頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

葉灝桁，王瑋鋮

（1.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710061）

0 引言

沉井結(jié)構(gòu)作為頂管井具有成本較低、施工期短、整體性良好、受力性較好等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也很容易出現(xiàn)沉井壁厚過大、結(jié)構(gòu)內(nèi)力過大等問題。為盡可能提升市政結(jié)構(gòu)頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，本文將圍繞該課題開展具體研究。

1 工程概況

以廣州某地污水管道工程作為研究對(duì)象，工程計(jì)劃敷設(shè)新建污水管道DN1350~DN1500，需結(jié)合規(guī)劃道路和現(xiàn)狀道路進(jìn)行設(shè)計(jì)。案例工程除一小部分管段采用開挖施工方式，其余均使用頂管施工方式。在對(duì)比逆作法工法與沉井工法后，結(jié)合管線埋設(shè)深度、土質(zhì)、現(xiàn)狀管線數(shù)量、周圍建筑物遠(yuǎn)近等因素，綜合考慮，本工程采用沉井工法。在具體的工作井設(shè)置中，受地質(zhì)因素影響，工作井存在較高施工難度，因此工作井?dāng)?shù)量需要頂管頂進(jìn)的前提下盡量減少，優(yōu)化頂管井線路布置，確保工作井能夠向兩個(gè)方向（左、右）頂進(jìn)，提高使用效率。工作井采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基于沉井法進(jìn)行施工。在設(shè)置接收井的過程中，保證接收井內(nèi)尺寸滿足接收頂管機(jī)頭起吊需求，接收井采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基于沉井法進(jìn)行施工。

2 沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為深入探討市政結(jié)構(gòu)頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合案例中污水管道頂管工程，本節(jié)圍繞頂管工程沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路、井壁厚度設(shè)計(jì)、標(biāo)高設(shè)計(jì)、平面尺寸設(shè)計(jì)、頂力計(jì)算、豎向抗拉計(jì)算、穩(wěn)定性檢算等開展深入探討。

2.1 設(shè)計(jì)思路

案例中沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從兩方面作為切入點(diǎn)：①參數(shù)控制。從設(shè)計(jì)角度分析可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為沉井設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)依據(jù)，具體分析主要關(guān)注沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及下沉穩(wěn)定設(shè)計(jì)。在沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，施工中需保證完成尺寸與標(biāo)準(zhǔn)尺寸偏差在20mm以內(nèi)，同時(shí)井壁厚度不得大于-5mm、+8mm的偏差，實(shí)際建設(shè)完成的保護(hù)層與設(shè)計(jì)保護(hù)層的偏差需小于±5mm。對(duì)于沉井下沉，位置控制屬于參數(shù)要求核心，下沉后位移值與下沉深度間比值小于1%，相較于設(shè)計(jì)標(biāo)高，井刃腳平均標(biāo)高與其的偏差需小于±5mm；②因地制宜。受施工條件復(fù)雜等因素影響，在做好參數(shù)控制的同時(shí)，還需要充分結(jié)合實(shí)際施工條件，以便分析和把控重點(diǎn)因素。案例工程中頂管工程作業(yè)位于廣州市區(qū)內(nèi)進(jìn)行，因此頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需充分結(jié)合地下管道分布情況，周邊管線情況較為復(fù)雜，存在供水、電力、燃?xì)獾裙芫€，需科學(xué)控制下沉參數(shù)并優(yōu)化沉井制作，為提升作業(yè)精度還需要進(jìn)一步加強(qiáng)參數(shù)偏差控制。考慮到降水環(huán)境可能帶來的水土流失破壞等問題，設(shè)計(jì)過程需做好力學(xué)參數(shù)分析，位移可能性、周圍土體形變也需要得到考慮，以此保證設(shè)計(jì)安全性[1-2]。

2.2 井壁厚度設(shè)計(jì)

對(duì)于案例污水管道工程的頂管工程來說，沉井需要基于自重實(shí)現(xiàn)下沉，如存在較薄的沉井井壁，自重過輕的沉井將導(dǎo)致下沉作業(yè)無法有效完成，過厚的沉井井壁則會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)與成本增加。因此，沉井壁厚的合理設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，設(shè)計(jì)需保證沉井存在較高的抗浮性能和下沉穩(wěn)定性?；诂F(xiàn)行規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，需保證存在0.8～0.9區(qū)間的沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)，如存在較高沉井結(jié)構(gòu)水位，需保證存在最小為1.0的井體抗浮系數(shù)。結(jié)合實(shí)際情況，案例工程采用深度9.33m、壁厚500mm的工作井，內(nèi)徑為9.0m，屬于典型的圓形沉井，采用不排水下沉作業(yè)。取土作業(yè)為井內(nèi)帶水作業(yè)，為判斷沉井壁厚設(shè)計(jì)值合理性，需準(zhǔn)確計(jì)算沉井下沉及穩(wěn)定系數(shù)。結(jié)合具體計(jì)算可以確定，案例工程工作井存在超過1.05的下沉系數(shù)，同時(shí)存在達(dá)到0.8的下沉穩(wěn)定系數(shù)，均符合規(guī)范及規(guī)程要求，因此可證明500mm沉井井壁設(shè)計(jì)厚度是合理的。

2.3 標(biāo)高設(shè)計(jì)

在井頂設(shè)計(jì)標(biāo)高設(shè)計(jì)過程中，需結(jié)合案例污水管道工程沉井結(jié)構(gòu)實(shí)際特點(diǎn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)安全需要，需存在高出市政頂管工程周圍水位0.5m以上的沉井井頂設(shè)計(jì)標(biāo)高，保證終沉后的沉井結(jié)構(gòu)不會(huì)流入大量地面水。具體設(shè)計(jì)需立足地質(zhì)、水文條件，可確定工程周圍水位為8.33m，因此沉井結(jié)構(gòu)井頂標(biāo)高設(shè)計(jì)為8.83m。設(shè)計(jì)還需要保證沉井井頂標(biāo)高相較于地面高出0.3m，以此保證頂管過程中地表水不倒灌進(jìn)沉井內(nèi)。具體施工采用不排水下沉，水下混凝土封底的方式，因本工程地下水位較高，且臨近珠江邊，常水位較高，若采用排水下沉，抽水過程中會(huì)導(dǎo)致周邊水土流失過大，容易引起路面沉降，故采用不排水下沉施工方式。

2.4 頂力計(jì)算

頂管設(shè)計(jì)中，需進(jìn)行頂力計(jì)算，確保頂管過程中沉井能提供足夠反力。在施工中，管道頂進(jìn)操作專項(xiàng)頂管施工隊(duì)伍負(fù)責(zé)施工，施工過程中需采用液壓千斤頂作為頂進(jìn)裝置，頂進(jìn)裝置所能提供的最大頂力需大于頂管頂力。若頂管頂力過大或管線頂進(jìn)長(zhǎng)度過長(zhǎng)，則需增加中繼間以保證頂管順利頂進(jìn)。本案例中，頂管頂進(jìn)長(zhǎng)度約為100~120m，屬于正常頂進(jìn)長(zhǎng)度范圍?？砂聪铝泄接?jì)算頂力：

式中：L、D、Nf、Ptk、f分別代表頂進(jìn)長(zhǎng)度、管徑、頂進(jìn)阻力、頂管頂力、摩阻力均值。其中，頂管過程中會(huì)采用膨潤(rùn)土觸變泥漿作為管壁減摩阻力施工措施，根據(jù)案例工程地質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，可得到該頂管頂力值約為3664kN，沉井工作井要求最大頂力不大于4000kN滿足使用要求。

2.5 豎向抗拉計(jì)算

施工階段中沉井井壁可能出現(xiàn)抗拉情況，故設(shè)計(jì)過程中應(yīng)分情況對(duì)其進(jìn)行考慮。根據(jù)沉井規(guī)程[4]要求，土質(zhì)為硬土且沉井下沉系數(shù)接近1.05時(shí)，應(yīng)進(jìn)行沉井豎向抗拉計(jì)算，若下沉系數(shù)在1.5以上及土質(zhì)均勻的軟土地基則不需要進(jìn)行計(jì)算，這種情況下沉井豎向拉斷問題不會(huì)產(chǎn)生。在豎向抗拉計(jì)算環(huán)節(jié)，可采用以下公式：

式中：Nmax、Nd分別代表沉井井壁豎向拉斷力最大值、沉井截面抗拉承載力；fsd、As分別代表鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)值及鋼筋面積。

案例污水管道工程地質(zhì)處于淤泥質(zhì)土及粉細(xì)砂層，含水量大，穩(wěn)定性較差，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求，復(fù)核井壁豎向抗拉計(jì)算，經(jīng)復(fù)核，井壁配筋滿足抗拉要求。

2.6 穩(wěn)定性檢算

對(duì)于市政結(jié)構(gòu)頂管工程來說，頂力作用會(huì)對(duì)沉井土體帶來影響，結(jié)合相關(guān)規(guī)定，需做好工作井后土體的穩(wěn)定性驗(yàn)算，保證土體不發(fā)生失穩(wěn)，可采用下列公式：

式中：Epk、Eak、ξ分別代表沉井底部被動(dòng)土的壓力標(biāo)準(zhǔn)值、沉井底部主動(dòng)土的壓力標(biāo)準(zhǔn)值、折減系數(shù)。

結(jié)合案例頂管工程沉井底部被動(dòng)土與主動(dòng)土的壓力標(biāo)準(zhǔn)值，在公式中帶入數(shù)據(jù)，可確定沉井的井壁后背土體頂力標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)計(jì)算為9892kN，大于頂管頂力，滿足規(guī)范要求。

2.7 具體設(shè)計(jì)

圖1為工作井平面設(shè)計(jì)示意圖，該工作井的抗?jié)B等級(jí)、混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為P6、C30，采用HPB300、HRB400級(jí)別的鋼筋，井壁、底板的鋼筋保護(hù)層厚度分別為35mm、40mm。需結(jié)合管底標(biāo)高推算工作井底標(biāo)高，工作井存設(shè)計(jì)年限為1年。工作井要求地基承載力特征值不小于100kPa，嚴(yán)禁人工頂管，按機(jī)械頂管考慮。在沉井結(jié)構(gòu)下沉環(huán)節(jié)，需保證混凝土強(qiáng)度為100%，相較于井外水位，需保證井內(nèi)水位高出1m以上，采用不排水下沉。減摩措施需要在必要時(shí)結(jié)合地段地質(zhì)實(shí)際針對(duì)性選用。具體施工順序?yàn)椋簤|層→支?！摻罱壴辆掳氩繚仓鲁痢辆习氩窟B接→下沉到位→底板澆筑→頂管施工→檢查井施工→回填檢查井與頂管機(jī)間的間隙。施工單位應(yīng)做好工作井尺寸校準(zhǔn)，并保證頂管環(huán)節(jié)的最大頂力處于工作井和管材允許最大頂力內(nèi)，工作井允許最大頂力不大于4000kN。淤泥不得在井周圍堆放，同時(shí)需做好臨時(shí)維護(hù)措施設(shè)置，為滿足與沉井底板連接需要，應(yīng)預(yù)留雙層φ20@200插筋于頂管工作井壁板凹槽內(nèi)。同時(shí)在沉井周邊設(shè)置一圈直徑500mm，間距350mm旋噴樁，以便減少因沉井過程中造成局部水土流失給周邊建筑及道路造成的影響。

圖1 工作井平面設(shè)計(jì)

3 結(jié)論

綜上所述，市政結(jié)構(gòu)頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需關(guān)注多方面因素影響。本文通過對(duì)沉井案例分析，提供沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及方法。其中需注意沉井設(shè)計(jì)中頂力計(jì)算，下沉穩(wěn)定性計(jì)算及工作井土體穩(wěn)定性計(jì)算等要點(diǎn)，為今后沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更好的設(shè)計(jì)思路及方案。同時(shí)設(shè)計(jì)過程中需重視結(jié)合實(shí)際地質(zhì)、周邊環(huán)境等情況，確保沉井設(shè)計(jì)能在該區(qū)域切實(shí)可行。