鋼筋混凝土沉井在市政給排水管道施工中的應用

摘要：頂管施工作為一種常見的非開挖管道施工方法，在淤泥質土和透水性較強的砂性土中有著很好的工程適用性，對周邊的道路、環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，重點介紹了沉井在管道施工中的應用。

關鍵詞：沉井;管道施工;設計方案

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）坑開挖與圍護等工程。溝槽的開挖、支護方式應根據工程地質條件、施工方法、周圍環境等要求進行技術經濟比較，確保施工安全和環境保護要求。降水方案的選擇也是基坑開挖方案中需要重點考慮的因素，設計降水深度在基坑（槽）范圍內不應小于基坑（槽）底面以下0.5m。對于給水管道等埋深較淺的管道工程來說，該方案較為簡單便捷，可控性較好。而對于埋深較深，管道周邊環境復雜，場地狹窄，附近有建筑物或其他因素影響時，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施工技術。頂管法施工就是在工作坑內借助于頂進設備產生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設計的坡度頂入土中，并將土方運走。一節管子完成頂入土層之后，再下第二節管子繼續頂進。其原理是借助于主頂油缸及管道間、中繼間等推力，把工具管或掘進機從工作坑內穿過土層一直推進到接收坑內吊起。管道緊隨工具管或掘進機后，埋設在兩坑之間。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、沉井類型簡介

沉井作為一種非常成熟的施工技術已經被廣泛的應用于地下結構的施工中。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）構筑物類

給水排水工程中常見的泵房等，由于埋置地下較深，開挖會對周圍環境造成較大影響，可采用沉井的結構形式。沉井下沉至設計標高并封地后，成為工藝流程中的一座構筑物。

（二）基礎類

橋梁等工程中的橋墩可做成沉井的形式，沉井下沉至設計標高后填充混凝土等材料，用作橋梁的支墩。

（三）基坑支護類

軟土地基或者是地下水位較高，土的滲透性大，容易產生涌流或塌陷的砂性土、粉土等可采用沉井作為深基礎施工、管道的頂管工作井。該種類型的特點是當工程完成后，部分沉井可能失去了使用價值，其設計標準可適當的降低。

按結構形式分，可分為以下幾種：

1、圓形沉井

該種結構形式受力良好，缺點則是平面利用率較低，多用于小型雨、污水泵站下部構筑物及頂管工作井等。

2、帶隔墻的圓形沉井

一般常見于大中型沉井，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，沉井下沉時安全性好。易與上部建筑布置相協調，但施工制作稍復雜。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筑物。

三、頂管工作井的設計方案

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，一般都會廢棄，失去了使用價值，屬于基坑支護類。下面以長江沿岸某城市的城市污水管網為例，詳細介紹鋼筋混凝土作為頂管工作井的設計和施工方案。

（一）工程概況：

管線總長約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。頂進土層為②淤泥質粉質粘土，工作井間距為200m。由于地下水位較高，②淤泥質粉質粘土， 由于其滲透系數較小， 達到固結穩定所需的時間較長，且由于土層中有效應力的改變，導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、地質條件

①雜填土（Q4ml）：雜色，濕，松散狀，主要為粉質粘土，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淤泥質粉質粘土：青灰色，軟塑～流塑狀，飽和，部分為軟塑狀粉質粘土，局部夾薄層粉土及粉細砂，韌性低，干強度低～中等，層厚12.70～13.5m。

②-1粉細砂：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，粉土及粉細砂互層，不均勻夾淤泥質粘土，層厚3.60～14.90m。

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

2、地下水

場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給，排泄并不通暢，主要方式以蒸發排泄為主。松散巖孔隙潛水主要賦存于②層淤泥質粉質粘土，水量一般。其中②層淤泥質粉質粘土為弱透水層。

水位埋深受大氣降水及地表排水影響，勘察期間實測地下水位埋深較淺，勘察期間測得鉆孔地下穩定水位（主要為上層滯水）埋深0.10-1.30m。地下水位將受季節性降水和地表水體影響變化浮動，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方面

1、下沉的需要

設計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，沉井的井壁應有必要的厚度保證下沉的需要。同樣，井壁也會因為過厚使得自重過大，導致下沉系數過大或地基承載力要求過高，此時就需要減少壁厚。

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，包括底板都應該有適當的厚度。

本工程井體厚度取600mm，底板也取600mm。

（二）井體分段及計算要求

考慮到井體澆筑的難度和下沉時的施工，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。

由于工作井為臨時措施，不作為永久性結構適用，因而按強度計算的同時，對于裂縫計算可適當放寬或僅滿足強度要求即可，做到安全經濟。

（三）沉井地基承載力的驗算

施工階段，當沉井下沉至設計標高并封地之后，沉井整體的重量小于井內挖出的土體重量，該階段不必進行地基承載力的驗算。在頂管頂進過程中，沉井內荷載較小，同樣滿足井體重量小于挖出的土體，因而無需進行驗算。

（四）下沉系數：

為使沉井能平穩下沉至設計標高并便于封地，下沉系數應控制在1.05～1.25之間，本工程位于淤泥質粉質粘土，可取1.05。

K1——沉井自重標準值（KN）

Fk——沉井下沉過程中地下水的浮力標準值（KN）

Tt——井壁總摩阻標準值（KN）

K1——沉井下沉系數

（五）下沉穩定系數及下沉穩定措施

由于沉井刃腳位于淤泥質粉質粘土，有些地區的淤泥質粉質粘土具有觸變性，沉井容易發生突沉，除了在挖土時采取合理的施工措施以外，還需進行下沉穩定性驗算，下沉穩定系數應控制在0.8～0.9之間：

Kst，s——下沉穩定性系數

Gk——沉井自重標準值（KN）

Fk——下沉過程中地下水的浮力標準值（KN）

Tt——井壁總摩阻標準值（KN）

Rb——隔墻下土的支承反力（KN）

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

隨著下沉深度的增加，土層與井壁摩阻會逐漸增大，沉井可能會出現沉不下去的情況，此時可采用配重或降低井壁與土層間的摩阻來解決，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管法澆筑水下混凝土，澆筑前應預先派潛水員水下清基，主要任務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，提高基礎防滲性和減小沉降量。混凝土等級采用C25素砼。

四、總述

通過本文可知，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土之外，對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施工中對城市建筑物的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穩定土層和環境保護方面凸顯其優勢。這對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復雜的城市是非常重要的，它將為城市創造一個潔凈、舒適和美好的環境。

參考文獻：

[1]段良策 殷奇 《沉井設計與施工》同濟大學出版社

[2]給水排水工程結構設計手冊（第二版）中國建筑工業出版社

作者簡介：于石群（1980-），男，安徽懷遠縣人 ，大學本科，高級工程師，從事市政結構設計工作。