頂管工程沉井結構設計研究

葉灝桁，王瑋鋮

（1.廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000；2.長安大學，陜西 西安 710061）

0 引言

沉井結構作為頂管井具有成本較低、施工期短、整體性良好、受力性較好等優勢，但同時也很容易出現沉井壁厚過大、結構內力過大等問題。為盡可能提升市政結構頂管工程沉井結構設計水平，本文將圍繞該課題開展具體研究。

1 工程概況

以廣州某地污水管道工程作為研究對象，工程計劃敷設新建污水管道DN1350~DN1500，需結合規劃道路和現狀道路進行設計。案例工程除一小部分管段采用開挖施工方式，其余均使用頂管施工方式。在對比逆作法工法與沉井工法后，結合管線埋設深度、土質、現狀管線數量、周圍建筑物遠近等因素，綜合考慮，本工程采用沉井工法。在具體的工作井設置中，受地質因素影響，工作井存在較高施工難度，因此工作井數量需要頂管頂進的前提下盡量減少，優化頂管井線路布置，確保工作井能夠向兩個方向（左、右）頂進，提高使用效率。工作井采用現澆鋼筋混凝土結構，基于沉井法進行施工。在設置接收井的過程中，保證接收井內尺寸滿足接收頂管機頭起吊需求，接收井采用現澆鋼筋混凝土結構，基于沉井法進行施工。

2 沉井結構設計

為深入探討市政結構頂管工程沉井結構設計，結合案例中污水管道頂管工程，本節圍繞頂管工程沉井結構的設計思路、井壁厚度設計、標高設計、平面尺寸設計、頂力計算、豎向抗拉計算、穩定性檢算等開展深入探討。

2.1 設計思路

案例中沉井結構設計主要從兩方面作為切入點：①參數控制。從設計角度分析可以發現，根據現有標準為沉井設計結構參數依據，具體分析主要關注沉井結構設計及下沉穩定設計。在沉井結構設計方面，施工中需保證完成尺寸與標準尺寸偏差在20mm以內，同時井壁厚度不得大于-5mm、+8mm的偏差，實際建設完成的保護層與設計保護層的偏差需小于±5mm。對于沉井下沉，位置控制屬于參數要求核心，下沉后位移值與下沉深度間比值小于1%，相較于設計標高，井刃腳平均標高與其的偏差需小于±5mm；②因地制宜。受施工條件復雜等因素影響，在做好參數控制的同時，還需要充分結合實際施工條件，以便分析和把控重點因素。案例工程中頂管工程作業位于廣州市區內進行，因此頂管工程沉井結構設計需充分結合地下管道分布情況，周邊管線情況較為復雜，存在供水、電力、燃氣等管線，需科學控制下沉參數并優化沉井制作，為提升作業精度還需要進一步加強參數偏差控制。考慮到降水環境可能帶來的水土流失破壞等問題，設計過程需做好力學參數分析，位移可能性、周圍土體形變也需要得到考慮，以此保證設計安全性[1-2]。

2.2 井壁厚度設計

對于案例污水管道工程的頂管工程來說，沉井需要基于自重實現下沉，如存在較薄的沉井井壁，自重過輕的沉井將導致下沉作業無法有效完成，過厚的沉井井壁則會導致資源浪費與成本增加。因此，沉井壁厚的合理設計尤為關鍵，設計需保證沉井存在較高的抗浮性能和下沉穩定性。基于現行規范及標準要求，需保證存在0.8～0.9區間的沉井下沉穩定系數，如存在較高沉井結構水位，需保證存在最小為1.0的井體抗浮系數。結合實際情況，案例工程采用深度9.33m、壁厚500mm的工作井，內徑為9.0m，屬于典型的圓形沉井，采用不排水下沉作業。取土作業為井內帶水作業，為判斷沉井壁厚設計值合理性，需準確計算沉井下沉及穩定系數。結合具體計算可以確定，案例工程工作井存在超過1.05的下沉系數，同時存在達到0.8的下沉穩定系數，均符合規范及規程要求，因此可證明500mm沉井井壁設計厚度是合理的。

2.3 標高設計

在井頂設計標高設計過程中，需結合案例污水管道工程沉井結構實際特點，結合結構安全需要，需存在高出市政頂管工程周圍水位0.5m以上的沉井井頂設計標高，保證終沉后的沉井結構不會流入大量地面水。具體設計需立足地質、水文條件，可確定工程周圍水位為8.33m，因此沉井結構井頂標高設計為8.83m。設計還需要保證沉井井頂標高相較于地面高出0.3m，以此保證頂管過程中地表水不倒灌進沉井內。具體施工采用不排水下沉，水下混凝土封底的方式，因本工程地下水位較高，且臨近珠江邊，常水位較高，若采用排水下沉，抽水過程中會導致周邊水土流失過大，容易引起路面沉降，故采用不排水下沉施工方式。

2.4 頂力計算

頂管設計中，需進行頂力計算，確保頂管過程中沉井能提供足夠反力。在施工中，管道頂進操作專項頂管施工隊伍負責施工，施工過程中需采用液壓千斤頂作為頂進裝置，頂進裝置所能提供的最大頂力需大于頂管頂力。若頂管頂力過大或管線頂進長度過長，則需增加中繼間以保證頂管順利頂進。本案例中，頂管頂進長度約為100~120m，屬于正常頂進長度范圍。可按下列公式計算頂力：

式中：L、D、Nf、Ptk、f分別代表頂進長度、管徑、頂進阻力、頂管頂力、摩阻力均值。其中，頂管過程中會采用膨潤土觸變泥漿作為管壁減摩阻力施工措施，根據案例工程地質的相關數據，可得到該頂管頂力值約為3664kN，沉井工作井要求最大頂力不大于4000kN滿足使用要求。

2.5 豎向抗拉計算

施工階段中沉井井壁可能出現抗拉情況，故設計過程中應分情況對其進行考慮。根據沉井規程[4]要求，土質為硬土且沉井下沉系數接近1.05時，應進行沉井豎向抗拉計算，若下沉系數在1.5以上及土質均勻的軟土地基則不需要進行計算，這種情況下沉井豎向拉斷問題不會產生。在豎向抗拉計算環節，可采用以下公式：

式中：Nmax、Nd分別代表沉井井壁豎向拉斷力最大值、沉井截面抗拉承載力；fsd、As分別代表鋼筋的抗拉設計值及鋼筋面積。

案例污水管道工程地質處于淤泥質土及粉細砂層，含水量大，穩定性較差，結合現行規范要求，復核井壁豎向抗拉計算，經復核，井壁配筋滿足抗拉要求。

2.6 穩定性檢算

對于市政結構頂管工程來說，頂力作用會對沉井土體帶來影響，結合相關規定，需做好工作井后土體的穩定性驗算，保證土體不發生失穩，可采用下列公式：

式中：Epk、Eak、ξ分別代表沉井底部被動土的壓力標準值、沉井底部主動土的壓力標準值、折減系數。

結合案例頂管工程沉井底部被動土與主動土的壓力標準值，在公式中帶入數據，可確定沉井的井壁后背土體頂力標準值，經計算為9892kN，大于頂管頂力，滿足規范要求。

2.7 具體設計

圖1為工作井平面設計示意圖，該工作井的抗滲等級、混凝土強度等級分別為P6、C30，采用HPB300、HRB400級別的鋼筋，井壁、底板的鋼筋保護層厚度分別為35mm、40mm。需結合管底標高推算工作井底標高，工作井存設計年限為1年。工作井要求地基承載力特征值不小于100kPa，嚴禁人工頂管，按機械頂管考慮。在沉井結構下沉環節，需保證混凝土強度為100%，相較于井外水位，需保證井內水位高出1m以上，采用不排水下沉。減摩措施需要在必要時結合地段地質實際針對性選用。具體施工順序為：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。施工單位應做好工作井尺寸校準，并保證頂管環節的最大頂力處于工作井和管材允許最大頂力內，工作井允許最大頂力不大于4000kN。淤泥不得在井周圍堆放，同時需做好臨時維護措施設置，為滿足與沉井底板連接需要，應預留雙層φ20@200插筋于頂管工作井壁板凹槽內。同時在沉井周邊設置一圈直徑500mm，間距350mm旋噴樁，以便減少因沉井過程中造成局部水土流失給周邊建筑及道路造成的影響。

圖1 工作井平面設計

3 結論

綜上所述，市政結構頂管工程沉井結構設計需關注多方面因素影響。本文通過對沉井案例分析，提供沉井結構設計思路及方法。其中需注意沉井設計中頂力計算，下沉穩定性計算及工作井土體穩定性計算等要點，為今后沉井結構設計提供更好的設計思路及方案。同時設計過程中需重視結合實際地質、周邊環境等情況，確保沉井設計能在該區域切實可行。