市政結構頂管工程沉井結構設計分析

摘? 要：在市政結構頂管工程中，沉井結構的設計需要根據實際情況進行，在設計中，為了保證設計符合要求，應對沉井的特點以及工程要求合理設計，控制好各項參數，加強沉井結構的設計效果。本文對市政頂管工程沉井結構方案進行了闡述，結合某市政結構頂管工程分析市政結構頂管工程沉井結構設計內容，包括沉井井壁厚度設計，標高設計，平面尺寸設計，頂力計算，環向計算，豎向抗拉計算等。通過對頂管工程沉井結構的合理設計，為頂管井的設計提供更好的條件，加強工程的建設效果，使市政工程的整體質量得到提升。

關鍵詞：市政頂管工程;沉井結構設計;標高設計

中圖分類號：TU99? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2019）05-0000-00

0 引言

在城市建設的快速發展背景下，市政工程建設規模越來越大，在建設中為了滿足城市各系統的運行，需要設置大量的管道，由于城市路面情況復雜，市政工程管道建設過程中一般使用非開挖技術進行施工，進而避免影響管道建設效果。采用頂管技術進行施工具有眾多優勢，如對環境的影響小等。沉井設計是頂管工程的重要部分，在設計中應考慮工程實際情況，使設計能夠起到更好的效果，保證工程的施工質量。

1 市政頂管工程沉井結構方案

頂管井屬于一種臨時設施，在市政工程施工中，應結合工程的地質特點以及條件等進行設計，保證設計效果。在市政工程頂管井結構中包括較多種類，其中主要分為以下四種類型：

第一種為沉井結構，在頂管工程中這種結構具有較大的剛度，施工過程中沉井結構的深度比較大，為了降低結構內力，縮小厚度，加強工程的施工效果，應利用內撐的方式進行施工。另外，在設計沉井結構的時候，人員應對地質情況有全面了解，包括涌水等現象。

第二種為地下連續墻，這種結構是平面構件，在應用中常見的問題有墻體變形、裂縫、滲漏等，要求在設計的時候，應利用內撐來加強結構的穩固性，使地下連續墻能夠發揮出有效的作用。通常地下連續墻設置在深度較大的頂管井之中。

第三種為排樁結構，當前在設計頂管井的時候，當頂管的井面存在不規則的現象或者深度比較大的時候，需要利用排樁結構進行設計。在設計中為了加強設計質量，人員應合理設置止水設施，例如擺噴等避免受到地下水的不良影響，保證工程的建設質量，使施工的進度加快。

第四種為鋼板樁結構，鋼板樁在施工中應用便捷，強度大，頂管工程施工中被普遍應用。但是使用這種結構進行設計時，會受到地質條件以及地下水位影響。進行設計時，需要將鋼板打入不透水層之中，避免地下水位低對工程質量帶來影響。同時，在設計鋼板樁的時候，要想減少地下水對環境造成的影響，需要采用止水設施，通過合理設置止水設施使施工達到要求。

2 工程概況

為了研究市政結構頂管工程的沉井結構設計情況，將某地的地下管線工程作為案例分析，該工程與住宅區域相鄰較近，屬于市政污水工程，其中使用的污水管為不銹鋼材質的規格為DN1350mm的污水管，長度為250m。這部分污水管道將上游與下游的管道連接起來，在檢查井的相應位置上預留出管徑為DN400mm的污水管。在工程之中，頂管工作以及接收井的位置都在河岸附近，受到了水系發達因素的影響。同時，在工程的施工區域中，土質呈現為淤泥特點，其中含水量較高，穩定性比較弱。在施工中為了使市政結構頂管工程的質量提升，加強其穩定性，使工程的建設能夠符合最終要求，人員對其進行了勘查和分析，經過討論之后確定在該市政結構頂管工程之中使用沉井結構，使頂管工程順利完成。

3 市政結構頂管工程沉井結構設計內容

3.1 沉井井壁厚度設計

在市政結構頂管工程中，借助沉井的自重使其下沉可以達到目的，當沉井的井壁比較薄的時候，會使沉井產生自重過輕的現象，這個時候只靠自重難以完成施工;當沉井的井壁較厚時，可以使自重滿足要求，但是會使施工的成本增多，還會導致施工資源浪費。因此應對沉井的井壁進行合理設計，保證沉井下沉的穩定性，使沉井結構設計的效果加強。根據要求分析，沉井下沉的穩定系數應在0.80～0.90范圍內，應注意在沉井結構水位比較高的時候，需要使井體系數不小于1。工程設計人員應根據實際情況，使用深度為21m、井壁厚度為0.90m，并且中心直徑超出27m的沉井，對沉井進行排水下沉處理。在保證井中污水的情況下進行取土，同時應對沉井的壁厚進行計算，檢驗其是否滿足要求，可結合沉井下沉與穩定系數進行計算，計算的時候采用以下公式：

其中，Kst表示沉井的下沉系數，Kst，s表示沉井下沉穩定系數，Glk代表沉井結構自重，Ffw，k代表浮托力，Ffk表示的是井壁的摩擦阻力標準值。Rb表示的為沉井刃腳下的地基土極限承載力總和，該工程中采用圓形沉井，通過排水下沉的方式進行作業，結合沉井的情況以及相應的參數，可以得到沉井結構的自重為16809kN，浮托力為0。其中，Rb取值為500 kPa，結合計算的結果可以得出沉井的下沉系數大于1.05，穩定系數為0.80，都符合實際的規定。因此，經過檢驗可以得到井壁的厚度設置為0.90m，符合工程的需求。

3.2 標高設計

在標高設計中，需要結合頂管工程沉井結構的情況來設計沉井井頂標高，考慮到結構的安全性需求，應保證沉井井頂的設計標高比頂管工程周圍水位高出0.50m，避免沉井結構在終沉之后由大量的地面水流入到沉井中。該頂管工程中，設計人員需要根據工程情況進行設計，參考水文條件、地質條件，由于工程周圍水位高度為10m，應將沉井結構井頂標高設置為10.50m，在設計的時候，還應確保地面低于沉井井頂標高0.30m，使沉井結構下沉施工的安全性。考慮到工程中使用的是圓形沉井排水下沉方式，在取土施工的過程中應保證井中污水，同時在沉井的時候井外的水土荷載會產生一定的影響，工作人員將沉井下沉到設計的標高的時候可進行干封底處理，使其滿足施工標準。

其次，應對刃腳踏面標高進行設計，在頂管工程施工中，人員應經過準確計算之后明確標高，將沉井結構抗沖刷強度值計算出來，使其與其他部分的尺寸結合起來，確保沉井結構有較好的抗滑移性能與抗傾覆性能，將沉井的刃腳踏面標高值進行估算，之后，人員應結合國家對工程的要求，將標高誤差預留出來，使施工能夠順利進行，同時在施工中，施工人員可以針對工程的實際情況將刃腳踏面標高進行調節，使標高的設計達到施工要求。在該工程中，使用的沉井的刃腳踏面寬度為0.45m，標高為1.40m，沉井的內側傾角大于45°，因此符合工程的設計要求，可以采用該標高。

3.3 平面尺寸設計

在市政結構頂管工程中沉井結構平面尺寸以及沉井結構強度、抗壓性等有著緊密的聯系，應對結構平面尺寸進行設計，為市政結構頂管工程的沉井結構設計提供有利的條件。在設計中，結合相應要求，設計人員應確保沉井結構下沉的深度不超出10m，沉井結構的水平位移應小于100mm，并且沉井的下沉深度應比水平位移高出1%。該工程中使用的圓形沉井中心直徑為27.50m，井壁的厚度為0.90m。

3.4 頂力計算

在市政結構頂管工程中通常人員使用的是專業的工作井頂管設備，使管道的頂進作業順利完成，人員應有效控制作業頂力，當在沉井結構設計過程中，頂管機頂力與要求的理論值相比應大于理論值，工作人員還應結合實際的情況對管道的頂進阻力進行控制。在計算頂力的過程中，可采用以下公式：

在公式中，D表示的為管徑，L表示的是頂進的長度，Ptk表示的是頂管頂力，Nf表示的是頂進阻力，f代表的為摩阻力均值。可將相關的參數代入到公式中，經過計算得出市政頂管工程頂管頂力值，計算出值為10756kN。

3.5 環向計算

在該工程中采用的沉井井壁為筒殼，這部分受到了水土的壓力影響，沉井的截面在受壓情況下拉應力較小。由于磚砌體以及混凝土自身的受壓性比較強，所以當頂管工程結構設計中采用的圓形沉井的規模較小的時候，可以采用磚砌體或者混凝土材質的沉井結構。當工程中需要使用規模較大的沉井的時候，由于受到外荷載的影響，沉井的截面會產生受壓不均勻的現象。出現這種情況是由于大規模沉井的直徑比較大，同時沉井周圍的土質存在著不均勻的問題，這使水土壓力存在差異，影響了沉井的設計效果。在沉井下沉的施工過程中，工作人員如果存在操作不當的現象，會使沉井下沉出現傾斜，影響了下沉施工的效果，這種問題會使沉井傾斜兩側產生主動土、被動土壓力。通常在傾斜角的角度比較大的時候，土壓力的差值會變大，在設計的時候頂管工程中人員進行環向計算大部分會采用假設垂直方向上沉井井壁兩點土摩擦角差值為5°～10°之間的方式，之后可以得到土壓力的差值。但是結合該工程的實際情況，在設計中利用這種方式需要考慮帶沉井的實際大小，當頂管工程之中使用的沉井的直徑較大的時候，可將井壁兩點土內摩擦角的差值設置為最小值5;當沉井的直徑較小的時候，可以將井壁兩點土摩擦角的差值設置為10，能夠滿足設計的需求。

3.6 豎向抗拉計算

計算豎向抗拉的時候，需要保證計算的準確性，為沉井結構設計提供保障。考慮到該工程的施工區域大部分土質為淤泥，同時含水量多，穩定性弱，需要根據國家對工程的要求進行計算，并且將沉井豎向抗拉計算忽略。由于在沉井下沉的時候，當沉井位于軟土質區域的時候，沉井下沉系數應不小于1.50，沉井刃腳在土中，同時沒有懸空情況，所以，在這樣的情況下沉井的下沉施工中不會產生沉井豎向拉斷的情況。當沉井的下沉系數小于1.50的時候，人員應對沉井豎向抗拉進行計算，計算沉井井壁的豎向拉斷力最大值的時候，可以采用以下公式：

計算截面抗拉承載力的時候，需要使用以下公式：

公式中，Nd表示的為沉井截面抗拉承載力，fsd表示的為沉井使用的鋼筋的抗拉設計數值，As代表的是受壓鋼筋的面積。

3.7 穩定性檢算

結合國家的規定進行分析，在頂管工程中沉井土體受到了頂力的影響，應使其穩定性滿足以下要求：

在公式中，Eak表示的是位于沉井刃腳底部的土的壓力標準值，Epk表示的是被動土的壓力標準值，ξ代表的是折減系數。在頂管工程中頂管頂力與沉井刃腳底土的距離約為7m，可將公式中的折減系數定位0.70，計算井壁后背土體頂力標準值的時候，應采用以下公式進行計算：

經過對該頂管工程中位于沉井刃腳底部的主動土的壓力標準值以及被動土的壓力標準值的分析，將其使用公式進行計算，可以得出該工程中沉井的井壁后背土體頂力標準值為27938kN。因此可以求出圓形沉井的實際頂力相比井壁的設計頂力小，所以與規定的設計要求符合。

4 結語

沉井結構在市政工程中作為一種臨時結構，在施工中具有便利、成本低以及影響小等特點，因此能夠為工程施工提供便利，為了使頂管工程沉井結構設計符合實際要求，加強設計效果，應對工程進行全面分析，合理進行沉井結構設計。在市政頂管工程沉井結構設計過程中，設計人員應結合工程的實際情況來確定沉井的井壁厚度，對沉井結構進行詳細計算，保證計算的準確性，通過有效的設計可加強沉井結構的穩定性，使沉井結構發揮出有效的作用，提升市政結構頂管工程的水平，為工程建設帶來有效保障，進而促進市政工程建設的快速發展。

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收稿日期：2019-08-28

作者簡介：劉丹（1980—），女，吉林長春人，本科，高級工程師，研究方向：市政結構設計。

Design Analysis of Caisson Structure for Municipal Structure Pipe Jacking Project

LIU Dan

（China Municipal Engineering Northeast Design & Research Institute Co.， Ltd.， Changchun? Jilin? 130000）

Abstract： In the municipal structure pipe jacking project， the design of the caisson structure needs to be carried out according to the actual situation. In the design， in order to ensure that the design meets the requirements， the characteristics of the caisson and the engineering requirements are reasonably designed， and various parameters are controlled to make the caisson structure The design effect is enhanced. This article describes the caisson structure plan of municipal pipe jacking project， and analyzes the caisson structure design content of municipal structure pipe jacking project in combination with a municipal structure pipe jacking project， including the design of caisson wall thickness， elevation design， plane size design， jacking Force calculation， hoop calculation， vertical tensile calculation. The rational design of the caisson structure of the pipe jacking project provides better conditions for the design of the pipe jacking well， strengthens the construction effect of the project， and improves the overall quality of the municipal engineering.

Keywords： Municipal pipe jacking project; Design of caisson structure; Elevation design