一種三格矩形沉井在綜合管廊頂管井中的應用

劉星宇

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

1 引言

2 工程概況及地質條件

2.1 工程概況

本工程位于上海市某綜合管廊工程項目，穿越某市級道路和小型河道（六級航道），該段綜合管廊共3 個倉室，在同一頂管井分3 道內徑3.5 m 的鋼筋混凝土頂管（頂管斷面如圖1所示）依次平行頂出至接收井內，3 道頂管管中心均位于同一豎向標高。本頂管井在完成頂管施工后仍需兼作管廊通風口及逃生口，所以按永久井進行設計。

圖1 3 道頂管斷面示意圖

2.2 地質條件

本工程頂管工作井位于河道東側的荒地和農田內，周邊除河道大堤外無其他重要的建（構）筑物，頂管工作井井壁邊距離河道大堤地腳最近處20 m。

根據巖土工程勘察報告，該工作井場地主要土層分布如下：①層素填土、②層粉質黏土（黏聚力c=22 kPa，摩擦角φ=18.5°）、③層淤泥質粉質黏土（c=13 kPa，φ=17.5°）、④層淤泥質黏土（c=14.5 kPa，φ=14°）、⑤1層黏土（c=15 kPa，φ=13°）、⑥層粉質黏土（c=41 kPa，φ=18°）、⑦1層砂質粉土（c=5 kPa，φ=33.5°）。頂管中心埋深15.77m 位于⑤1層黏土，底板底埋深18.92 m 落于⑤1層黏土，刃腳底埋深23.92 m 落于⑥層粉質黏土。

3 頂管井平面選型

常用的頂管井平面形狀一般有圓形、矩形，本工程兩側頂管工作孔最小平面凈尺寸為8.8 m×14 m，中間頂管工作孔最小平面凈尺寸為7.9 m×14 m，加上中間2 道各0.6 m 厚的中隔墻，整個頂管井內工作孔的最小凈尺寸為26.7 m×14 m，屬于扁長形區(qū)域，若采用圓形布置，井內徑長將達到32 m，并且圓形工作井在同一方向，多管頂進時，若頂管頂力對不準圓心時，可能引起反向扭轉，造成不利影響[1]。本工程經過對2 種頂管井平面形狀的對比發(fā)現(xiàn)，矩形頂管井在占地面積、井壁尺寸、各材料用量、結構受力方面均比圓形有優(yōu)勢，故選用矩形三格井方案。

4 頂管井圍護形式的比選

根據上海市多年來在軟土區(qū)地下頂管工程的經驗，通過本工程地質條件及周邊環(huán)境的研究，對于頂管埋置深度較深的軟土地區(qū)，永久頂管井的圍護結構形式可采用沉井、地下連續(xù)墻+支撐、灌注樁+止水帷幕+支撐等。

沉井作為一種在地面制作好，通過井內取土依靠自重下沉至設計標高的結構，在市政結構中廣泛應用，比較常見的有頂管井、取水泵房、大型橋墩等。沉井的優(yōu)點是各種埋置深度均適用，整體性好，既是基礎，又是頂管施工時擋土和擋水的結構，頂管施工完后又可作為永久井使用，其造價比較低，制作及施工的周期較短。其缺點是對沉井施工的技術要求比較高，下沉中存在傾斜、超沉等風險。

地下連續(xù)墻+支撐的圍護結構形式常用于超過10 m 的深基坑工程，其作為圍護結構也可以作為主體結構的一部分，防水和抗?jié)B性能比較好。但是在軟土地區(qū)，其墻體插入深度較深，加上側向支撐的尺寸較大，會侵占一部分內部空間，造成頂管井平面尺寸增大，工期和造價相較于沉井存在劣勢。

灌注樁+支撐作為圍護結構時，在地下水豐富的地區(qū)需要在灌注樁外圍加高壓旋噴樁或水泥攪拌樁作為止水帷幕，設置內部支撐后仍需加設鋼筋混凝土永久內襯來保障其抗?jié)B和使用要求，相較于前2 種圍護結構，會進一步提高造價，延長施工周期。

本項目變頻電動機在開發(fā)過程中，采用了一套完整的機械計算程序，如軸伸強度計算、線圈尺寸計算、轉子臨界轉速計算、轉子端環(huán)、護環(huán)、導條強度及起動壽命計算、轉子沖片強度計算等等。在開發(fā)新產品時，通過這些計算，在理論上保證了各機械部件的安全運行。

結合本工程的地質條件、周邊環(huán)境、經濟性、施工周期、安全性等各方面因素的考慮，最終確定頂管井的圍護結構采用沉井，其平面圖和剖面圖如圖2、圖3 所示。

圖2 沉井頂管井平面圖

圖3 沉井頂管井剖面圖

5 頂管井沉井穩(wěn)定性驗算

5.1 下沉穩(wěn)定性驗算

根據CECS 137:2015《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規(guī)程》5.1.4 條[2]的要求，沉井均應進行下沉、下沉穩(wěn)定性及抗浮穩(wěn)定性驗算。

本工程頂管井設計起沉標高為1.420 m，分1 次接高2 次下沉至設計標高，其中第一節(jié)沉井制作高度17.5 m，第一次下沉高度16 m，第二節(jié)沉井接高5.5 m，第二次下沉高度為5.92 m，采用不排水下沉。

下沉系數計算公式：

式中，Kst為下沉系數，一般Kst≥1.05；Gik為沉井自重標準值，kN；Ffw,k為下沉過程中水的浮托力標準值，kN；Ffk為井壁總摩阻力標準值。

計算表明，Gik=70 420 kN，F(xiàn)fw,k=25 010 kN，F(xiàn)fk=21 360 kN，Kst=2.13＞1.05，滿足要求。下沉系數較大或在下沉過程中遇有軟弱土層時，應進行下沉穩(wěn)定驗算。

下沉穩(wěn)定系數計算公式：

式中，Kst，s為下沉穩(wěn)定系數，一般為0.8～0.9；F′fw,k為驗算狀態(tài)下水的浮托力標準值，kN；F′fk為驗算狀態(tài)下井壁總摩阻力標準值，kN；Rb為沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和，kN。第一節(jié)沉井下沉穩(wěn)定系數計算中，Gik=70 420 kN，F(xiàn)′fw,k=25 010 kN，F(xiàn)′fw=21 360 kN，Rb=33331kN，Kst，s=0.827，滿足要求；接高后的下沉穩(wěn)定系數計算中，Gik=85 340 kN，Kst，s=1.10，不滿足要求，通過接高前井內留土或井內回填土的方法，根據地基承載力深寬修正公式，可提高刃腳底和底梁底土體承載力，提高后的Rb=45 890 kN，Kst，s=0.897，滿足要求。

5.2 抗浮穩(wěn)定性驗算

沉井抗浮驗算應按沉井封底和使用2 個階段，本工程封底混凝土和底板設置了拉結鋼筋作為可靠連接，封底混凝土的自重可作為沉井抗浮重量的一部分。

抗浮系數計算公式：

式中，Kfw為抗浮系數，一般Kfw≥1.0（不計側壁摩阻力）；Fbfw,k為基底水浮托力標準值，kN。

施工階段抗浮驗算中，Gik=135 250 kN，F(xiàn)bfw,k=107 000 kN（地下水位取地面以下2m）；Kfw=1.264，滿足要求；使用階段抗浮驗算中，Gik=142 800 kN，F(xiàn)bfw,k=114 700 kN（地下水位取地面以下0.5 m），Kfw=1.245，滿足要求。

6 沉井受力分析

本工程沉井頂管井平面結構布置和井內分隔較為簡單、規(guī)則、對稱，可簡化為平面體系進行結構分析，在水土側壓力及地面超載作用下，下沉階段在垂直方向截取單位高度的井段按水平封閉框架結構進行計算[3]，結構計算簡圖如圖4所示。

圖4 井壁底結構計算簡圖

限于篇幅，本文僅列取沉井不排水下沉施工期間，刃腳、井壁底、井壁變截面處水平框架進行受力配筋分析，提取各單位截條計算得到的主要位置內力結果，驗算強度配筋及裂縫寬度，具體計算結果詳見表1，沉井下沉施工階段裂縫寬度最大限值為0.30 mm。

表1 刃腳、井壁水平框架內力包絡配筋表

底板按四邊簡支雙向板進行計算，取水浮托力和地基凈反力2 種工況中最不利的進行計算，短向和長向彎矩最大值分別為549.5 kN·m 和339.5 kN·m，分別配φ25 mm@100 mm和φ25 mm@150 mm 鋼筋，裂縫寬度為0.110 mm 和0.146 mm，強度驗算均滿足。刃腳豎向鋼筋按向外彎曲和向內彎曲計算后均為構造配筋。井壁板鋼筋按下沉至設計標高且底板完成后按3 邊固定頂邊自由的雙向板復核，橫向鋼筋按表1復核后均滿足要求，豎向鋼筋在下部支座和跨中處分別配φ32 mm@100 mm 和φ32 mm@150 mm，最大裂縫寬度為0.233 mm 和0.185 mm，強度驗算均滿足。未設置中隔墻的底梁按3 跨連續(xù)梁進行設計，最大彎矩11 490 kN·m，配26 根φ32 mm 鋼筋，裂縫寬度0.194 mm，強度驗算滿足要求。

7 結語

本文通過對周邊環(huán)境、地質條件的研究，對常用圍護結構形式的對比，對沉井進行穩(wěn)定性驗算和受力分析的結果表明選擇沉井作為軟土地區(qū)頂管井的基坑和結構本體方法科學合理，安全經濟，具備可行性，為后續(xù)類似工程提供參考意義。目前，本工程頂管井沉井已安全平穩(wěn)下沉到位，完成了3 道鋼筋混凝土管的頂進工作，綜合管廊也投入運營。