市政結(jié)構(gòu)頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

范娜

摘要：在市政頂管工程設(shè)計(jì)施工中，沉井結(jié)構(gòu)的合理與否直接影響著市政頂管工程整體質(zhì)量水平。因此想要保障市政結(jié)構(gòu)頂管工程實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量順利完工，有必要對(duì)沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诖?，本文將結(jié)合具體工程案例，重點(diǎn)針對(duì)市政結(jié)構(gòu)頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要分析研究，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究人員提供必要理論參考。

Abstract： In the design and construction of municipal pipe jacking engineering， the rationality of the sinking structure directly affects the overall quality level of the municipal pipe jacking project. Therefore， in order to ensure the high quality and smooth completion of the municipal structure pipe jacking project， it is necessary to optimize the design of the sinking structure. Based on this， this paper will focus on the analysis of the design of the sinking structure of the municipal structure pipe jacking project based on specific engineering cases， in order to provide the necessary theoretical reference for relevant researchers.

關(guān)鍵詞：市政結(jié)構(gòu)頂管工程;沉井結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)要點(diǎn)

Key words： municipal structure pipe jacking project;sinking structure;design points

中圖分類號(hào)：TU99? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）31-0178-03

0? 引言

本文探究市政結(jié)構(gòu)頂管工程沉井結(jié)構(gòu)，可以在幫助人們準(zhǔn)確把握沉井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的同時(shí)，為設(shè)計(jì)人員實(shí)際開展市政結(jié)構(gòu)頂管工程的沉井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，提供有效的實(shí)踐指導(dǎo)與幫助。從而依托合理的沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為后續(xù)市政結(jié)構(gòu)頂管工程的順利施工以及提升工程施工質(zhì)量，奠定堅(jiān)實(shí)良好的基礎(chǔ)。

1? 市政結(jié)構(gòu)頂管工程中的沉井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

城市為充分實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)功能，通常需要敷設(shè)眾多管道。其中頂管井作為一種臨時(shí)設(shè)施，因其施工周期相對(duì)較短且具有成本低廉等眾多優(yōu)勢特點(diǎn)，因此被廣泛運(yùn)用在市政工程中。沉井則是一種較為常見的市政工程頂管井結(jié)構(gòu)類型，一般市政結(jié)構(gòu)頂管工程中，沉井結(jié)構(gòu)的剛度與深度均相對(duì)較大，具有良好的整體性。但也因沉井結(jié)構(gòu)較深，導(dǎo)致其比較容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力過大、沉井壁厚過大等情況，從而直接影響著市政結(jié)構(gòu)頂管工程建設(shè)質(zhì)量。因此需要設(shè)計(jì)人員充分結(jié)合工程實(shí)際，并嚴(yán)格遵循國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)市政結(jié)構(gòu)頂管工程中的沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2? 工程概況

本文為有效說明市政結(jié)構(gòu)頂管工程的沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇以某地區(qū)的地下管線工程為例。該工程臨近住宅區(qū)，屬于典型的市政污水工程，使用的污水管為不銹鋼材質(zhì)的DN1350mm污水管，其總長度為250m，坡度為1.5%。該段污水管負(fù)責(zé)連接上游和下游的污水管，要求在檢查井的指定位置處預(yù)留管徑為DN400mm的污水管，由于在該市政結(jié)構(gòu)頂管工程中，無論是頂管工作井還是接收井，均位于河岸邊，因此受水系發(fā)達(dá)因素的影響，工程施工區(qū)域的土質(zhì)大多為淤泥或淤泥質(zhì)土質(zhì)，土層含水量相對(duì)較大，穩(wěn)定性較差。因此為了能夠有效增加市政結(jié)構(gòu)頂管工程施工的安全可靠性，同時(shí)保障工程整體施工質(zhì)量，相關(guān)工作人員經(jīng)過綜合考量，最終決定在該市政結(jié)構(gòu)頂管工程中采用沉井結(jié)構(gòu)。

3? 市政結(jié)構(gòu)頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 沉井壁厚

在市政結(jié)構(gòu)頂管工程中，沉井原理為利用沉井自重實(shí)現(xiàn)下沉，因此如果因沉井井壁較薄，將會(huì)出現(xiàn)沉井自重過輕的情況，此時(shí)僅僅依靠沉井自重顯然無法有效完成下沉作業(yè)。而如果沉井井壁過厚，雖然可以保障沉井自重足夠，但導(dǎo)致工程成本增加與資源浪費(fèi)。

因此需要設(shè)計(jì)人員科學(xué)設(shè)計(jì)沉井壁厚，確保沉井具有較高的下沉穩(wěn)定性和抗浮性能[1]。按照相關(guān)規(guī)定要求，沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)當(dāng)在0.8到0.9之間，如果沉井結(jié)構(gòu)水位較高，則應(yīng)保證井體抗浮系數(shù)至少為1。該工程中，設(shè)計(jì)人員通過充分結(jié)合實(shí)際情況，選擇使用深度為21m、壁厚為0.9m且中心直徑超過27m的圓形沉井，并對(duì)其進(jìn)行排水下沉作業(yè)。即在確保井內(nèi)為無水狀態(tài)下進(jìn)行取土作業(yè)。但為檢驗(yàn)沉井壁厚設(shè)計(jì)值是否合理，需要對(duì)沉井下沉及其穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。計(jì)算公式如下：

在這一公式當(dāng)中，Kst與Kst，s分別代表沉井下沉系數(shù)與沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)，Glk和Ffw，k以及Ffk分別代表著沉井結(jié)構(gòu)的自重、浮托力與井壁摩擦阻力標(biāo)準(zhǔn)值。Rb代表沉井刃腳下地基土極限承載力總和，由于在該工程中圓形沉井以排水下沉的方式進(jìn)行下沉作業(yè)，因此在參考其他相關(guān)參數(shù)下，可知該沉井結(jié)構(gòu)的自重與浮托力分別為16809kN與0，Rb取值為500kPa。根據(jù)最終的計(jì)算結(jié)果可知，該沉井的下沉系數(shù)超過1.05，下沉穩(wěn)定系數(shù)為0.8，均與規(guī)定要求相符合，因此證明沉井井壁厚度設(shè)定為0.9m具有較高的合理性。

3.2 標(biāo)高設(shè)計(jì)

①井頂設(shè)計(jì)標(biāo)高。

設(shè)計(jì)人員在立足市政頂管工程沉井結(jié)構(gòu)實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)沉井井頂標(biāo)高進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，出于結(jié)構(gòu)安全因素的考量，要求沉井井頂?shù)脑O(shè)計(jì)標(biāo)高，應(yīng)當(dāng)比市政頂管工程周圍水位高出0.5m，從而有效防止沉井結(jié)構(gòu)在終沉之后，有大量地面水流入沉井當(dāng)中。在該市政頂管工程中，設(shè)計(jì)人員立足工程實(shí)際以及水文、地質(zhì)條件，可知工程周圍水位為10m，因此該沉井結(jié)構(gòu)井頂標(biāo)高最終設(shè)定為10.5m。另外在設(shè)計(jì)過程中，需要保障地面低于沉井井頂標(biāo)高0.3m，以此有效保障了沉井結(jié)構(gòu)下沉作業(yè)的安全可靠性。值得注意的是，由于該工程采用圓形沉井排水下沉法，因此在取土作業(yè)時(shí)井內(nèi)無水，在沉井過程中直接受到井外水土荷載的作用影響，工作人員將沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后即可進(jìn)行干封底。

②刃腳踏面標(biāo)高。

在設(shè)計(jì)該市政結(jié)構(gòu)頂管工程中沉井的刃腳踏面標(biāo)高時(shí)，要求設(shè)計(jì)人員需要精準(zhǔn)計(jì)算沉井結(jié)構(gòu)抗沖刷強(qiáng)度值，并與沉井結(jié)構(gòu)其余部位尺寸進(jìn)行充分結(jié)合，在保障沉井結(jié)構(gòu)具有良好的抗滑移性能與抗傾覆性能的基礎(chǔ)上，預(yù)估出沉井刃腳踏面標(biāo)高值。隨后設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格依照國家相關(guān)規(guī)定要求，預(yù)留出一定的刃腳踏面標(biāo)高誤差，便于后期在實(shí)際進(jìn)行沉井施工時(shí)，施工人員可以結(jié)合工程實(shí)際情況對(duì)沉井的刃腳踏面標(biāo)高進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整[2]。本工程中采用的圓形沉井的刃腳踏面寬度和標(biāo)高分別為0.45m與1.4m，沉井的內(nèi)側(cè)傾角超過45°，與規(guī)定設(shè)計(jì)要求相符。

3.3 平面尺寸

在市政結(jié)構(gòu)頂管工程中，沉井結(jié)構(gòu)的平面尺寸與沉井結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、沉井結(jié)構(gòu)抗壓性能等均有著直接影響關(guān)系。因此沉井結(jié)構(gòu)平面尺寸設(shè)計(jì)也是市政結(jié)構(gòu)頂管工程中沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重，根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)沉井結(jié)構(gòu)平面尺寸時(shí)，應(yīng)保障沉井結(jié)構(gòu)下沉深度不超過10m，沉井結(jié)構(gòu)的水平位移不超過100mm，且沉井下沉深度應(yīng)當(dāng)比其水平位移值高出1%。該污水工程中的圓形沉井中心直徑為27.5m，壁厚為0.9m。

3.4 頂力計(jì)算

由于在市政結(jié)構(gòu)頂管工程中，工作人員一般使用專業(yè)的工作井頂管設(shè)備完成管道頂進(jìn)操作，因此工作人員需要嚴(yán)格控制工程頂力，如果在沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，頂管機(jī)頂力與規(guī)定的工作井頂理論值要大，則需要相關(guān)工作人員依照實(shí)際情況適當(dāng)減小管道頂進(jìn)阻力。在計(jì)算頂力時(shí)需要使用如下公式：

在這一公式當(dāng)中，D和L分別代表著管徑與頂進(jìn)長度，Ptk與Nf則分別表示頂管頂力與頂進(jìn)阻力，f表示摩阻力均值。通過將相關(guān)參數(shù)代入其中，最終可以計(jì)算得到該市政頂管工程中的頂管頂力值約為10756kN。

3.5 環(huán)向計(jì)算

本工程中使用的圓形沉井井壁為筒殼，受到周圍水土壓力作用影響，沉井截面在受壓狀態(tài)下，拉應(yīng)力相對(duì)較小。而考慮到磚砌體以及素混凝土普遍具有良好的受壓性，因此如果市政結(jié)構(gòu)頂管工程采用的圓形沉井規(guī)模并不大，則建議運(yùn)用磚砌體沉井或是素混凝土圓形沉井。但如果工程需要使用大型的圓形沉井，則因受到外荷載作用的影響，沉井截面將會(huì)出現(xiàn)受壓不均勻的情況。這主要是由于大型圓形沉井的直徑也相對(duì)較大，且沉井周圍土質(zhì)可能存在不均勻的情況，故而導(dǎo)致水土壓力出現(xiàn)較大差異。

另外，在實(shí)際進(jìn)行沉井下沉作業(yè)時(shí)，因相關(guān)工作人員操作不當(dāng)，或受到其他因素的影響，極有可能出現(xiàn)下沉沉井傾斜的現(xiàn)象，使得圓形沉井傾斜兩側(cè)分別出現(xiàn)主動(dòng)土與被動(dòng)土壓力。一般當(dāng)傾斜角度相對(duì)較大時(shí)，土壓力差值也較大。因此設(shè)計(jì)人員在對(duì)市政結(jié)構(gòu)頂管工程中的圓形沉井進(jìn)行環(huán)向計(jì)算時(shí)，大多會(huì)通過假設(shè)垂直方向上沉井井壁二點(diǎn)土內(nèi)摩擦角的差值在5°至10°之間，從而有效完成土壓力差值的計(jì)算工作。

但本文認(rèn)為，在采用這一方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合沉井具體大小，如果工程中使用的圓形沉井直徑較大，則可以將井壁二點(diǎn)土內(nèi)摩擦角差值設(shè)定為5°，如果圓形沉井的直徑相對(duì)較小，則取10°更為適宜。

3.6 豎向抗拉計(jì)算

對(duì)沉井的豎向抗拉進(jìn)行計(jì)算，同樣也是市政結(jié)構(gòu)頂管工程中沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)之一。但由于本工程施工區(qū)域的土質(zhì)大多為淤泥或淤泥質(zhì)土質(zhì)，土層含水量相對(duì)較大，穩(wěn)定性較差。因此按照國家相關(guān)規(guī)范要求，可直接省略沉井豎向抗拉計(jì)算。這主要是由于在沉井下沉?xí)r，如果其位于軟土地區(qū)，則沉井下沉系數(shù)至少為1.5，沉井刃腳深埋于土中，不存在懸空的情況，因此使得沉井在軟土地區(qū)進(jìn)行下沉作業(yè)時(shí)基本不會(huì)出現(xiàn)沉井豎向拉斷的問題。但如果沉井下沉系數(shù)在1.5以內(nèi)，則設(shè)計(jì)人員有必要進(jìn)行沉井豎向抗拉計(jì)算。

在計(jì)算沉井井壁豎向拉斷力最大值即Nmax時(shí)，需要使用如下公式：

而在計(jì)算沉井截面的抗拉承載力時(shí)，需要使用的計(jì)算公式為：

在這一公式當(dāng)中，Nd代表著沉井截面抗拉承載力，而fsd代表沉井使用的III級(jí)鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)值，As為受壓鋼筋面積。

3.7 穩(wěn)定性檢算

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在市政結(jié)構(gòu)頂管工程中，圓形沉井土體受頂力作用影響，其穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)滿足：

在該公式當(dāng)中，Eak和Epk分別代表著位于沉井刃腳底部的土與被動(dòng)土的壓力標(biāo)準(zhǔn)值，折減系數(shù)則用？孜進(jìn)行表示[3]。由于該工程中的頂管頂力距離圓形沉井刃腳底部土近7m，因此通過計(jì)算將折減系數(shù)取值為0.7。在計(jì)算井壁后背土體頂力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，需要使用如下計(jì)算公式：

通過參考該市政結(jié)構(gòu)頂管工程當(dāng)中位于圓形沉井刃腳底部的主動(dòng)土與被動(dòng)土的壓力標(biāo)準(zhǔn)值，并將其代入到上述公式中，計(jì)算可得本工程圓形沉井的井壁后背土體頂力標(biāo)準(zhǔn)值為27938kN。由此可知該圓形沉井的實(shí)際頂力要比井壁設(shè)計(jì)頂力小，因此與規(guī)定設(shè)計(jì)要求相符合。

4? 結(jié)束語

綜上所述，在市政頂管工程中，采用沉井結(jié)構(gòu)的頂管井時(shí)，需要設(shè)計(jì)人員通過充分結(jié)合工程實(shí)際，并嚴(yán)格依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求與設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定，合理設(shè)計(jì)沉井結(jié)構(gòu)井壁厚度，并對(duì)影響沉井結(jié)構(gòu)安全可靠性、穩(wěn)定性的各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)，包括頂力值、下沉系數(shù)等進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，由此設(shè)計(jì)出最優(yōu)的沉井結(jié)構(gòu)。

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