市政結構頂管工程沉井結構設計研究

楊松 李鐵軍

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司， 湖北 武漢 430000）

在市政工程施工過程中， 沉井結構本身埋深大，綜合性能較好， 再加上承載面積較大的特點， 可承受更多外力， 并可有效降低施工成本， 提高施工效率。由于城市道路的復雜性， 實際市政建設中不能采用開挖技術。 頂管施工技術因其獨特的優點， 在實際施工過程中被廣泛采用， 而沉井作為頂管工程的工作井，在頂管工程中被廣泛采用。 本文主要通過對我國有關沉井工程設計實例的深入分析， 探討和深入研究我國市政主體結構深水頂管建設工程深水沉井總體結構設計。

1 市政結構頂管工程中的沉井結構特點

在頂管施工過程中， 應設置工作井的操作空間，以保證頂管工程的安全實施， 工作井本身就是一種臨時設施， 沉井因施工周期短、 成本低而被廣泛應用于市政工程。 沉井是頂管工程中應用比較廣泛的一種頂管施工井。 普通市政結構頂管在設計過程中， 由于沉井本身要求剛度和深度較大， 因此在整體上具有整體埋設的前提下， 整體結構埋的深， 因此很容易設計出結構內力過大從而增加井壁厚度的沉井。 為此， 設計人員應根據國內的實際情況， 根據國內有關標準進行結構優化設計。

2 市政頂管工程沉井結構設計要點

2.1 沉井的井壁壁厚設計

由于沉井在下沉作業過程中主要是根據閉合質量的整體情況來進行的， 如果在設計時其重量不足以滿足沉沒要求， 就會出現各種問題。 所以設計者需要利用外力來增加重量， 以保證沉陷作業的正常進行。

2.2 標高設計

針對大型市政管道頂管排水工程井壁沉井基層結構的實際應用特點， 在長期進行頂管沉井結構的設計研究過程中， 也要綜合考慮各種施工要求， 從而保證沉井在整體施工過程中的安全性和穩定性。

2.3 進行平面尺寸的設計

平面尺寸的設計整個沉井工程結構設計過程中的一個重要環節， 其結構設計平整水平直接關系影響整個沉井工程建設的施工效率、 可靠性和工程安全性。在大型市政建筑頂管建設工程中， 沉降井的結構設計中還必須詳細確定每個沉井的總深度平面尺寸和最終進水深度。

3 頂管井結構方案

頂管井作為一種臨時性給水設施， 其整體構造及技術應用施工過程中會根據實際井下地質條件情況、地下固體水位、 施工現場條件等， 有不同的整體結構設計。 當前正在工程建設下水過程中， 出現了許許多種類型的頂管井型。 為此， 作者特別作了一些相關研究總結， 具體內容簡述如下。

3.1 沉井結構

在建筑施工使用過程中， 其沉井結構整體剛度大， 整體性好。 另外， 在沉井工程施工進水過程中，如果深水沉井主體結構進水深度較大， 通常需要通過內撐來促進收縮內力， 從而促進構造厚度的減小， 促進工程施工質量的提高。 另外， 設計者在借助該結構進行相關作業時， 還需加強對流砂、 涌水等地質條件的分析。

3.2 地下連續墻

地下連續墻作為一種平面墻體構件， 在實際使用裝修過程中經常可能會遇到出現室內空間整體性差、墻體基層變形、 裂縫和墻體滲漏等各種問題。 據此， 有關技術人員在設計使用本項目設計方案時， 可通過預計設定支撐平面梁或環向加勁梁或環向內撐，以有效促進整體結構穩定， 促進設計相關經濟效益的切實取得。

3.3 排樁結構

當前， 施工作業隊伍在設計進行建筑頂管排樁井面的設計排樁施工結構作業時， 遇到頂管排樁井面不規則或頂管深度較大的特殊情況， 將應當優先考慮采用頂管排樁施工結構。 為進一步有效推動建筑工程質量的不斷提高及工程相關經濟效益的得到實現， 施工工程設計管理人員還必需及時加強對旋轉吊噴、 擺動浮噴等各種止滲排水保護設施的合理設置， 有效率地避免因工程存在大量地下水而可能產生的重大施工安全問題。

3.4 鋼板樁設計

由于其結構強度高、 施工快、 成本低等幾大特點， 在水下工程建設設計過程中已經得到了廣泛的實際應用， 但這種凝土結構的施工設計在實際應用建設過程中會同時受到水下地質氣候條件和地下河流水位等多種因素的嚴重影響。 針對這一實際情況， 施工作業隊伍在需要借助這項專業技術設備進行建筑相關施工作業時， 經常都會需要將高層鋼板下水打進水層，以有效防止鋼板低下水對建筑工程運行質量的直接影響。 另外， 在企業借助該排水結構設施進行地下相關維護操作的施工過程中， 若不能有效避免大量地下水的進入施工污染環境， 有關專業技術人員還可能需及時加強對地下泄水閥等設施的維護安裝， 以防止出現此問題。

4 沉井主體結構設計

工程是根據某沉井工程建設重點區的實際施工情況， 技術人員設計采用市政沉井主體結構頂管進行基層市政沉井結構頂管設計施工。 就是鋼沉井在實際工程施工工藝過程設計中的主體結構設計， 作者作了相關總結， 具體內容如下。

4.1 沉井壁厚的設計

一般而言， 在設計進行沉井壁厚度的設計時， 施工人員往往需要根據沉井工程建設的主體沉陷結構狀況、 抗滲抗蝕性能提高要求、 抗浮性能要求等多種因素， 合理抉擇選用。 為此， 筆者對其進行了以下相關問題分析， 具體內容概述如下： 首先考慮沉井需要的裝卸過程， 一般來說是通過借助裝卸沉井自身的巨大重量力來實施沉井下沉裝卸作業。 但在實際沉井施工中， 管網沉井仍然存在著井體重量支撐不足的嚴重問題。 因此這就需要建筑設計師及時借助各種外力作用來進行加重， 從而有效促進墻體沉陷處理作業的有效順利開展。

4.2 沉井施工的方法

沉井場地施工綜合作業中， 施工人員經常認為需要根據沉井工程實際使用情況， 對不同工程沉井場地的自然水文、 地質條件情況對其進行各種綜合優化分析， 從而可以實現對不同沉井場地施工作業方法的綜合優化進行選擇。 現在， 沉井工程施工最常用的沉井方法主要有兩種， 即排水式的沉井法和不銹鋼排水式的沉井施工法。 通常， 水下混凝排水層預沉法主要是被應用于一種滲水量較小、 性質性能比較穩定的硬質粘性混凝土或用于滲水下降速度較快的硬質砂礫性土層中。 在實際工程應用施工過程中， 排水沉法又因為可根據實際工程施工使用情況， 可分為水中自動和采用直沖排水下沉兩種。 一般而言， 在建筑沉井朝向下沉施工作業中， 施工人員經常按照要求開挖30 ～40cm的圓形土方， 從整個沉井中間向四周對稱方向取土， 使整個沉井均勻地朝向下沉。 另外， 挖出的混凝土方一定要及時堆放在距離沉井10m遠處， 減少沉井外界對高層沉井混凝土層的侵蝕壓力， 促進沉井工程施工提高質量。

頂管工程中， 沉井原理主要是根據沉井本身的重量來實現沉井， 所以在設計中， 如果井壁太厚， 沉井的自重就會過輕， 不可能單靠沉井本身的重量， 必須完成所有的下沉操作， 如果井壁太厚， 那么在保證其自身重量的同時， 施工成本也會上升， 所以在施工過程中， 如果井壁太厚， 就無法只靠自身的重量來完成下沉作業。 在頂式沉井工程中， 設計工作人員一般需根據頂管工程實際設計情況及時進行整體設計， 參照周圍水文、 地質勘查條件， 因頂管工程周圍沉井水位高度為10m， 在進行設計時， 應將其中沉井頂結構標高高度設為10.50m， 并同時參照周圍水文、 地質勘查條件， 設計時間還應將工程沉井頂管結構的頂高高度設為10.50m。 鑒于前期工程中采用的方式是一種圓形沉井并排水標高下沉施工方式， 在進行取井施工時應盡量保證沉井污水的安全存在， 同時圓形沉井時由于井外的一定土壤含水荷載量也會對其產生一定的不良影響， 工作人員將圓形沉井污水沉至工程設計的排水標高時， 可對沉井進行干封底處理， 使其達到標準要求。 沉井要地面的整體標高誤差進行準確設計，在頂管沉井工程施工中， 應先初步確定各處的標高，然后逐步確定其整體抗沖擊的強度誤差值， 使之與其它施工部位標高相結合， 以利于確保整個沉井主體結構構件具有良好的整體抗應力滑移沖擊性能和強的抗應力傾覆沖擊能力， 并在沉井施工中首先確定所有必需的整體標高誤差值， 沉井頂管結構主體強度、 抗壓應力性能等密切相關， 應對沉井結構頂管平面主體尺寸設計進行綜合設計， 為實施市政主體結構沉井頂管建設工程中的沉井主體結構設計施工提供各種有利條件。 根據沉井相應的技術要求， 設計操作人員在進行設計時， 應嚴格保證整個沉井水平結構的基下沉陷的深度不得超過10m， 沉井水平結構的基層水平主體位移深度不得大于100mm， 沉井的主體沉陷結構深度一定要不得大于沉井水平結構位移的1%。

5 結語

在頂管市政工程中， 沉井主體結構設計是一種臨時主體結構， 具有設計施工方便、 成本低、 影響小等特點， 可為市政工程建設管理提供方便， 為了保證使頂管沉井工程中的沉井主體結構設計能夠符合實際工程要求， 加強總體設計保證效果， 對頂管沉井主體結構設計進行全面設計分析， 合理地設計進行頂管沉井主體結構設計。 工業沉井主體結構設計中， 應充分結合沉井工程實際設計情況合理確定城市沉井的主體井壁基層厚度， 對城市沉井主體結構厚度進行詳細的厚度計算， 確保城市沉井主體結構厚度計算的可靠正確性， 通過有效的結構設計可有效加強城市沉井主體結構的性能穩定性， 使城市沉井主體結構能夠發揮有效的保護作用。