市政工程頂管施工中的沉井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

鄭一葦

（中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，市政工程建設(shè)數(shù)量和規(guī)模不斷增加與擴大，為了不影響地面交通，頂管施工技術(shù)應(yīng)用較多，在這樣的背景下，沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計得到了迅速的推廣和應(yīng)用。施工實踐證明，沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是否科學(xué)合理直接關(guān)系著項目的進度、效率以及整體的質(zhì)量。為此，要保證市政工程頂管施工順利進行，需要不斷對沉井結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[1]。

2 沉井結(jié)構(gòu)概述

沉井結(jié)構(gòu)作為頂管施工過程中的一種臨時性結(jié)構(gòu)，因其自身具備剛度大、整體性好等特點，在市政工程頂管施工中得到了迅速的推廣和應(yīng)用。在具體使用過程中需要根據(jù)工程項目所在區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)、地形條件及地下水位等實際情況采取不同類型的結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]。

3 案例概況

某市政工程位于某市區(qū)繁華地帶，為典型的污水排放管道施工項目。經(jīng)研究決定，項目使用長度為252 m，半徑為DN1 500 mm 的生活污水排放管道，并預(yù)留了1.5%的坡度。其中，上游管道和下游管道全部通過沉井連接在一起，并根據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求預(yù)留了DN400 mm 的污水管。但是，由于本項目位于河岸邊，土體中的含水量較大，土體的穩(wěn)定性和安全性無法得到根本保證，需要采取針對性的措施予以解決。

4 沉井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為深入探討市政工程頂管施工中的沉井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，本文結(jié)合案例圍繞頂管施工沉井結(jié)構(gòu)整體設(shè)計思路、沉井壁厚設(shè)計、標(biāo)高設(shè)計、頂力計算、環(huán)向計算、豎向抗拉計算6 個方面進行深入分析與探討。

4.1 整體設(shè)計思路

本項目沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計需要從以下兩個方面進行：（1）參數(shù)控制。從設(shè)計角度來看，需要將現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)作為沉井設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)依據(jù)，注重沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計及下沉穩(wěn)定性驗算，并保證施工完成的尺寸與標(biāo)準(zhǔn)尺寸之間的偏差控制在20 mm 以內(nèi)。同時，井壁壁厚不大于-5 mm、+8 mm 的偏差，實際施工完成的保護層與設(shè)計保護層的偏差應(yīng)控制在±5 mm。沉井下沉位置控制是參數(shù)控制的關(guān)鍵，下沉后位移值與下沉深度之間的比值應(yīng)小于0.01。（2）因地制宜。在本項目中，受施工條件的影響，在嚴(yán)格控制參數(shù)的同時，還要根據(jù)工程項目的實際情況綜合考慮其他因素。比如，項目所在地為市區(qū)繁華地帶，頂管施工需要根據(jù)地下管道的分布情況、周邊管線組織和開展施工，并合理控制下沉參數(shù)，對沉井制作方法進行優(yōu)化，為保證作業(yè)精度，還要加強參數(shù)的偏差控制，由于考慮到降水可能帶來的水土流失問題，具體設(shè)計過程中要做好力學(xué)參數(shù)分析，綜合考慮位移可能性、周圍土體變形等情況，確保沉井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的可行性。

4.2 沉井壁厚設(shè)計

市政工程頂管施工中沉井結(jié)構(gòu)的應(yīng)用原理是利用沉井的自重實現(xiàn)下沉，如果沉井井壁厚度不能滿足設(shè)計要求，會出現(xiàn)沉井自重不足，無法實現(xiàn)下沉；如果沉井井壁過厚，雖然可以實現(xiàn)下沉作業(yè)，卻在一定程度上增加了工程項目的建設(shè)成本，造成不必要的資源浪費。因此，在工程項目建設(shè)工程中，要對沉井管壁的厚度進行科學(xué)合理的設(shè)計，從而保證沉井下沉過程的穩(wěn)定性[1，2]。而在本工程項目的建設(shè)過程中，技術(shù)人員通過對工程項目實際情況進行分析，決定選擇壁厚為0.55 m、內(nèi)徑為9 m 的圓形沉井。同時，為了在污水中順利完成取土作業(yè)，還要完成對井壁內(nèi)的排水作業(yè)，并科學(xué)合理地計算沉井下沉系數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)，以判斷沉井井壁厚度是否合理。

4.3 標(biāo)高設(shè)計

4.3.1 沉井井頂標(biāo)高設(shè)計

在沉井井頂標(biāo)高設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程項目的實際情況，保證沉井井頂設(shè)計標(biāo)高比市政地下水位高出0.5 m，防止和減少沉井在終沉過程中滲入大量地下水。在具體的頂管作業(yè)中，設(shè)計人員應(yīng)深入施工現(xiàn)場，認(rèn)真、仔細(xì)地勘察工程項目所在區(qū)域的地質(zhì)、地形條件以及水文情況等。與此同時，在具體的設(shè)計過程中，地面標(biāo)高應(yīng)當(dāng)比沉井井頂標(biāo)高出0.3 m，這樣可以充分保證沉井在下沉作業(yè)中施工人員的人身安全。但需要特別注意的是，由于本工程項目在沉井下沉作業(yè)中采用的是排水下沉法，盡管取土?xí)r施工人員發(fā)現(xiàn)井內(nèi)沒有水，但是沉井下沉?xí)r依然會受井外水土荷載的影響，因此，當(dāng)其下沉至設(shè)計標(biāo)高后應(yīng)立即對其進行干封底。

4.3.2 刃腳設(shè)計

沉井刃腳尺寸應(yīng)根據(jù)沉井的封底、刃腳豎向彎曲受力以及地基承載能力等情況予以綜合考慮，既要滿足混凝土厚度要求，又要綜合考慮沉井刃腳厚度和配筋可以承受的彎矩，還要保證刃腳底部的壓力不超過地基承載能力。為此，在刃腳設(shè)計過程中，需要設(shè)計人員對刃腳踏面標(biāo)高和沉井的抗沖刷強度進行準(zhǔn)確計算，充分結(jié)合沉井其他部位的尺寸，在保證沉井結(jié)構(gòu)抗傾覆和可滑性的基礎(chǔ)上對刃腳踏面標(biāo)高值進行準(zhǔn)確預(yù)估。此外，設(shè)計人員在具體的設(shè)計工作中，還要嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證預(yù)留的刃腳踏面標(biāo)高偏差控制在規(guī)定范圍內(nèi)，方便后續(xù)施工人員在施工中根據(jù)工程項目要求調(diào)整刃腳標(biāo)高。

4.4 環(huán)向計算

素混凝土和磚砌體是沉井的常用施工材料。如果沉井的規(guī)模不大，可以采用素混凝土圓形井或者磚體沉井。在沉井使用過程中，會受外界荷載的影響導(dǎo)致其截面出現(xiàn)不均勻受壓，究其原因，是素混凝土圓形井或者磚體的沉井直徑較大，容易受周圍地形和地質(zhì)條件的影響。在沉井下沉作業(yè)中，通常還會因為施工人員的失誤以及其他方面客觀因素的影響造成沉井出現(xiàn)下沉傾斜，其兩側(cè)出現(xiàn)被動和主動土壓力，所產(chǎn)生的傾斜角度越大，土壓力的差值也就越大。對此，在市政結(jié)構(gòu)頂管工程項目建設(shè)工程中，還要對沉井進行準(zhǔn)確的環(huán)向計算。

4.5 豎向抗拉計算

在頂管施工作業(yè)中，對沉井豎向抗拉強度的準(zhǔn)確計算是優(yōu)化沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，特別是在本工程項目施工過程中，由于本項目位于河岸邊，土層含水量較大，土層的穩(wěn)定性和安全性無法得到保證。為此，應(yīng)根據(jù)沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)明確沉井結(jié)構(gòu)的豎向抗拉強度。

4.6 頂力計算

根據(jù)我國沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)規(guī)范和要求，沉井承受的實際頂力應(yīng)滿足以下關(guān)系：

式中，Ptk為 沉井的實際頂力，kN；ε為折減系數(shù)；Epk為沉井刃腳底部處的主動土壓力，kPa；Eak為沉井刃腳底部處被動土壓力,kPa。

沉井井壁后背土體頂力標(biāo)準(zhǔn)值按式（2）計算：

式中，F(xiàn)tk為沉井井壁后背土體頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

將本工程項目在建設(shè)過程中計算得出的沉井刃腳底部主動土壓力和被動土的壓力標(biāo)準(zhǔn)值分別帶入公式（1）和式（2），最終計算得出沉井井壁后背土體的頂力標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)計算得出實際頂力值Ptk小于設(shè)計頂力值Ftk，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

5 沉井結(jié)構(gòu)施工方法及注意事項

5.1 施工方法

在沉井結(jié)構(gòu)施工中，需要施工人員根據(jù)工程項目所在區(qū)域內(nèi)的實際情況、地形和地質(zhì)條件以及水文特點選擇科學(xué)合理的沉井結(jié)構(gòu)施工方法。排水下沉法是當(dāng)前市政結(jié)構(gòu)頂管工程沉井結(jié)構(gòu)施工方法中普遍使用的方法。排水下沉法根據(jù)其自身的特點已被應(yīng)用到滲水量小且排水速度快的砂礫層中，排水下沉法根據(jù)工程項目的實際情況可以分為水中取土下沉和水力機沖土下沉兩種。在通常情況下，在沉井下沉過程中，施工人員還需要挖出深度為30～40 cm 的土，再從沉井中部向四周取土，從而保證沉井下沉過程中的安全性與可靠性。此外，挖出來的土應(yīng)當(dāng)堆放于遠(yuǎn)離沉井10 m 的區(qū)域，以減少外部土層對沉井的壓力，保證工程項目建設(shè)質(zhì)量[3，4]。

5.2 注意事項

本項目沉井平面設(shè)計圖如圖1 所示。該工作井抗?jié)B等級為P6、混凝土強度為C30，采用HPB300 和HPB400 鋼筋，井壁和底板鋼筋保護層的厚度為35 mm 和40 mm，設(shè)計年限為1 年，工作井要求的地基承載力不小于100 kPa，全部機械頂管，禁止人工頂管，在沉井結(jié)構(gòu)的下沉環(huán)節(jié)，要確保混凝土的強度為100%，對于井外水位，需要確保工作井比地下水位高出1 m 以上，采用不排水下沉方式[5]。

圖1 沉井平面設(shè)計圖

減摩措施需要根據(jù)工程項目的實際情況合理的選用，具體施工流程如下：墊層→支模→鋼筋綁扎→沉井下半部澆筑→下沉→沉井上半部連接→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間的間隙。

施工企業(yè)應(yīng)做好對工作井尺寸的校準(zhǔn)工作，確保頂管環(huán)節(jié)的最大頂力處于工作井和管材允許的最大頂力范圍內(nèi)，但不得大于4 000 kN；淤泥不得堆放在工作井的周圍，同時還應(yīng)做好臨時維護措施；為滿足沉井底板連接需求，應(yīng)預(yù)留雙層φ20 mm@200 mm 插筋于頂管井壁板的凹槽內(nèi)，并于工作井周邊設(shè)置一圈直徑為500 mm，間距為350 mm 的旋噴樁，以此減少由于沉井在施工過程中在成的局部水土流程給周圍建筑物和道路帶來的影響。

6 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合實際案例，分析市政工程頂管施工中的沉井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，為今后沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更好的設(shè)計思路及方案。同時設(shè)計過程中需重視結(jié)合實際地質(zhì)、周邊環(huán)境等情況，確保沉井設(shè)計能在該區(qū)域切實可行。