新型鋼沉井支護體系施工技術

喬天順

安陽市人民醫院 河南 安陽 455000

隨著市政設施建設工程的快速發展，市政工程的作業也愈加復雜，對施工工藝及周邊環境等的要求也日益嚴格[1-2]。頂管施工是在不開挖地表的情況下，在工作井內借助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接收井的一種地下管道埋設施工技術[3-5]。

國內常用的沉井支護結構有圓形混凝土沉井和鋼板樁沉井等。其中，圓形混凝土沉井由于沉井外壁面上的土體摩阻力較大，容易造成井壁拉裂，且混凝土結構趨于建筑化，不可周轉利用；而鋼板樁沉井的鋼材用量大，打樁機設備較為復雜，工程造價較高且振動與噪聲較大[6-7]。

針對頂管施工沉井支護體系存在的上述問題，經多次試驗，提出了一種新型鋼沉井支護體系施工技術。

1 工程概況

陜西渭南市主城區集中供熱管網（一期）臨渭區西區供熱管網工程，管線全長約7.422 km，采用頂管法施工。

其中，頂管部分情況如下：渭河大街2處頂管，頂管長度分別為75 m和49 m，管徑為1 200 mm，頂管深度10 m；六泉路2處頂管，頂管長度分別為45、46 m，管徑分別為900、600 mm，頂管深度10 m；杜化路1處頂管，頂管長度為65 m，管徑為700 mm，頂管深度10 m。頂管坑和接收坑均為沉井結構（圖1），平面尺寸為9.024 m×8.500 m，刃角底高程為8.4 m。

圖1 頂管基坑平面布置

2 鋼沉井的設計

2.1 鋼沉井工藝原理

鋼沉井依靠自身質量和外部荷載來克服井壁與土體間的摩擦力及井底端部刃角處的阻力，使其下沉至設計標高。

本工程所采用的新型鋼沉井支護體系是將矩形鋼板焊接成工程所需尺寸的沉井節段，內設鋼制桁架十字撐，鋼板上設適宜數量的橫向、豎向工字鋼，從基坑底向上依次拼接預制的鋼沉井節段而形成。

新型鋼沉井支護體系由3節鋼沉井焊接而成，每一節鋼沉井由4塊矩形鋼板焊接而成。在沉井下沉過程中，為了易于切土下沉，第1節鋼沉井為帶鋼角刃的鋼沉井。同時，在鋼板上布置橫豎2個方向的工字鋼進行箱體加固。其中，橫向采用22b#工字鋼進行支護，豎向采用12b#工字鋼進行支護，四角采用12b#工字鋼打斜撐。

基坑中間支撐采用由100 mm×80 mm×3 mm方鋼焊接成的十字形桁架，以此使所有構件形成一個剛性整體，進而使沉井在土層中起到更好的支護作用，如圖2、圖3所示。

圖2 鋼沉井平面布置

圖3 鋼沉井立面布置

2.2 土壓力計算

為驗證該鋼沉井支護體系在工藝原理上的可行性，須確保沉井的應力滿足規范要求。同時，為保障沉井下沉順利，還須克服井壁與土體間的摩擦力、地層對刃角的阻力及地下水的浮力。為此，進行以下相關計算。

根據巖土勘察報告可知，該工程的土質分布如圖4所示。在圖4中，γ表示土的重度（kN/m3），c為土的黏聚力（kPa），φ為土的內摩擦角（°）。

圖4 基坑土質示意

根據本工程的實際情況，該工程所采用的鋼沉井適用于主動土壓力，由圖4中各類土質的參數和相應的土壓力計算公式，進一步得到基坑土壓力的分布如圖5所示。

圖5 基坑土壓力分布

2.3 鋼沉井承載力計算

基坑底處鋼板高度為2 200 mm，在鋼板的高度方向自上而下水平布置4根22b#工字鋼（圖6），由圖6知，第3根和第4根工字鋼所承擔的荷載比較大，故需計算這2根工字鋼上的荷載大小（圖7）。

圖6 工字鋼布置

根據圖7計算可得，第3根工字鋼上所受的荷載為26.60 kN/m，第4根工字鋼上所受的荷載為26.91 kN/m。故僅需計算第4根工字鋼的受力是否滿足規范要求。

本工程工字鋼的連接方式為剛接，支撐連接方式為鉸接，斜撐長度為1 050 mm。分別在鋼沉井的3個方向布置均布荷載，荷載取值為26.91 kN/m，簡化模型如圖8所示。

圖8 模型受力示意

采用PKPM軟件按照圖8模型的受力方式進行力學計算。由計算結果可知，構件最大彎矩為41.8 kN·m。在不考慮有利因素的情況下，可以求得22b#工字鋼的應力為155 N/mm2。根據GB 50017—2003《鋼結構設計規范》，構件應力小于215 N/mm2，滿足規范要求。因該結構其他部位所受土壓力荷載均小于26.91 kN/m，故均滿足要求。

2.4 鋼沉井提升力計算

鋼沉井提升所需的提升力可通過計算或經驗確定，本工程通過計算來確定。在鋼沉井提升過程中，所需的提升力T主要是為了克服沉井的自重Q和井壁與周邊土體間的摩阻力F。其中，F的計算公式如下：

當T＞F＋Q時，沉井就能被提升出，進而可以重復利用。通過計算，所需提升力約為1 920 kN。

3 施工技術

3.1 工藝流程

新型鋼沉井支護體系的工藝流程如下：測量放線→確定基坑和鋼沉井尺寸→沉井節段制作→基坑開挖→下沉沉井節段→基坑繼續開挖和下沉沉井節段至設計深度→豎向支撐工字鋼焊接→頂部水平桁架十字撐連接→沉井頂管位置開孔→頂管施工→沉井拔出。

3.2 操作要點

3.2.1 沉井節段制作

根據現場情況，沉井節段可以在現場制作或者在工廠預制之后拉至施工現場。制作第1節沉井時，布置4根水平工字鋼橫梁，中間層沉井布置3根水平工字鋼橫梁，最上層沉井布置2根水平工字鋼橫梁，如圖9所示。每一節最上面一根工字鋼應將其一側翼緣與本節側壁板焊接，另一側翼緣預留與上一節側壁板焊接。

水平方向2根交叉的22b#工字鋼焊接時，應當先將工字鋼切成45°的角度，使得2根工字鋼能夠緊密拼接到一起，然后采用對焊工藝將2個工字鋼的腹板和翼緣焊接到一起，2根工字鋼形成的陰角處，采用200 mm×200 mm×12 mm的三角板作為加腋板，滿焊到工字鋼上，焊縫高度為6 mm，以增加工字鋼轉角處的約束作用。

角部水平斜撐采用22b#工字鋼，工字鋼兩端切成45°的角度，將兩端焊接到水平工字鋼的翼緣上，斜撐支撐長度為2.0 m，焊縫高度為6 mm，如圖10所示。

在洞口處用槽鋼圍焊成一個方框，用于對洞口部位進行加強，采用間隔焊的方式，槽鋼位置距圓形管道外邊緣50 mm。方框位置采用槽鋼作為支撐，如圖11所示。

3.2.2 基坑開挖

采用大型反鏟挖掘機沿基坑邊線進行基坑開挖，開挖時注意坑壁要垂直開挖。開挖至2 m深后停止開挖。

圖9 沉井節段制作

圖10 斜撐、三角加腋板與水平工字鋼的連接示意

圖11 洞口支撐示意

3.2.3 下沉沉井節段

將制作好的第1節沉井用吊車平穩吊至基坑之內，然后將第2節沉井對準第1節沉井，對齊后將兩節側壁板焊接起來，并將第1節沉井最上面預留的水平向工字鋼翼緣與第2節沉井側壁板焊接連接，如圖12所示。

圖12 第1節沉井和第2節沉井對接

3.2.4 基坑繼續開挖和下沉沉井節段至設計深度

第1 節沉井和第2 節沉井焊接好后，將小型反鏟挖掘機用吊車吊入基坑之內，通過小挖掘機在基坑內部挖土，所挖的土使用吊斗吊出，如圖13 所示。然后依次連接第2節與第3 節沉井，直至基坑開挖至設計標高，沉井節段全部沉入基坑之內，如圖14 所示。

圖13 沉井內挖土

圖14 最上層沉井吊裝

3.2.5 豎向支撐工字鋼焊接

豎向梁采用12#工字鋼并與水平工字鋼連接，形成對鋼板的支撐，增加對鋼板的支撐作用。在沉井短邊、長邊方向各布置3根12#工字鋼。沉井長邊方向有頂管管道，布置的工字鋼應當避開頂管管道，如圖15所示。每塊板后面的豎向12#工字鋼與上一段工字鋼在腹板處用螺栓連接，如圖16所示。螺栓連接具有連接速度快、易安裝、易拆卸的特點。

圖15 支撐立面布置

圖16 豎向工字鋼連接節點制作

3.2.6 頂部水平桁架十字撐連接

水平十字支撐采用200 mm×100 mm×4 mm的方鋼制作，在鋼沉井的上方和下方均有布置，如圖17所示。與頂管方向相交的支撐在上，兩邊與最中間的工字鋼豎梁連接；與頂管方向平行的支撐在下，兩邊與最中間的工字鋼豎梁連接。

3.2.7 沉井頂管位置開孔及頂管施工

拆除沉井頂管位置的圓形鋼板，安裝頂管設備，將管道分段吊至沉井中，按照頂管施工工序依次施工，如圖18所示。

3.2.8 沉井拔出

鋼沉井拔出時，所安裝的管道會影響沉井的提升，因此，需將管道下方的鋼板和水平工字鋼予以拆除。拆除時應特別注意，鋼沉井上所布置的水平桁架支撐是最重要的措施，應當焊接牢固。

本工程采用振動錘和吊車拔出沉井，其提升力滿足沉井提升所需的提升力要求：利用振動錘產生的強迫振動，擾動土質，破壞沉井周圍土的黏聚力以克服拔出阻力，依靠附加起吊力的作用將沉井拔出，周轉應用于下一個頂管施工。

圖17 水平十字支撐桿平面布置

4 結語

通過新型鋼沉井支護體系在渭南供熱管網工程中的成功應用，可得出以下結論：

該體系每節沉井在每次取土后可依靠自重下沉。若下沉深度過大，僅依靠沉井自重不能下沉時，可通過千斤頂施壓協助下沉，省去了打樁的施工步驟，施工便捷，節省施工時間。

該體系加設了橫梁、豎梁、加固梁，使其成為一個剛性整體，加強了支護體系的抗彎和抗壓能力，提高了支護體系的抗水平傾覆性能，有效地解決了基坑變形和塌方等問題。

該體系所用材料的60%～80%可以完整重復使用，具有極好的社會效益和經濟效益。

新型鋼沉井支護體系具有自重輕、安裝快速、施工難度低、作業效率高等優點，且可周轉使用，有效地降低了施工成本，值得在基坑支護作業領域中大力推廣。