市政結(jié)構(gòu)頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

摘? 要：在市政結(jié)構(gòu)頂管工程中，沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要根據(jù)實際情況進(jìn)行，在設(shè)計中，為了保證設(shè)計符合要求，應(yīng)對沉井的特點以及工程要求合理設(shè)計，控制好各項參數(shù)，加強沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計效果。本文對市政頂管工程沉井結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了闡述，結(jié)合某市政結(jié)構(gòu)頂管工程分析市政結(jié)構(gòu)頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容，包括沉井井壁厚度設(shè)計，標(biāo)高設(shè)計，平面尺寸設(shè)計，頂力計算，環(huán)向計算，豎向抗拉計算等。通過對頂管工程沉井結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，為頂管井的設(shè)計提供更好的條件，加強工程的建設(shè)效果，使市政工程的整體質(zhì)量得到提升。

關(guān)鍵詞：市政頂管工程;沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計;標(biāo)高設(shè)計

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

0 引言

在城市建設(shè)的快速發(fā)展背景下，市政工程建設(shè)規(guī)模越來越大，在建設(shè)中為了滿足城市各系統(tǒng)的運行，需要設(shè)置大量的管道，由于城市路面情況復(fù)雜，市政工程管道建設(shè)過程中一般使用非開挖技術(shù)進(jìn)行施工，進(jìn)而避免影響管道建設(shè)效果。采用頂管技術(shù)進(jìn)行施工具有眾多優(yōu)勢，如對環(huán)境的影響小等。沉井設(shè)計是頂管工程的重要部分，在設(shè)計中應(yīng)考慮工程實際情況，使設(shè)計能夠起到更好的效果，保證工程的施工質(zhì)量。

1 市政頂管工程沉井結(jié)構(gòu)方案

頂管井屬于一種臨時設(shè)施，在市政工程施工中，應(yīng)結(jié)合工程的地質(zhì)特點以及條件等進(jìn)行設(shè)計，保證設(shè)計效果。在市政工程頂管井結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，在頂管工程中這種結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，施工過程中沉井結(jié)構(gòu)的深度比較大，為了降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力，縮小厚度，加強工程的施工效果，應(yīng)利用內(nèi)撐的方式進(jìn)行施工。另外，在設(shè)計沉井結(jié)構(gòu)的時候，人員應(yīng)對地質(zhì)情況有全面了解，包括涌水等現(xiàn)象。

第二種為地下連續(xù)墻，這種結(jié)構(gòu)是平面構(gòu)件，在應(yīng)用中常見的問題有墻體變形、裂縫、滲漏等，要求在設(shè)計的時候，應(yīng)利用內(nèi)撐來加強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，使地下連續(xù)墻能夠發(fā)揮出有效的作用。通常地下連續(xù)墻設(shè)置在深度較大的頂管井之中。

第三種為排樁結(jié)構(gòu)，當(dāng)前在設(shè)計頂管井的時候，當(dāng)頂管的井面存在不規(guī)則的現(xiàn)象或者深度比較大的時候，需要利用排樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計中為了加強設(shè)計質(zhì)量，人員應(yīng)合理設(shè)置止水設(shè)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(shè)質(zhì)量，使施工的進(jìn)度加快。

第四種為鋼板樁結(jié)構(gòu)，鋼板樁在施工中應(yīng)用便捷，強度大，頂管工程施工中被普遍應(yīng)用。但是使用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，會受到地質(zhì)條件以及地下水位影響。進(jìn)行設(shè)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(zhì)量帶來影響。同時，在設(shè)計鋼板樁的時候，要想減少地下水對環(huán)境造成的影響，需要采用止水設(shè)施，通過合理設(shè)置止水設(shè)施使施工達(dá)到要求。

2 工程概況

為了研究市政結(jié)構(gòu)頂管工程的沉井結(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)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(zhì)的規(guī)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(yīng)位置上預(yù)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(fā)達(dá)因素的影響。同時，在工程的施工區(qū)域中，土質(zhì)呈現(xiàn)為淤泥特點，其中含水量較高，穩(wěn)定性比較弱。在施工中為了使市政結(jié)構(gòu)頂管工程的質(zhì)量提升，加強其穩(wěn)定性，使工程的建設(shè)能夠符合最終要求，人員對其進(jìn)行了勘查和分析，經(jīng)過討論之后確定在該市政結(jié)構(gòu)頂管工程之中使用沉井結(jié)構(gòu)，使頂管工程順利完成。

3 市政結(jié)構(gòu)頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容

3.1 沉井井壁厚度設(shè)計

在市政結(jié)構(gòu)頂管工程中，借助沉井的自重使其下沉可以達(dá)到目的，當(dāng)沉井的井壁比較薄的時候，會使沉井產(chǎn)生自重過輕的現(xiàn)象，這個時候只靠自重難以完成施工;當(dāng)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(dǎo)致施工資源浪費。因此應(yīng)對沉井的井壁進(jìn)行合理設(shè)計，保證沉井下沉的穩(wěn)定性，使沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計的效果加強。根據(jù)要求分析，沉井下沉的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)在0.80～0.90范圍內(nèi)，應(yīng)注意在沉井結(jié)構(gòu)水位比較高的時候，需要使井體系數(shù)不小于1。工程設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)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(jìn)行排水下沉處理。在保證井中污水的情況下進(jìn)行取土，同時應(yīng)對沉井的壁厚進(jìn)行計算，檢驗其是否滿足要求，可結(jié)合沉井下沉與穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)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(shù)，Kst，s表示沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)，Glk代表沉井結(jié)構(gòu)自重，F(xiàn)fw，k代表浮托力，F(xiàn)fk表示的是井壁的摩擦阻力標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行作業(yè)，結(jié)合沉井的情況以及相應(yīng)的參數(shù)，可以得到沉井結(jié)構(gòu)的自重為16809kN，浮托力為0。其中，Rb取值為500 kPa，結(jié)合計算的結(jié)果可以得出沉井的下沉系數(shù)大于1.05，穩(wěn)定系數(shù)為0.80，都符合實際的規(guī)定。因此，經(jīng)過檢驗可以得到井壁的厚度設(shè)置為0.90m，符合工程的需求。

3.2 標(biāo)高設(shè)計

在標(biāo)高設(shè)計中，需要結(jié)合頂管工程沉井結(jié)構(gòu)的情況來設(shè)計沉井井頂標(biāo)高，考慮到結(jié)構(gòu)的安全性需求，應(yīng)保證沉井井頂?shù)脑O(shè)計標(biāo)高比頂管工程周圍水位高出0.50m，避免沉井結(jié)構(gòu)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(shè)計人員需要根據(jù)工程情況進(jìn)行設(shè)計，參考水文條件、地質(zhì)條件，由于工程周圍水位高度為10m，應(yīng)將沉井結(jié)構(gòu)井頂標(biāo)高設(shè)置為10.50m，在設(shè)計的時候，還應(yīng)確保地面低于沉井井頂標(biāo)高0.30m，使沉井結(jié)構(gòu)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(yīng)保證井中污水，同時在沉井的時候井外的水土荷載會產(chǎn)生一定的影響，工作人員將沉井下沉到設(shè)計的標(biāo)高的時候可進(jìn)行干封底處理，使其滿足施工標(biāo)準(zhǔn)。

其次，應(yīng)對刃腳踏面標(biāo)高進(jìn)行設(shè)計，在頂管工程施工中，人員應(yīng)經(jīng)過準(zhǔn)確計算之后明確標(biāo)高，將沉井結(jié)構(gòu)抗沖刷強度值計算出來，使其與其他部分的尺寸結(jié)合起來，確保沉井結(jié)構(gòu)有較好的抗滑移性能與抗傾覆性能，將沉井的刃腳踏面標(biāo)高值進(jìn)行估算，之后，人員應(yīng)結(jié)合國家對工程的要求，將標(biāo)高誤差預(yù)留出來，使施工能夠順利進(jìn)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(biāo)高進(jìn)行調(diào)節(jié)，使標(biāo)高的設(shè)計達(dá)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(biāo)高為1.40m，沉井的內(nèi)側(cè)傾角大于45°，因此符合工程的設(shè)計要求，可以采用該標(biāo)高。

3.3 平面尺寸設(shè)計

在市政結(jié)構(gòu)頂管工程中沉井結(jié)構(gòu)平面尺寸以及沉井結(jié)構(gòu)強度、抗壓性等有著緊密的聯(lián)系，應(yīng)對結(jié)構(gòu)平面尺寸進(jìn)行設(shè)計，為市政結(jié)構(gòu)頂管工程的沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有利的條件。在設(shè)計中，結(jié)合相應(yīng)要求，設(shè)計人員應(yīng)確保沉井結(jié)構(gòu)下沉的深度不超出10m，沉井結(jié)構(gòu)的水平位移應(yīng)小于100mm，并且沉井的下沉深度應(yīng)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(jié)構(gòu)頂管工程中通常人員使用的是專業(yè)的工作井頂管設(shè)備，使管道的頂進(jìn)作業(yè)順利完成，人員應(yīng)有效控制作業(yè)頂力，當(dāng)在沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，頂管機頂力與要求的理論值相比應(yīng)大于理論值，工作人員還應(yīng)結(jié)合實際的情況對管道的頂進(jìn)阻力進(jìn)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(jìn)的長度，Ptk表示的是頂管頂力，Nf表示的是頂進(jìn)阻力，f代表的為摩阻力均值。可將相關(guān)的參數(shù)代入到公式中，經(jīng)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(huán)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(yīng)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(dāng)頂管工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用的圓形沉井的規(guī)模較小的時候，可以采用磚砌體或者混凝土材質(zhì)的沉井結(jié)構(gòu)。當(dāng)工程中需要使用規(guī)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(chǎn)生受壓不均勻的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況是由于大規(guī)模沉井的直徑比較大，同時沉井周圍的土質(zhì)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(shè)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(dāng)?shù)默F(xiàn)象，會使沉井下沉出現(xiàn)傾斜，影響了下沉施工的效果，這種問題會使沉井傾斜兩側(cè)產(chǎn)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(shè)計的時候頂管工程中人員進(jìn)行環(huán)向計算大部分會采用假設(shè)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(jié)合該工程的實際情況，在設(shè)計中利用這種方式需要考慮帶沉井的實際大小，當(dāng)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(nèi)摩擦角的差值設(shè)置為最小值5;當(dāng)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(shè)置為10，能夠滿足設(shè)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(zhǔn)確性，為沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計提供保障。考慮到該工程的施工區(qū)域大部分土質(zhì)為淤泥，同時含水量多，穩(wěn)定性弱，需要根據(jù)國家對工程的要求進(jìn)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(dāng)沉井位于軟土質(zhì)區(qū)域的時候，沉井下沉系數(shù)應(yīng)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(chǎn)生沉井豎向拉斷的情況。當(dāng)沉井的下沉系數(shù)小于1.50的時候，人員應(yīng)對沉井豎向抗拉進(jìn)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(shè)計數(shù)值，As代表的是受壓鋼筋的面積。

3.7 穩(wěn)定性檢算

結(jié)合國家的規(guī)定進(jìn)行分析，在頂管工程中沉井土體受到了頂力的影響，應(yīng)使其穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)值，Epk表示的是被動土的壓力標(biāo)準(zhǔn)值，ξ代表的是折減系數(shù)。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(shù)定位0.70，計算井壁后背土體頂力標(biāo)準(zhǔn)值的時候，應(yīng)采用以下公式進(jìn)行計算：

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

4 結(jié)語

沉井結(jié)構(gòu)在市政工程中作為一種臨時結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)設(shè)計符合實際要求，加強設(shè)計效果，應(yīng)對工程進(jìn)行全面分析，合理進(jìn)行沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計。在市政頂管工程沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合工程的實際情況來確定沉井的井壁厚度，對沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)計算，保證計算的準(zhǔn)確性，通過有效的設(shè)計可加強沉井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使沉井結(jié)構(gòu)發(fā)揮出有效的作用，提升市政結(jié)構(gòu)頂管工程的水平，為工程建設(shè)帶來有效保障，進(jìn)而促進(jìn)市政工程建設(shè)的快速發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)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