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

肖剛

（上海市政工程設(shè)計研究總院集團(tuán)第十市政設(shè)計院有限公司）

0 引言

在市政建設(shè)中，要根據(jù)不同功能需要，設(shè)置不同管線，但由于目前我國城市道路實際情況比較復(fù)雜，在市政管線施工中，往往需要采用非開挖技術(shù)。頂管施工有噪聲低、施工進(jìn)度快、節(jié)約施工成本等諸多優(yōu)點，正逐步受到市政建設(shè)的關(guān)注和推廣。在城市頂管工程中，沉井設(shè)計是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，由于其剛度大、整體性好，因此在市政工程頂管施工中快速地推廣和使用。在具體應(yīng)用時，應(yīng)依據(jù)本地區(qū)地質(zhì)條件、地形條件和地下水的實際狀況，采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式[1]。因此設(shè)計者必須注意到設(shè)計要點，并對其進(jìn)行合理設(shè)計，以保證整體施工質(zhì)量。

1 頂管工程沉井結(jié)構(gòu)方案

在進(jìn)行城市頂管工程的施工時，有關(guān)單位要在頂管施工中提前設(shè)置好頂管井，才能保證下一步的頂管施工。因此，在設(shè)計階段，有關(guān)技術(shù)人員要根據(jù)項目所在地區(qū)的具體條件，保證施工的完整性和質(zhì)量，通過對施工調(diào)整方案、工程項目施工的需求、對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)計，使其在工程設(shè)計中發(fā)揮最大的作用。目前國內(nèi)最常用的頂管井筒結(jié)構(gòu)形式有4 種。①沉井結(jié)構(gòu)。采用沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂管施工，整體強度較高。在進(jìn)行頂管工程后，由于沉井具有較大的地表深度，因此有關(guān)工作人員需要減小部分沉井結(jié)構(gòu)的厚度，以減輕其內(nèi)部的應(yīng)力，在頂管施工中，對其進(jìn)行了內(nèi)支保護(hù)，使其質(zhì)量和穩(wěn)定性得到了極大的改善。同時，還應(yīng)考慮到流沙、涌流等地質(zhì)條件對工程的不利影響。②地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。從形式上講，采用地下連續(xù)墻進(jìn)行頂管施工時，其沉井的形狀將維持在平面上，且總的占地面積不大，能夠有效防止連續(xù)的水泄漏。但是，由于地下連續(xù)墻的剛度較低，在進(jìn)行頂管工程時，會產(chǎn)生墻體變形、空間不足等問題。因此，有必要對其進(jìn)行支撐，以改善其整體穩(wěn)定性。在大型頂管工程中，常采用地下連續(xù)墻沉井結(jié)構(gòu)。③排樁結(jié)構(gòu)。在沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中，若技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)沉井結(jié)構(gòu)布置不合理，沉井深度較大，應(yīng)采用排樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂管。在進(jìn)行排樁結(jié)構(gòu)設(shè)計與使用時，應(yīng)根據(jù)施工人員的要求，對其防水性能進(jìn)行優(yōu)化，以防止地下水對沉井結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響，進(jìn)而對工程建設(shè)的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。④鋼板樁。鋼板使用優(yōu)勢更加明顯，它本身的結(jié)構(gòu)強度更高，而且施工非常方便，成本也可以大幅度降低，在各種頂管工程中有著很好的應(yīng)用前景。在實際使用鋼板樁時，由于工程地質(zhì)、地下水等因素的影響，要求施工人員將鋼板樁打入不透水層地質(zhì)環(huán)境，并設(shè)計出一套完善防水性措施，防止地下水位過低對工程建設(shè)產(chǎn)生影響。

2 設(shè)計思路

2.1參數(shù)控制

在進(jìn)行沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)對其設(shè)計參數(shù)進(jìn)行多次計劃和認(rèn)真核實。具體而言，工作人員要著重分析沉井施工和沉井兩個階段的施工。在沉井施工中，工作人員要保證完成后的尺寸誤差不大于20mm，沉井的壁厚誤差不大于8mm，為其設(shè)計的防護(hù)層與已建成的防護(hù)層之間的偏差不能超過5mm。沉井沉降系統(tǒng)的參數(shù)控制重點是對沉井的控制，沉降后的位移與沉井深度的比值不能大于1%，井刃的平均標(biāo)高與設(shè)計高度的誤差不能大于5mm。一般情況下，在頂管工程中，沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)應(yīng)符合設(shè)計規(guī)范[2]。

2.2因地結(jié)合把握重點

在國內(nèi)不同地區(qū)地基情況和地下結(jié)構(gòu)千差萬別，如果是在一個比較復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中相關(guān)工作人員必須按照正常程序來控制設(shè)計參數(shù)。并根據(jù)工程地質(zhì)特征，綜合考慮各種影響因素。比如，城市內(nèi)的頂管工程，其沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計要考慮到地下管道的分布情況。當(dāng)施工區(qū)域內(nèi)的輸氣管線比較稠密時，必須加強沉井結(jié)構(gòu)的制作和沉降參數(shù)的控制，并嚴(yán)格控制施工期間偏差，保證工程精度。在施工區(qū)域降雨較多的情況下，其沉井施工將會遭受大量的降雨，因此必須在設(shè)計時對其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，并加強周邊土體變形和變形問題的重視，從而提高了頂管施工的安全性。

2.3設(shè)計要點

⑴對于井壁厚度設(shè)計，在沉井沉降期，工作人員需根據(jù)沉井的實際情況來制定沉降計劃，而對于井壁厚度的設(shè)計工作，往往忽略了沉井本身的重量要求，這就導(dǎo)致了各種質(zhì)量問題。其次，應(yīng)將外部力量與沉井的自重相結(jié)合，以提高沉井的工作穩(wěn)定性。

⑵優(yōu)化高度。工作人員要綜合考慮城市頂管工程的各種特點，在沉井標(biāo)高設(shè)計時，綜合考慮各方面的要求，確保整個沉井在整個施工中不會發(fā)生質(zhì)量問題。

⑶圖形設(shè)計工作，在沉井結(jié)構(gòu)的施工中，必須對其平面尺寸進(jìn)行合理的規(guī)劃，其平面大小的確定程度將影響到工程能否有效、平穩(wěn)地進(jìn)行。在頂管工程的沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計中，沉井的平面尺寸要按其最后的沉井深度來確定[3]。

3 沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計工程實例

某黑臭水體綜合治理工程沿河截流管道采用頂管施工頂管工作井和接收井均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓形沉井結(jié)構(gòu)。沉井采取不排水的方式，在海底進(jìn)行封閉。在工程設(shè)計中，樁身承載能力的特點是Fak 大于150kPa，沉井承載能力特征值fak為100kPa。在沉井階段，本工程采用圓形沉井，詳情見圖1，采取分層澆筑、分層沉降的方式，在第一節(jié)沉井必須在鋼筋混凝土100%后才能進(jìn)行沉降，其余部分在70%以上才能進(jìn)行沉降，即首次沉井的沉井深度不能超過5m，沉井的沉井應(yīng)設(shè)在地下1.5m 處，頂管為泥漿平衡式機械頂管，在頂板和工作井壁間設(shè)有尾板。后排座椅最少為3.0×3.0m，可采用枕墊木加鋼板形式的裝配式后座，后座應(yīng)與管道軸線垂直，允許不垂直度為5mm/m。

4 頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

4.1井壁厚度設(shè)計

在頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先要對井壁進(jìn)行分析，以獲得理想的參數(shù)。在確定井壁厚度時，通常要考慮下沉需求、穩(wěn)定下降需求和抗浮力需求三個方面。沉降量是指沉井在一定程度上能夠克服摩擦，使其下沉到正常位置，穩(wěn)定沉降要求是在沉降因子允許的范圍之內(nèi)，而不會發(fā)生突然的下陷或下陷不能有效地進(jìn)行，抗浮力要求是指在受水影響的情況下，井內(nèi)的井壁可以依靠自身的重量來保持其位置的穩(wěn)定性。其中，下沉要求是設(shè)計要求的中心，用S表示下沉系數(shù)，得到了一種適用范圍較廣的公式：S=(A－B)∕C,S不小于1.05，式中S表示下沉系數(shù)，A表示沉井的重量，B表示沉井時產(chǎn)生的動力承載力，C表示沉井時的平均阻力。若S值低于1.05，則說明沉降系數(shù)太小，工作效率不高，若S值較大，則有可能存在快速沉降的隱患，說明土壤環(huán)境較差，或?qū)Ω×σ筝^低。

4.2強度設(shè)計

強度設(shè)計是指在頂管工程沉井的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮持續(xù)作業(yè)和機械擾動的影響，采用技術(shù)措施提高了設(shè)計的可行性，以保證井內(nèi)外部土體的外力不會對頂管程沉井作業(yè)造成太大的影響，同時對周圍的土壤和組織造成的破壞也不會太大。在設(shè)計時，主要考慮了三個方面：環(huán)向力、縱向力、底板力。其中，環(huán)形受力是設(shè)計的核心內(nèi)容[4]。通常，根據(jù)工程規(guī)范，對封閉環(huán)形表面的應(yīng)力進(jìn)行了分析，并采用了降維法，使沉井井壁在承受外力時具有均一的能力。通過對井壁剖面的分析，得出了四種計算公式：

E1和E2表示相同的井壁斷面上的軸向應(yīng)力，E3和E4 分別表示，兩者之間有一定的差別，x、v分別表示同一井壁斷面外側(cè)的水平壓強，其半徑為0.7854、0.5、-0.1488、-0.1366 都是固定的影響因子。在工程實踐中，可以將實測參數(shù)、工程要求代入，通過配比分析得到最后的強度計算結(jié)果，并對縱向和底板的應(yīng)力進(jìn)行了分析，通過對三個因素的綜合分析，得出了頂管沉井結(jié)構(gòu)強度參數(shù)的計算公式。

4.3力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計

力學(xué)結(jié)構(gòu)與頂進(jìn)力量、周邊土體的壓力、沉井自重等因素有關(guān)，沉井沉降時產(chǎn)生的摩擦等問題。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式中，應(yīng)充分考慮各因素，并根據(jù)不同的加權(quán)因子進(jìn)行分析，首先應(yīng)注意的是頂板的動力，其次是周圍土壤的壓力、沉井下沉?xí)r的阻力、沉井自身的重量和其他微小的外界壓力，例如在土壤的不均勻分布時，壓力的不同。在具體工作中，提出了按施工需要編制施工方案，并按施工方案對其進(jìn)行受力和受力性能的評價。詳情見表1、表2。

表1 沉井結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)計算

表2 沉井結(jié)構(gòu)結(jié)算結(jié)果

4.4原始信息收集

在頂管工程中，原始資料的采集在設(shè)計中必不可少，原始資料豐富、詳盡，可為設(shè)計、模擬分析等工作提供資料。在后續(xù)工作中，建議從工程建議書到竣工的整個周期，對各種施工工藝中涉及的主要參數(shù)進(jìn)行持續(xù)地分析、收集、整理、統(tǒng)計。在設(shè)計初期，應(yīng)搜集土地密度、抗屈服強度、管壁內(nèi)外直徑等原始資料[5]。在施工期間，還要進(jìn)一步搜集地基位移、降水等動態(tài)資料，對現(xiàn)有技術(shù)方案的可行性進(jìn)行評價，并對調(diào)整環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計，以豐富的資料，為頂管施工的沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

4.5設(shè)計模擬

鑒于頂管施工中復(fù)雜性較強問題，采用先進(jìn)施工技術(shù)，獲得與實際環(huán)境和工作要求相吻合的模型，并為以后的工作提供支撐。在進(jìn)行地基干擾分析時，由于各種參數(shù)的固定、力的綜合效應(yīng)很難用常規(guī)的方法來評價，可以將各種不同的參數(shù)作為預(yù)設(shè)參數(shù)，代入BIM 模型進(jìn)行力學(xué)仿真，且能夠?qū)υ摲桨傅目尚行约安蛔氵M(jìn)行分析。靜態(tài)仿真方法不能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，可以通過引入時間參數(shù)和操作參數(shù)等方法來實現(xiàn)對頂管工作中各種參數(shù)的改變。各種虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為以上工作提供一定支持。

5 結(jié)語

綜上所述，在市政城市頂管工程施工中，沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計對以后施工是否能夠順利開展有著直接影響，故而應(yīng)強調(diào)科學(xué)規(guī)范。站在設(shè)計方法角度上來看，需強化對參量調(diào)控，選擇明晰規(guī)范進(jìn)行服務(wù)設(shè)計，對頂管工程中沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進(jìn)行分析，可知力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計、原始信息收集和模擬，為設(shè)計工作的三個基本要點。