復雜環(huán)境下的薄壁鋼沉井關鍵技術研究

羅晨皓

（上海城投水務工程項目管理有限公司，上海市 201103）

0 引言

隨著城市的發(fā)展從向上要空間往向地下要空間的發(fā)展，管線工程施工時能占用的地面空間及地下空間極其有限。臨港原水管線輸水管道線路長，沿線環(huán)境變化較大，管線沿線將穿越大量現(xiàn)狀市政設施，全線采用頂管施工方案[1]。頂管井采用鋼筋混凝土沉井、SMW 工法井、灌注樁井、地連墻井[2]。

某頂管井原設計采用地連墻井，實際施工時由于場地拆搬遷受限，無法按原方案實施，為保證項目順利實施，從各方面對頂管井設計進行優(yōu)化：（1）功能優(yōu)化：將工作井調整為接收井；（2）尺寸優(yōu)化：14 m直徑優(yōu)化為2 只4 m 直徑；（3）環(huán)境擾動優(yōu)化：基坑開挖后回筑結構優(yōu)化為鋼沉井結構壓沉到位后再取土。將某頂管井調整為4 m 直徑鋼沉井[3-5]，以優(yōu)化頂管井的尺寸及施工面，壓縮施工周期。施工過程中對周邊環(huán)境進行實時監(jiān)測。監(jiān)測結果顯示鋼沉井施工對環(huán)境的影響遠小于基坑開挖對環(huán)境的影響，驗證該工藝的可行性及可推廣性。

1 工程概況

某頂管井屬于上海市奉賢區(qū)四團拾村，位于川南奉公路東側，S2 滬蘆高速南側。其東側距離民房最近約10 m，民房2～3 層，條形基礎，基礎埋深約0.6～1.1 m；北側距離民房約12 m，民房為1 層磚混結構；南側距離鄉(xiāng)村道路約8 m，距民房約14 m。施工現(xiàn)場現(xiàn)狀為鄉(xiāng)村河道，進場施工前需進行回填。

某頂管井主要穿越①1-2素填土、②1粉質黏土、②3淤泥質粉質黏土、④淤泥質黏土等土層。穿越土層主要如圖1 所示。

圖1 某頂管井穿越土層示意圖

某頂管井原設計為工作井，平面外徑為17.4 m，內(nèi)徑13.6 m，圍護結構采用1 m 厚地下連續(xù)墻，共9幅，墻深37 m，基坑開挖深度19.85 m。通過拔除頂管穿越的障礙物河岸護樁（200×200 方樁）進行拔除，管道軸線中心標高由-12.5 m 提升至-4.5 m。為減少對周邊環(huán)境影響，擬將工作井改為接收井，同時圍護結構擬由地墻改為兩個直徑4 m 鋼沉井。

井身材料為預制拼裝鋼井身，采用壓沉法工藝進行下沉施工，井身材料為Q235 鋼板圈制而成，壁厚36 mm，內(nèi)徑為4.0 m，外徑4.072 m，井體高度14 m。井壁共分為4 節(jié)，節(jié)段劃分為4 m×3+2 m×1=14 m。節(jié)段底板上端口與井壁節(jié)段連接處采用20b 槽鋼（Q235）內(nèi)側抱箍加強，節(jié)段焊縫間采用30 mm 厚鋼板內(nèi)側抱箍加強，下部刃角采用Q235 鋼板圈制，外包于井身，高度為1.0 m，底部設坡口。

鋼沉井起沉標高為3.0 m，地面場平標高為3.5 m，采用兩次制作（8 m+6 m），兩次下沉，壓沉過程中井內(nèi)不取土，待下沉到位后進行土方開挖施工。

2 鋼沉井結構設計

2.1 薄壁鋼沉井結構設計及優(yōu)化

頂管井由地連墻圍護基坑變更為鋼沉井，為優(yōu)化鋼沉井結構，避免薄壁鋼結構失穩(wěn)，將14 m 直徑接收井拆分為2 只4 m 直徑圓形鋼沉井，壁厚36 mm，井體高度14 m，開挖深度10.5 m。沉井采用鋼管，為減少下沉阻力，井壁不做肋板加固。

2.2 輔助下沉措施

下沉系數(shù)根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規(guī)程》計算。鋼制沉井自重較輕，需考慮采取加配重助沉。采用壓沉輔助措施下沉。輔助壓沉力為：

沉井第一次制作8.0 m（4.0 m+4.0 m），下沉至8.0 m，井壁自重238 kN，下沉系數(shù)為1.1 時，施加助沉壓力1 700 kN。沉井第二次制作6.0 m（2.0 m+4.0 m），下沉至14.0 m，井壁自重417 kN，下沉系數(shù)為1.1 時，施加助沉壓力為3 500 kN。

2.2.1 鋼筋混凝土反力梁

沉井矩形鋼筋混凝土反力梁截面1.5 m 寬，1.5 m高，長度24 m；1.0 m 寬，1.5 m 高，長度16 m；0.6 m寬，1.5 m 高，長度8 m。混凝土采標號C30。反力梁框架總重為2 215.2 kN。

2.2.2 設計荷載

矩形鋼筋混凝土反力梁按照壓沉大梁架設位置設置4 個錨箱，用于提供沉井下沉力，每個加載點施加錨拉力875 kN，考慮一定的安全儲備，取每個錨點施加最大拉力1 000 kN。施加總配重：4×1 000-2 215.2=1 784.2（kN）。壓沉大梁采用雙拼H700×300×13×24 鋼梁。

2.2.3 壓沉鋼梁驗算

實際每個加載點施加錨拉力為875 kN，考慮一定的安全儲備，取每個錨點施加最大拉力1 000 kN。為避免重復進行荷載組合作用的放大，故對于壓沉鋼梁應力和變形分析均采用荷載標準組合。壓沉大梁采用雙拼H700×300×13×24 鋼梁（Q235）。鋼梁最大應力197.3 MPa＜205 MPa，鋼梁最大位移16.3 mm，鋼梁應力及位移滿足要求（見圖2）。

圖2 鋼梁受力驗算結果圖示

鋼梁最大應力發(fā)生在中部，應力值197.3 MPa＜205 MPa，滿足要求；鋼梁最大位移發(fā)生在端部，位移值16.3 mm＜L/500=18 mm，滿足要求。

2.2.4 錨箱、錨索計算

錨箱模型如下，直徑1 300 mm，高1 300 mm，各鋼板厚度30 mm，底部環(huán)形錨板選用Q355，各加勁板選用Q235。錨箱最大應力58 MPa＜205 MPa，錨箱最大變形0.11 mm。錨箱最大應力和位移均滿足要求（見圖3）。

圖3 錨箱受力驗算結果圖示

錨索采用7 根鋼絞線，應能承受1 000 kN，單根鋼絞線所承受的拉力至少為1 000/7=142.9 kN。鋼絞線繩選用7 根抗拉強度等級為1 870 MPa 的纖維芯鋼絲繩，其破斷拉力為：P 破=894 kN。安全系數(shù)K=P 破/P=6.25＞4，設備吊裝安全標準系數(shù)滿足要求。

2.2.5 混凝土反力梁計算

沉井矩形鋼筋混凝土反力梁截面1.5 m 寬，1.5 m高，長度24 m；兩端連梁1.0 m 寬，1.5 m 高，長度16 m；中間連梁0.6 m 寬，1.5 m 高，長度8 m?；炷敛捎脴颂朇30，配重加載點作為支點，錨索拉力作為荷載，采用midas 建立三維模型進行分析。反力梁最大彎矩2 334 kN·m，反力梁最大剪力1 613.6 kN，反力梁最大應力4.1 MPa＜14.3 MPa，反力梁最大位移0.478 mm（見圖4）。

圖4 反力梁受力驗算結果圖示

除壓沉梁外，預留以下措施：井壁壓注減阻泥漿助沉，沉井內(nèi)外預留泥漿壓注管。刃角下方超高壓射水破土助沉，刃角布置射水孔，備用于刃角下部土體反力過大時進行高壓射水破壞刃角土體。

2.3 下沉到位后不利工況分析

由于鋼沉井采用薄壁大直徑鋼管，在不均勻土壓力下容易產(chǎn)生較大應力及變形，鋼沉井下沉到位，沉井在自重、靜水壓力、土壓力作用下，鋼沉井受力為最不利。在此工況下驗算鋼沉井受力和變形。

考慮下沉階段傾斜，沉井考慮一側主動一側被動的偏壓荷載作用，且考慮主動被動土壓力作用面積各為沉井井壁總面積的1/2。

2.3.1 計算模型及荷載

計算采用Midas 軟件建立整體模型進行計算。側壁面板、加勁板、鋼護筒采用板單元模擬，邊界條件為鋼護筒底部Dx、Dy、Dz 約束，計算模型如圖5所示。

圖5 鋼沉井受力及變形分析結果圖示

荷載：（1）自重。（2）水土壓力：水土壓力采用朗肯土壓力計算。以壓力荷載作用于套箱上。鋼沉井結構形式為圓形，結構驗算時，考慮等壓荷載和偏壓荷載作用兩種不利工況。（3）荷載組合：a.應力組合：自重作用分項系數(shù)取值為1.3，其他荷載作用分項系數(shù)取值均為1.5；b.位移組合：各荷載作用分項系數(shù)均取1.0。

等壓對稱荷載沉井鋼沉井受力及變形分析結果（側壁最大組合應力13.3 MPa＜205 MPa）。偏壓荷載作用下沉井鋼沉井受力及變形分析結果（側壁最大組合應力158.8 MPa＜205 MPa）。偏壓荷載作用下沉井鋼沉井受力及變形分析結果（側壁最大變形16.5 mm）見圖5 所示。

2.3.2 計算結果分析

計算結果匯總（見表1）。

表1 計算結果匯總表

通過工況的計算分析可以得出：

在等壓荷載作用下，壁厚36 mm 最大應力13.3 MPa＜205 MPa，變形0.089 mm，強度和變形都滿足要求；考慮下沉階段傾斜，沉井考慮一側主動一側被動的偏壓荷載作用，壁厚36 mm 最大應力158 MPa＜205 MPa，變形16.5 mm，滿足要求。

3 鋼沉井下沉過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 下沉工況介紹

實際施工工序如表2 所列。

考慮到J42 沉井距離周邊房屋最近處僅為19 m，且根據(jù)經(jīng)驗，沉井施工對周邊環(huán)境的擾動大于基坑，整個過程對周邊環(huán)境進行監(jiān)測：對附近過河橋的水平位移及豎向位移進行監(jiān)測，對周邊房屋的沉降及傾斜進行監(jiān)測（見圖6～圖10）。

圖6 橋梁豎向位移監(jiān)測曲線圖

圖7 橋梁水平位移監(jiān)測曲線圖

圖8 道路豎向位移監(jiān)測曲線圖

圖9 周邊房屋沉降監(jiān)測曲線圖

圖10 周邊房屋測斜監(jiān)測曲線圖

施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)變化最大集中于第16 天，即A 管下沉到位，B 管下沉8 m 時。可見在鋼沉井整個施工過程中，下沉階段對周邊環(huán)境擾動最大。由于沉井下沉前，對沉井底采取了坑底加固，后續(xù)的開挖，施工底板，頂管進洞開洞等工況對周邊環(huán)境擾動較小。

J42 鋼沉井開挖深度H=10.5 m，最大橋梁豎向位移位于T4（-1.69 mm，0.16‰H），最大橋梁水平位移位于T4（2.1 mm，0.20‰H），最大道路豎向位移位于R1（1.50 mm，0.14‰H），最大建筑物豎向位移位于F5（-1.62 mm，0.15‰H），最大建筑物傾斜位于QX1（0.263%）。

監(jiān)測數(shù)據(jù)均遠小于在橋梁、道路、房屋報警值內(nèi)，實現(xiàn)了微擾動下沉的目的。

4 結論

鋼制沉井作為頂管接收井，是對傳統(tǒng)混凝土沉井的一次創(chuàng)新，基于沉井規(guī)范、有限元計算分析，鋼沉井設計及施工有以下注意事項，可作為后續(xù)類似項目的參考。

（1）沉井下沉需同時采取減阻措施及助沉措施，一方面減小摩阻以減小對周邊環(huán)境的影響；一方面又方便助沉以保證能下沉到位。

（2）4 m 直徑鋼沉井在不加肋板的情況下可安全下沉14 m，類似直徑及深度鋼沉井可參考該原則。

（3）沉井下沉、開挖、接收頂管整個過程對周邊環(huán)境擾動極小，且從A 管下沉至頂管進洞加固完成工期僅30 天，遠小于傳統(tǒng)鋼筋混凝土沉井及基坑井。鋼沉井可應用于工期緊張、場地較小、周邊環(huán)境要求較高的工程。