市政結構頂管工程沉井結構設計研究

范娜

摘要：在市政頂管工程設計施工中，沉井結構的合理與否直接影響著市政頂管工程整體質量水平。因此想要保障市政結構頂管工程實現高質量順利完工，有必要對沉井結構進行優化設計。基于此，本文將結合具體工程案例，重點針對市政結構頂管工程沉井結構設計進行簡要分析研究，以期能夠為相關研究人員提供必要理論參考。

Abstract： In the design and construction of municipal pipe jacking engineering， the rationality of the sinking structure directly affects the overall quality level of the municipal pipe jacking project. Therefore， in order to ensure the high quality and smooth completion of the municipal structure pipe jacking project， it is necessary to optimize the design of the sinking structure. Based on this， this paper will focus on the analysis of the design of the sinking structure of the municipal structure pipe jacking project based on specific engineering cases， in order to provide the necessary theoretical reference for relevant researchers.

關鍵詞：市政結構頂管工程;沉井結構;設計要點

Key words： municipal structure pipe jacking project;sinking structure;design points

中圖分類號：TU99? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0178-03

0? 引言

本文探究市政結構頂管工程沉井結構，可以在幫助人們準確把握沉井結構特點的同時，為設計人員實際開展市政結構頂管工程的沉井結構優化設計工作，提供有效的實踐指導與幫助。從而依托合理的沉井結構設計，為后續市政結構頂管工程的順利施工以及提升工程施工質量，奠定堅實良好的基礎。

1? 市政結構頂管工程中的沉井結構特點

城市為充分實現其各項功能，通常需要敷設眾多管道。其中頂管井作為一種臨時設施，因其施工周期相對較短且具有成本低廉等眾多優勢特點，因此被廣泛運用在市政工程中。沉井則是一種較為常見的市政工程頂管井結構類型，一般市政結構頂管工程中，沉井結構的剛度與深度均相對較大，具有良好的整體性。但也因沉井結構較深，導致其比較容易出現結構內力過大、沉井壁厚過大等情況，從而直接影響著市政結構頂管工程建設質量。因此需要設計人員充分結合工程實際，并嚴格遵循國家相關標準要求對市政結構頂管工程中的沉井結構進行優化設計。

2? 工程概況

本文為有效說明市政結構頂管工程的沉井結構設計，選擇以某地區的地下管線工程為例。該工程臨近住宅區，屬于典型的市政污水工程，使用的污水管為不銹鋼材質的DN1350mm污水管，其總長度為250m，坡度為1.5%。該段污水管負責連接上游和下游的污水管，要求在檢查井的指定位置處預留管徑為DN400mm的污水管，由于在該市政結構頂管工程中，無論是頂管工作井還是接收井，均位于河岸邊，因此受水系發達因素的影響，工程施工區域的土質大多為淤泥或淤泥質土質，土層含水量相對較大，穩定性較差。因此為了能夠有效增加市政結構頂管工程施工的安全可靠性，同時保障工程整體施工質量，相關工作人員經過綜合考量，最終決定在該市政結構頂管工程中采用沉井結構。

3? 市政結構頂管工程沉井結構設計要點分析

3.1 沉井壁厚

在市政結構頂管工程中，沉井原理為利用沉井自重實現下沉，因此如果因沉井井壁較薄，將會出現沉井自重過輕的情況，此時僅僅依靠沉井自重顯然無法有效完成下沉作業。而如果沉井井壁過厚，雖然可以保障沉井自重足夠，但導致工程成本增加與資源浪費。

因此需要設計人員科學設計沉井壁厚，確保沉井具有較高的下沉穩定性和抗浮性能[1]。按照相關規定要求，沉井下沉穩定系數應當在0.8到0.9之間，如果沉井結構水位較高，則應保證井體抗浮系數至少為1。該工程中，設計人員通過充分結合實際情況，選擇使用深度為21m、壁厚為0.9m且中心直徑超過27m的圓形沉井，并對其進行排水下沉作業。即在確保井內為無水狀態下進行取土作業。但為檢驗沉井壁厚設計值是否合理，需要對沉井下沉及其穩定系數進行準確計算。計算公式如下：

在這一公式當中，Kst與Kst，s分別代表沉井下沉系數與沉井下沉穩定系數，Glk和Ffw，k以及Ffk分別代表著沉井結構的自重、浮托力與井壁摩擦阻力標準值。Rb代表沉井刃腳下地基土極限承載力總和，由于在該工程中圓形沉井以排水下沉的方式進行下沉作業，因此在參考其他相關參數下，可知該沉井結構的自重與浮托力分別為16809kN與0，Rb取值為500kPa。根據最終的計算結果可知，該沉井的下沉系數超過1.05，下沉穩定系數為0.8，均與規定要求相符合，因此證明沉井井壁厚度設定為0.9m具有較高的合理性。

3.2 標高設計

①井頂設計標高。

設計人員在立足市政頂管工程沉井結構實際特點，對沉井井頂標高進行設計時，出于結構安全因素的考量，要求沉井井頂的設計標高，應當比市政頂管工程周圍水位高出0.5m，從而有效防止沉井結構在終沉之后，有大量地面水流入沉井當中。在該市政頂管工程中，設計人員立足工程實際以及水文、地質條件，可知工程周圍水位為10m，因此該沉井結構井頂標高最終設定為10.5m。另外在設計過程中，需要保障地面低于沉井井頂標高0.3m，以此有效保障了沉井結構下沉作業的安全可靠性。值得注意的是，由于該工程采用圓形沉井排水下沉法，因此在取土作業時井內無水，在沉井過程中直接受到井外水土荷載的作用影響，工作人員將沉井下沉至設計標高后即可進行干封底。

②刃腳踏面標高。

在設計該市政結構頂管工程中沉井的刃腳踏面標高時，要求設計人員需要精準計算沉井結構抗沖刷強度值，并與沉井結構其余部位尺寸進行充分結合，在保障沉井結構具有良好的抗滑移性能與抗傾覆性能的基礎上，預估出沉井刃腳踏面標高值。隨后設計人員應當嚴格依照國家相關規定要求，預留出一定的刃腳踏面標高誤差，便于后期在實際進行沉井施工時，施工人員可以結合工程實際情況對沉井的刃腳踏面標高進行適當優化調整[2]。本工程中采用的圓形沉井的刃腳踏面寬度和標高分別為0.45m與1.4m，沉井的內側傾角超過45°，與規定設計要求相符。

3.3 平面尺寸

在市政結構頂管工程中，沉井結構的平面尺寸與沉井結構強度和剛度、沉井結構抗壓性能等均有著直接影響關系。因此沉井結構平面尺寸設計也是市政結構頂管工程中沉井結構設計的重中之重，根據相關規定要求，設計人員在設計沉井結構平面尺寸時，應保障沉井結構下沉深度不超過10m，沉井結構的水平位移不超過100mm，且沉井下沉深度應當比其水平位移值高出1%。該污水工程中的圓形沉井中心直徑為27.5m，壁厚為0.9m。

3.4 頂力計算

由于在市政結構頂管工程中，工作人員一般使用專業的工作井頂管設備完成管道頂進操作，因此工作人員需要嚴格控制工程頂力，如果在沉井結構設計中，頂管機頂力與規定的工作井頂理論值要大，則需要相關工作人員依照實際情況適當減小管道頂進阻力。在計算頂力時需要使用如下公式：

在這一公式當中，D和L分別代表著管徑與頂進長度，Ptk與Nf則分別表示頂管頂力與頂進阻力，f表示摩阻力均值。通過將相關參數代入其中，最終可以計算得到該市政頂管工程中的頂管頂力值約為10756kN。

3.5 環向計算

本工程中使用的圓形沉井井壁為筒殼，受到周圍水土壓力作用影響，沉井截面在受壓狀態下，拉應力相對較小。而考慮到磚砌體以及素混凝土普遍具有良好的受壓性，因此如果市政結構頂管工程采用的圓形沉井規模并不大，則建議運用磚砌體沉井或是素混凝土圓形沉井。但如果工程需要使用大型的圓形沉井，則因受到外荷載作用的影響，沉井截面將會出現受壓不均勻的情況。這主要是由于大型圓形沉井的直徑也相對較大，且沉井周圍土質可能存在不均勻的情況，故而導致水土壓力出現較大差異。

另外，在實際進行沉井下沉作業時，因相關工作人員操作不當，或受到其他因素的影響，極有可能出現下沉沉井傾斜的現象，使得圓形沉井傾斜兩側分別出現主動土與被動土壓力。一般當傾斜角度相對較大時，土壓力差值也較大。因此設計人員在對市政結構頂管工程中的圓形沉井進行環向計算時，大多會通過假設垂直方向上沉井井壁二點土內摩擦角的差值在5°至10°之間，從而有效完成土壓力差值的計算工作。

但本文認為，在采用這一方法進行計算時，設計人員應當充分結合沉井具體大小，如果工程中使用的圓形沉井直徑較大，則可以將井壁二點土內摩擦角差值設定為5°，如果圓形沉井的直徑相對較小，則取10°更為適宜。

3.6 豎向抗拉計算

對沉井的豎向抗拉進行計算，同樣也是市政結構頂管工程中沉井結構設計的要點之一。但由于本工程施工區域的土質大多為淤泥或淤泥質土質，土層含水量相對較大，穩定性較差。因此按照國家相關規范要求，可直接省略沉井豎向抗拉計算。這主要是由于在沉井下沉時，如果其位于軟土地區，則沉井下沉系數至少為1.5，沉井刃腳深埋于土中，不存在懸空的情況，因此使得沉井在軟土地區進行下沉作業時基本不會出現沉井豎向拉斷的問題。但如果沉井下沉系數在1.5以內，則設計人員有必要進行沉井豎向抗拉計算。

在計算沉井井壁豎向拉斷力最大值即Nmax時，需要使用如下公式：

而在計算沉井截面的抗拉承載力時，需要使用的計算公式為：

在這一公式當中，Nd代表著沉井截面抗拉承載力，而fsd代表沉井使用的III級鋼筋的抗拉設計值，As為受壓鋼筋面積。

3.7 穩定性檢算

根據相關規定，在市政結構頂管工程中，圓形沉井土體受頂力作用影響，其穩定性應當滿足：

在該公式當中，Eak和Epk分別代表著位于沉井刃腳底部的土與被動土的壓力標準值，折減系數則用？孜進行表示[3]。由于該工程中的頂管頂力距離圓形沉井刃腳底部土近7m，因此通過計算將折減系數取值為0.7。在計算井壁后背土體頂力標準值時，需要使用如下計算公式：

通過參考該市政結構頂管工程當中位于圓形沉井刃腳底部的主動土與被動土的壓力標準值，并將其代入到上述公式中，計算可得本工程圓形沉井的井壁后背土體頂力標準值為27938kN。由此可知該圓形沉井的實際頂力要比井壁設計頂力小，因此與規定設計要求相符合。

4? 結束語

綜上所述，在市政頂管工程中，采用沉井結構的頂管井時，需要設計人員通過充分結合工程實際，并嚴格依照相關標準要求與設計規程規定，合理設計沉井結構井壁厚度，并對影響沉井結構安全可靠性、穩定性的各項計算指標，包括頂力值、下沉系數等進行精準計算，由此設計出最優的沉井結構。

參考文獻：

[1]鄒建世.國家速滑館北路雨水管道人工頂管施工技術[J].建筑機械，2019（02）：85-88.

[2]王劍安，袁茂成.淺論市政工程頂管（沉井）施工控制要點[J].居業，2017（04）：105-106.

[3]程燕，石立彬.頂管施工中支護結構的選型[J].水利科技與經濟，2015，21（03）：105-107.