋：Agn=2140 mm2/m；Agw=1460 mm2/m。
（七）顶力计算
DN4400顶管的允许顶力：
Fr=（fc×A）/S={19.1×103×π×（4.4+0.42）×0.42}/2.5=48564 KN
Fr—许用顶力，KN
fc—管体混凝土抗压设计强度，19.1×103N/㎡
A—加压面积，㎜2（管壁厚度为440㎜，受力面宽度为420㎜）
S—安全系数，2.5～3.0，取2.5 允许顶力为48564 KN。
五、大型PCCP顶管设计研究项目实施创新
1.開创顶管公称内径4400mm的设计研究实施先河
该工程实施前，国内乃至世界上顶管最大内径为4000mm，而且工程项目也是屈指可数，超过该尺寸通常使用箱涵等进行施工，该工程的实施，证明可以采用DN4400的顶管，为大型顶管的结构尺寸进行了拓展，为其广范使用积累了一定的经验和数据。
2.确定了大型顶管结构设计和选型计算依据
以协会标准《给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程》（CECS 143：2002），《给排水顶管施工规程》（CECS 246：2008）和《给水排水工程管道结构设计规范》（GB 50332-2002）等标准和规范规定的方法进行DN4400顶管结构设计，采用弹性体系分析顶管结构内力、以概率理论为基础的承载能力和正常使用极限状态进行结构设计，确定顶管的结构尺寸、混凝土等级、配筋和外压荷载等参数，并对管道基础构造、管道连接构造、地基及地基处理等进行设计。
3.编制顶管企业标准
参考JC/T 640-2010标准，并结合国内有关内径4000mm顶管的制造和施工经验，编制我公司大直径顶管企业标准，将行业标准的公称内径范围提高至4400mm，允许偏差和检验标准略有提高。明确了顶管的规格、技术要求、检验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等内容，为顶管的生产过程和品质提供保证，并以此作为产品质量检验、交货验收的依据。编制的企业标准通过了行业标准起草人等国内专家的审查。
4.设计制作顶管生产的设备、设施和工装
进行了顶管生产和试验设备、设施的采购、设计和加工制造，设计制造了滚焊机和模具，滚焊机能够制作最大直径5300mm的钢筋笼，并能进行双筋并缠；顶管下料锥、料斗、吊具、钢筋胎模、承口铣边和卷圆设备及工装、蒸养设备、内外压试验机和浇筑平台等设备和工装的设计制造。
六、实际应用及技术推广
顶管的运用避免了穿越公路和桥梁的大开挖施工，缩短了施工工期，降低了工程施工对现有设施和环境的影响，取得了良好的社会和经济效益。DN4400顶管为行业内的首次尝试，证明其切实可行，为行业内的广泛应用铺平了道路。随着今后大型输排水工程和城市主干管网工程不断涌现，对更大直径的顶管需求越来越多，运用前景非常广阔。
参考文献
[1] 《给水排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管道结构设计规程》——（CECS140：2002）.
[2] 《给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程》（CECS 143：2002）.
[3] 《给排水顶管施工规程》（CECS 246：2008）.
[4] 《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》——（CECS141：2002）.
[5] 《混凝土压力管道手册》——（AWWAM9）.
[6] 《钢管设计安装指导》——（AWWAM11）.
[7] 《给水排水工程管道结构设计规范》——（GB50332-2002）.
[8] 《水电站压力钢管设计规范》——（DL5141）.
[9] 《水电站压力钢管设计规范》——（SL281）.
[关键词]大型PCCP顶管；设计研究；计算理论
中图分类号：TU991.36 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）35-0341-03
一、简介
在国家大力发展基础设施的施工中，有一类施工是至关重要的——穿越公路、铁路、已有各种管线的施工。为不影响已有基础设施的使用功能，只能采用顶管施工，顶管施工中所用的管材即为顶管，顶管是该项施工中的重要元素，顶管的质量将决定该项施工的质量。本篇将重点研究大型PCCP顶管的设计研究问题，以求在设计源头上保证管件质量。
二、大型PCCP顶管的设计难点
2012年10月，我公司中标某供水工程顶进施工法用钢筋混凝土管（PCCP管）生产项目，顶管规格为DRCP Ⅲ 4400×3000。
目前，国内设计制造的最大顶管公称内径为4000mm，最具代表的工程是上海市污水治理白龙港片区南线输送干线完善工程和昆明主城污水处理厂尾水外排及资源化利用工程，顶管最大内径都是4000mm，外径分别为4640mm和4700mm。国内乃至世界范围内还没有内径4400mm顶管的相关设计、制造和施工经验及数据可供参考和借鉴，而且国家建材行业标准《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》（JC/T 640-2010）适用的最大顶管公称内径只有3500mm。
顶管内径超过4000mm以后，带来很多问题。首先，顶管尺寸较大，不便于运输和吊装。DN4000以上顶管外径最小达到4640mm，而DN4400顶管外径更是大于5000mm，不仅体积庞大，公路运输困难，而且管道重量超过40t，吊装要求高，并面临超大顶进设备的制作问题。
其次，DN4400顶管的技术标准高，制作难度大。顶管尺寸达到4000mm以上时，尺寸和重量难以平衡，过厚的混凝土带来很多弊端，混凝土收缩和水化热等容易产生裂缝，影响管道抗渗性能。接口和吊装孔需要加强，由于顶管重量巨大，必须强化接口和吊装孔，避免起吊和施工过程中损坏。同时，因顶管尺寸带来钢筋笼滚焊机、模具、卷圆机、卸料装置、养护设备、内外压试验机、吊具、工装等制作设备结构复杂，体积庞大，设计和制作难度明显提高。
再次，DN4400顶管施工难度大。由于顶管重量超过40t，外径大于5000mm，一方面顶进设备制作困难，特别是需要大型掘进机、中继间和顶推设备，出土设备也要配套以满足出土量。另一方面，需要加强基础勘察、管道偏移和地面沉降监测，防止顶管偏移或下沉，以及地面隆起或塌陷。
三、大型PCCP顶管的设计研究
由于DN4400顶管没有任何实践经验、设计参数和试验数据可供参考，需要经过设计、制作、试验的过程，才能最终确定满足工程需要的顶管结构设计。又因为现有国家和行业标准规范没有对DN3500以上的顶管作出规定，给顶管生产质量控制、产品检验等带来了不确定因素，各项参数指标缺乏试验数据，很难确定经济、合理、先进的检测指标。另外，我公司也没有设计和生产过内径超过3500mm的顶管，缺少相关的企业标准、设计经验、制作设备和技术工人。我们参考《给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程》（CECS 143：2002）、《给排水顶管施工规程》（CECS 246：2008）、《给水排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管道结构设计规程》（CECS140：2002）和《给水排水工程管道结构设计规范》（GB 50332-2002）等标准和规范规定的方法进行DN4400顶管结构设计，采用弹性体系分析顶管结构内力、以概率理论为基础的承载能力和正常使用极限状态的理论进行结构设计，确定顶管的结构尺寸、混凝土等级、配筋和外压荷载等参数，并对管道基础构造、管道连接构造、地基及地基处理等进行设计研究。
以DN4400顶管覆土深度4m为例进行设计研究，设计壁厚400mm，單节长度3m，采用钢承插口柔性接头，承口钢板厚度12mm，楔形橡胶圈密封，胶圈内径4358mm，每节顶管设四只注浆孔和两只吊装孔，注浆孔位于插口端，互成90°，吊装孔直径125mm，孔深200mm。
DN4400顶管设计基础为90°砂土基础，地基承载力不低于10kPa，否则应进行土壤加固处理，并将地下水位降至管底以下300mm。混凝土强度等级为C40，抗渗等级S8，风动振动器振捣工艺成型。钢筋采用热轧带肋钢筋HRB400，主筋直径12mm，构造筋10mm。
顶管设计荷载包括管自重、管内水重、竖向和侧向土压力、地基不均匀沉降等永久作用和地面堆积荷载、地面车辆荷载等可变作用。对永久作用采用作用标准值为代表值进行设计，对可变作用采用标准值、组合值或准永久值进行设计。管道结构按照承载能力和正常使用极限状态进行设计，承载能力极限状态采用管道各项作用效应的基本组合设计值进行计算，设计值为作用代表值乘以作用分项系数，作用效应组合设计值应小于管道结构抗力的设计值；正常使用极限状态采用作用效应的准永久组合计算截面的受力状态处于受弯、大偏心受压时允许出现的最大裂缝宽度应不大于0.2mm。顶管内层配筋应取管顶或管底截面，按受弯状态进行计算；外层配筋取管侧截面，考虑截面上的轴力影响，按偏心受压状态计算。
设计结果，DN4400顶管内层配筋面积3152mm2/m，外层配筋面积2000mm2/m，外压开裂荷载472kN/m，破坏荷载695kN/m，允许顶力48589kN。
顶管检验，参考JC/T 640-2010标准，并结合国内有关内径4000mm顶管的制造和施工经验，编制了大直径顶管检验标准，允许偏差和检验项目数据都提高了。明确了顶管的规格、技术要求、检验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等内容，为顶管的生产过程和品质提供保证，并以此作为产品质量检验、交货验收的依据。 按照结构设计，进行顶管试制、检验是否满足设计要求。对制作的顶管进行型式检验，外观质量良好，无裂缝、蜂窝和麻面等现象，内外表面光洁平整，顶管直径、长度、壁厚、承插口尺寸、端面平整度、弯曲度和倾斜度等尺寸偏差全部符合设计和标准要求，混凝土强度、保护层厚度、内外压检验也都合格，最终确定顶管型式检验合格，结构设计合理，满足工程需要。
四、大型PCCP顶管结构设计计算
（按照CECS143：2002设计计算）
（一）设计条件（Φ4400×3000，H4）
1、管内径D0=4400 mm
2、壁厚h=440 mm
3、管外径Dw=5280mm
4、覆土深度Hs=4.0 m
5、钢筋净保护层C=25 mm
参数取值
① 砼强度C40，计算系数α=1，砼轴心抗压设计强度fc=19.1 MPa，砼轴心抗拉强度ftk=2.39 MPa
② 钢筋采用符合国家标准GB1499《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》HRB400级，钢筋设计值fy=360 N/㎜2，内环钢筋直径d1=12 mm，外环钢筋直径d2=12 mm。
③ 钢筋骨架采用滚焊机焊接。
④ 土壤力学指标：
i.管顶上原状土的主动土压力和内摩擦系数取值Kμ=0.19
ii.土壤重力密度γs=18.9 KN/m3
iii.管侧土的内摩擦角φ=300
iv.土壤的坚实系数Jg=0.8
⑤ 施工方法：不开槽顶进施工
⑥ 基础为砂土基础，支承角为90°
（二）荷载计算
荷载分项系数按照《CECS143：2002》4.2.3取值
1、管自重：
标准值GLK=π[（Dw/2）2-（D0/2）2] γc
=π[（5.28/2）2-（4.4/2）2]×26
=173.949 KN/m
设计值GL=γG1GLK=1.2×173.949=208.738 KN/m
2、管内水重：
标准值Gwk=π[（D0/2）2γw=π（4.4/2）2×10=152.053 KN/m
设计值Gw=γG2Gwk=1.27×152.053=193.107 KN/m
3、管顶竖向土压力：
标准值Fsv，k=CjγsBtDw
其中：Bt=Dw[1+tg（450-φ/2）]=5.28×[1+tg（450-300/2）]=8.328 m
Cj={1-exp[-2Kμ（Hs/Bt）]/2Kμ}={1-exp[-2×0.19（4.0/8.328）/2×0.19）
=0.439
Fsv，k=0.439×18×8.328×5.28=347.486 KN/m
设计值Fsv=1.27×347.486=441.308 KN/m
4、管上腔内土重：
标准值Pok=0.1073γsDw=0.1073×18×5.282=53.84 KN/m
设计值P0=1.27P0k=1.27×53.84=68.382 KN/m
5、侧向土压力：
标准值Fep，k=Kaγs（Hs+Dw/2）=1/3×18（4.4+5.28/2）=39.84 KN/m
设计值Fep=1.0×39.84=39.84 KN/m
Pep=FepDw=39.84×5.28=210.355 KN/m
6、地面荷载：
标准值qmk=10 KN/m2
qmkDw=10×5.28=52.8 KN/m
設计值qmDw=1.4×52.8=73.92 KN/m
（三）内力计算
支承角900土弧基础弯矩系数按《CECS143：2002》取值。
1、 承载力极限状态下管体弯矩计算：
（1）管底：MkA=γ0Pi
=1/2（D0+h）[0.123GL+0.123Gw+0.178（Fsv+qmDw）+0.155P0-0.125Pep
=1/2（4.4+0.44）[0.123×208.738+0.123×193.107+0.178×（441.308+73.92）+0.155×68.382-0.125×210.355]
=303.571 KN·m/m
（2）管顶：MkB=γ0Pi
=1/2（D0+h）[0.071GL+0.071Gw+0.141（Fsv+qmDw）+0.076P0-0.125Pep
=1/2（4.4+0.44）[0.071×208.738+0.071×193.107+0.141×（441.308+73.92）+0.076×68.382-0.125×210.355]
=193.796 KN·m/m
内层配筋计算时，管底和管顶的弯矩取其大者：
M=303.571 KN·m/m
（3）管侧：Mkc=γ0Pi
=1/2（D0+h）[0.082GL+0.082Gw+0.145（Fsv+qmDw）+0.117P0-0.125Pep
=1/2（4.4+0.44）[0.082×208.738+0.082×193.107+0.145×（441.308+73.92）+0.117×68.382-0.125×210.355] = -216.265 KN·m/m
2、管侧的轴向力：
Nc=Pi
=[0.25GL-0.069Gw+0.5（Fsv+qmDw）+0.5P0]
=[0.25×208.738-0.069×193.107+0.5×（441.308+73.92）+0.5×68.382]
=330.67 KN/m
偏心距：e=Mc/Nc=303.571/330.67=0.654
（四）配筋計算：
1、内环筋面积：Agn=（αfcbh0-）/fy
={1×19.1×1000×375-（|1×19.1*1000*375|2-2×303.571×106
×1×19.1×1000）0.5}/360
=2135.49 mm2/m
2、外环筋面积：Agw=NcKf（e0-h/2+C）/[fy（h0-C）]
= 330.67×1.1×（375-440/2+25）/[360×（375-25）]
=1189.201 mm2/m
（五）验算裂缝宽度按永久组合计算：
1、钢筋砼管各计算截面积的弯矩及轴力：
（1） 管底：Ma1=γ0 [0.123GLk+0.123Gwk+0.178（Fsv，k+qmkDw）+0.155P0k-0.125Pep，k
=1/2（4.4+0.44）×[0.123×173.949+0.123×152.053+0.178×
（347.5.286+5.28） +0.155×53.84-0.125×210.355]
=226.03 KN·m/m
（2）管顶：Mb1=γ0 [0.071GLk+0.071Gwk+0.141（Fsv，k+qmkDw）+0.076P0k-0.125Pep，k
=1/2（4+0.44） ×[0.071×173.949+0.071×152.053+0.141×
（347.486+5.28）+0.076×53.84-0.125×210.355]
=138.87 KN·m/m
（3） 管侧：Mc1=γ0 [-0.082GLk+0.082Gwk+0.145（Fsv，k+qmkDw）+0.117P0k-0.125Pep，k
=1/2（4+0.44） ×[-0.082×173.949+0.082×152.053+0.145×
（347.486+5.28）+0.117×53.84-0.125×210.355]
=156.765 KN·m/m
3、 管侧轴向力：Nc1=0.25GLk-0.069Gwk+0.5（Fsv，k+qmkDw）+0.5P0k
=0.25×173.949+0.069×152.053+0.5×（347.486+5.28）+0.5×53.84
=260.061 KN/m
σsq=Ma1/（0.87Agnh0）=226.03×106/（0.87×2250×375）=278.237 MPa（取弯矩较大者）
按有效受拉砼截面积计算的纵向受拉钢筋配筋率：
Pte=Agn/（0.5bh）= 2250/（0.5×1000×440）=0.010
裂缝间受拉钢筋应变不均匀系数：
Ψa=1.1-0.65ftk/Pteσsqα2 （取α2=1，α1=0，V=0.7）
=1.1-0.65×2.39/（0.010×278.237×1）
=0.554
ωmax=1.8Ψaσsq（1.5C+0.11d/Pte）（1+α1）V/Es
=1.8×0.554×278.237×（1.5×25+0.11×10/0.010）×（1+0） ×0.7/19×104
=0.170 mm<0.20 mm
4、 外侧裂缝验算：试算后调整外层配筋面积为1460 mm2/m。
偏心距：e01=Mc1/Nc1=226.03/260.061=602.80 mm
Ptec=Agw/0.5bh=1600/（0.5×1000×440）=0.007
大偏心受压构件的纵向受拉钢筋应力：
σsqc=[Mc1-0.35Nc（h0-0.3e0）]/0.87Agwh0=297.35 MPa
系数：α2c=1+0.2h0/e01=1.138
裂缝间受拉钢筋应变不均匀系数：
Ψc=1.1-0.65ftk/Ptecσsqcα2c=0.408
Ωmax=1.8Ψcσsqc（1.5Cw+0.11dc/Ptec） Vc/Es
=0.1902 mm<0.20 mm
（六）计算结果
1、砼强度C40；
2、钢筋采用热轧带肋钢筋，直径d=12㎜；
3、配筋：Agn=2140 mm2/m；Agw=1460 mm2/m。
（七）顶力计算
DN4400顶管的允许顶力：
Fr=（fc×A）/S={19.1×103×π×（4.4+0.42）×0.42}/2.5=48564 KN
Fr—许用顶力，KN
fc—管体混凝土抗压设计强度，19.1×103N/㎡
A—加压面积，㎜2（管壁厚度为440㎜，受力面宽度为420㎜）
S—安全系数，2.5～3.0，取2.5 允许顶力为48564 KN。
五、大型PCCP顶管设计研究项目实施创新
1.開创顶管公称内径4400mm的设计研究实施先河
该工程实施前，国内乃至世界上顶管最大内径为4000mm，而且工程项目也是屈指可数，超过该尺寸通常使用箱涵等进行施工，该工程的实施，证明可以采用DN4400的顶管，为大型顶管的结构尺寸进行了拓展，为其广范使用积累了一定的经验和数据。
2.确定了大型顶管结构设计和选型计算依据
以协会标准《给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程》（CECS 143：2002），《给排水顶管施工规程》（CECS 246：2008）和《给水排水工程管道结构设计规范》（GB 50332-2002）等标准和规范规定的方法进行DN4400顶管结构设计，采用弹性体系分析顶管结构内力、以概率理论为基础的承载能力和正常使用极限状态进行结构设计，确定顶管的结构尺寸、混凝土等级、配筋和外压荷载等参数，并对管道基础构造、管道连接构造、地基及地基处理等进行设计。
3.编制顶管企业标准
参考JC/T 640-2010标准，并结合国内有关内径4000mm顶管的制造和施工经验，编制我公司大直径顶管企业标准，将行业标准的公称内径范围提高至4400mm，允许偏差和检验标准略有提高。明确了顶管的规格、技术要求、检验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等内容，为顶管的生产过程和品质提供保证，并以此作为产品质量检验、交货验收的依据。编制的企业标准通过了行业标准起草人等国内专家的审查。
4.设计制作顶管生产的设备、设施和工装
进行了顶管生产和试验设备、设施的采购、设计和加工制造，设计制造了滚焊机和模具，滚焊机能够制作最大直径5300mm的钢筋笼，并能进行双筋并缠；顶管下料锥、料斗、吊具、钢筋胎模、承口铣边和卷圆设备及工装、蒸养设备、内外压试验机和浇筑平台等设备和工装的设计制造。
六、实际应用及技术推广
顶管的运用避免了穿越公路和桥梁的大开挖施工，缩短了施工工期，降低了工程施工对现有设施和环境的影响，取得了良好的社会和经济效益。DN4400顶管为行业内的首次尝试，证明其切实可行，为行业内的广泛应用铺平了道路。随着今后大型输排水工程和城市主干管网工程不断涌现，对更大直径的顶管需求越来越多，运用前景非常广阔。
参考文献
[1] 《给水排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管道结构设计规程》——（CECS140：2002）.
[2] 《给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程》（CECS 143：2002）.
[3] 《给排水顶管施工规程》（CECS 246：2008）.
[4] 《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》——（CECS141：2002）.
[5] 《混凝土压力管道手册》——（AWWAM9）.
[6] 《钢管设计安装指导》——（AWWAM11）.
[7] 《给水排水工程管道结构设计规范》——（GB50332-2002）.
[8] 《水电站压力钢管设计规范》——（DL5141）.
[9] 《水电站压力钢管设计规范》——（SL281）.