鋼筋混凝土沉井在市政給排水管道施工中的應(yīng)用

摘要：頂管施工作為一種常見(jiàn)的非開挖管道施工方法，在淤泥質(zhì)土和透水性較強(qiáng)的砂性土中有著很好的工程適用性，對(duì)周邊的道路、環(huán)境的影響也可以做到最低。頂管施工中工作坑的施工方式通常采用沉井法。本文介紹了幾種沉井的類型，及適用的范圍，重點(diǎn)介紹了沉井在管道施工中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：沉井;管道施工;設(shè)計(jì)方案

一、管道施工方案的選擇

市政給排水管道的施工方案通常有開槽施工和不開槽施工兩種，開槽施工方案較為簡(jiǎn)單，地基土的承載力要求也較低，但涉及圍堰、深基（槽）坑開挖與圍護(hù)等工程。溝槽的開挖、支護(hù)方式應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、施工方法、周圍環(huán)境等要求進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確保施工安全和環(huán)境保護(hù)要求。降水方案的選擇也是基坑開挖方案中需要重點(diǎn)考慮的因素，設(shè)計(jì)降水深度在基坑（槽）范圍內(nèi)不應(yīng)小于基坑（槽）底面以下0.5m。對(duì)于給水管道等埋深較淺的管道工程來(lái)說(shuō)，該方案較為簡(jiǎn)單便捷，可控性較好。而對(duì)于埋深較深，管道周邊環(huán)境復(fù)雜，場(chǎng)地狹窄，附近有建筑物或其他因素影響時(shí)，采用頂管法施工則是一種較為可行的方案。

頂管法施工就是不開槽施工方法，是一種不開挖或者少開挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)。頂管法施工就是在工作坑內(nèi)借助于頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設(shè)計(jì)的坡度頂入土中，并將土方運(yùn)走。一節(jié)管子完成頂入土層之后，再下第二節(jié)管子繼續(xù)頂進(jìn)。其原理是借助于主頂油缸及管道間、中繼間等推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作坑內(nèi)穿過(guò)土層一直推進(jìn)到接收坑內(nèi)吊起。管道緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后，埋設(shè)在兩坑之間。頂管施工適用范圍較廣，尤其是軟弱土層或含水量較大的砂性土也同樣適用。

二、沉井類型簡(jiǎn)介

沉井作為一種非常成熟的施工技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)的施工中。沉井的類型較多，用途也各不相同，按照用途分類可分為以下三種：

（一）構(gòu)筑物類

給水排水工程中常見(jiàn)的泵房等，由于埋置地下較深，開挖會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成較大影響，可采用沉井的結(jié)構(gòu)形式。沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高并封地后，成為工藝流程中的一座構(gòu)筑物。

（二）基礎(chǔ)類

橋梁等工程中的橋墩可做成沉井的形式，沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后填充混凝土等材料，用作橋梁的支墩。

（三）基坑支護(hù)類

軟土地基或者是地下水位較高，土的滲透性大，容易產(chǎn)生涌流或塌陷的砂性土、粉土等可采用沉井作為深基礎(chǔ)施工、管道的頂管工作井。該種類型的特點(diǎn)是當(dāng)工程完成后，部分沉井可能失去了使用價(jià)值，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)?shù)慕档汀?/p>

按結(jié)構(gòu)形式分，可分為以下幾種：

1、圓形沉井

該種結(jié)構(gòu)形式受力良好，缺點(diǎn)則是平面利用率較低，多用于小型雨、污水泵站下部構(gòu)筑物及頂管工作井等。

2、帶隔墻的圓形沉井

一般常見(jiàn)于大中型沉井，平面空間較大，多用于小型雨、污水泵站下部構(gòu)筑物，供水工程中的取水泵房等。

3、矩形沉井

平面利用率較高，制作方便，受力性能較圓形沉井差。多用于小型雨、污水泵站下部構(gòu)筑物。

4、雙格及多格矩形沉井

較單格沉井，整體剛度好，受力明確，沉井下沉?xí)r安全性好。易與上部建筑布置相協(xié)調(diào)，但施工制作稍復(fù)雜。多用于平面尺寸較大的給排水泵房下部，或其他建筑物的下部。

5、圓端形沉井

由于端頭水流條件較好，常用于取水頭部或江心泵房等取水構(gòu)筑物。

三、頂管工作井的設(shè)計(jì)方案

管道施工中所用的工作井大多為圓形工作井，在施工完畢后，一般都會(huì)廢棄，失去了使用價(jià)值，屬于基坑支護(hù)類。下面以長(zhǎng)江沿岸某城市的城市污水管網(wǎng)為例，詳細(xì)介紹鋼筋混凝土作為頂管工作井的設(shè)計(jì)和施工方案。

（一）工程概況：

管線總長(zhǎng)約1.2KM，管徑800mm，管底平均埋深為自然地面下-8.500，管材為鋼筋混凝土管。頂進(jìn)土層為②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，工作井間距為200m。由于地下水位較高，②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土， 由于其滲透系數(shù)較小， 達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定所需的時(shí)間較長(zhǎng)，且由于土層中有效應(yīng)力的改變，導(dǎo)致周邊的土體的沉降較大;因而工作井可采用不排水下沉。

1、地質(zhì)條件

①雜填土（Q4ml）：雜色，濕，松散狀，主要為粉質(zhì)粘土，部分為含少許碎石及植物根莖。層厚0.70～4.60m，層頂高程6.44～8.42m。

②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：青灰色，軟塑～流塑狀，飽和，部分為軟塑狀粉質(zhì)粘土，局部夾薄層粉土及粉細(xì)砂，韌性低，干強(qiáng)度低～中等，層厚12.70～13.5m。

②-1粉細(xì)砂：為夾層，青灰色，松散，局部稍密，飽和。層頂埋深0.60～3.50m，層厚1.80～5.60m。

②-2粉土夾粉砂（Q4al）：為夾層，青灰色，松散狀，很濕，粉土及粉細(xì)砂互層，不均勻夾淤泥質(zhì)粘土，層厚3.60～14.90m。

③粉質(zhì)粘土（Q4al）：灰色，可塑～軟塑， 粉土及粉細(xì)砂互層，局部夾角礫，最大揭露深度為16.80m。

2、地下水

場(chǎng)地地下水類型主要為上層滯水及松散巖類孔隙潛水，即賦存于地表上部填土中的上層滯水，主要接受大氣降水及地表水的補(bǔ)給，排泄并不通暢，主要方式以蒸發(fā)排泄為主。松散巖孔隙潛水主要賦存于②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，水量一般。其中②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為弱透水層。

水位埋深受大氣降水及地表排水影響，勘察期間實(shí)測(cè)地下水位埋深較淺，勘察期間測(cè)得鉆孔地下穩(wěn)定水位（主要為上層滯水）埋深0.10-1.30m。地下水位將受季節(jié)性降水和地表水體影響變化浮動(dòng)，水位漲幅1.5m左右。

四、工作井方案

（一）沉井井體厚度的確定

井體厚度的確定主要有如下幾個(gè)方面

1、下沉的需要

設(shè)計(jì)中一般需要考慮沉井依靠自重下沉的原則，如重量不足，需要采用外力配重或其他助沉的方式。所以，沉井的井壁應(yīng)有必要的厚度保證下沉的需要。同樣，井壁也會(huì)因?yàn)檫^(guò)厚使得自重過(guò)大，導(dǎo)致下沉系數(shù)過(guò)大或地基承載力要求過(guò)高，此時(shí)就需要減少壁厚。

2、滿足受力要求及適用性要求

井壁的厚度應(yīng)滿足施工期間和使用期間受力的要求。

3、 抗浮的要求

由于管道埋深較深，且地下水位較高，沉井必須滿足抗浮的要求，因而依靠自重抗浮的井體各部分，包括底板都應(yīng)該有適當(dāng)?shù)暮穸取?/p>

本工程井體厚度取600mm，底板也取600mm。

（二）井體分段及計(jì)算要求

考慮到井體澆筑的難度和下沉?xí)r的施工，井體可分段施工，分段高度不大于6m為宜，分段部分采用止水鋼板止水。

由于工作井為臨時(shí)措施，不作為永久性結(jié)構(gòu)適用，因而按強(qiáng)度計(jì)算的同時(shí)，對(duì)于裂縫計(jì)算可適當(dāng)放寬或僅滿足強(qiáng)度要求即可，做到安全經(jīng)濟(jì)。

（三）沉井地基承載力的驗(yàn)算

施工階段，當(dāng)沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高并封地之后，沉井整體的重量小于井內(nèi)挖出的土體重量，該階段不必進(jìn)行地基承載力的驗(yàn)算。在頂管頂進(jìn)過(guò)程中，沉井內(nèi)荷載較小，同樣滿足井體重量小于挖出的土體，因而無(wú)需進(jìn)行驗(yàn)算。

（四）下沉系數(shù)：

為使沉井能平穩(wěn)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高并便于封地，下沉系數(shù)應(yīng)控制在1.05～1.25之間，本工程位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，可取1.05。

K1——沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值（KN）

Fk——沉井下沉過(guò)程中地下水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值（KN）

Tt——井壁總摩阻標(biāo)準(zhǔn)值（KN）

K1——沉井下沉系數(shù)

（五）下沉穩(wěn)定系數(shù)及下沉穩(wěn)定措施

由于沉井刃腳位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，有些地區(qū)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土具有觸變性，沉井容易發(fā)生突沉，除了在挖土?xí)r采取合理的施工措施以外，還需進(jìn)行下沉穩(wěn)定性驗(yàn)算，下沉穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)控制在0.8～0.9之間：

Kst，s——下沉穩(wěn)定性系數(shù)

Gk——沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值（KN）

Fk——下沉過(guò)程中地下水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值（KN）

Tt——井壁總摩阻標(biāo)準(zhǔn)值（KN）

Rb——隔墻下土的支承反力（KN）

由于管道下依然存在約4m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，為保證下沉的穩(wěn)定性，在井壁下采取水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁進(jìn)行加固處理。

隨著下沉深度的增加，土層與井壁摩阻會(huì)逐漸增大，沉井可能會(huì)出現(xiàn)沉不下去的情況，此時(shí)可采用配重或降低井壁與土層間的摩阻來(lái)解決，如灌砂助沉等。

（六）水下封底混凝土

封底混凝土分為干封底和水下封底，本工程為水下封底

水下封底采用垂直導(dǎo)管法澆筑水下混凝土，澆筑前應(yīng)預(yù)先派潛水員水下清基，主要任務(wù)是清理散布在鍋底部的各種雜物、將鍋底底面清理平整，以便改善地基的承載力，提高基礎(chǔ)防滲性和減小沉降量?；炷恋燃?jí)采用C25素砼。

四、總述

通過(guò)本文可知，沉井法作為一種成熟的施工工藝，在管道施工中起到了重要的作用，除了本工程中的淤泥質(zhì)土之外，對(duì)于含水量較大的砂性土同樣適用。沉井法施工徹底解決了管道埋設(shè)施工中對(duì)城市建筑物的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護(hù)方面凸顯其優(yōu)勢(shì)。這對(duì)交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復(fù)雜的城市是非常重要的，它將為城市創(chuàng)造一個(gè)潔凈、舒適和美好的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]段良策 殷奇 《沉井設(shè)計(jì)與施工》同濟(jì)大學(xué)出版社

[2]給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）中國(guó)建筑工業(yè)出版社

作者簡(jiǎn)介：于石群（1980-），男，安徽懷遠(yuǎn)縣人 ，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，從事市政結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。