市政頂管工程沉井結構設計要點及應用分析

梁峰

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060）

1 市政頂管工程沉井結構方案

在開展市政頂管工程項目建設的過程中，相關施工團隊必須要提前建立頂管井，以此來推進后續的頂管施工工作順利開展。所以，為了保障頂管井設施施工工作的完整性以及設計質量，相關技術人員在設計階段當中，就要結合工程項目建設區域的實際情況，施工調節計劃，工程項目建設要求，科學合理的設計工程結構方案，以此來充分發揮工程設計結構的應有作用。目前，我國較為常見的頂管井結構設計類型主要分為4種。（1）沉井結構。采用沉井結構開展頂管施工工作，其結構總體強度更高。在實際頂管施工工作開始之后，由于沉井結構具備較大的地面深度，所以為了降低沉井結構內部的應力作用，相關工作人員要減少一部分沉井結構的厚度，為其提供內撐防護，從而大大提高頂管工程的質量水平和穩定性。除此之外，設計人員還要結合流沙涌水等地質狀況產生的不利影響。（2）地下連續墻結構。從形式上來看，采用地下連續墻開展頂管工程，其沉井形態會保持平面結構，總體占地面積較小，有效避免水體的持續滲漏。但相對地下連續墻結構的剛性較差，在實際頂管施工開展的過程中，會出現墻體變形或者空間不夠等問題。為此，相關工作人員需要為地下連續墻結構規劃支護裝置，提高地下連續墻結構的總體穩固性。在深度較大的頂管工程施工過程中，地下連續墻沉井結構應用較為頻繁。（3）排樁結構。在實際沉井結構設計工作的過程中，如果技術人員發現沉井結構分布不夠規則或者沉井深度過大，那么工作人員就要選擇排樁結構完成頂管施工工作。在排樁結構設計和應用的過程中，技術人員要對其防水性能進行優化，避免沉井結構受到地下水的不利影響，從而對最終的工程項目施工質量造成不利損害。（4）鋼板樁。鋼板中的應用優勢較為明顯，其自身的結構強度往往較大，并且施工過程極為便捷、成本支出能夠有效縮減，在各類頂管工程當中都具備極為良好的應用價值。在實際鋼板樁應用的過程中，其應用會受到工程地質條件和地下水等因素的影響，這就需要技術人員將鋼板樁打入到不透水層地質環境當中，還要為其規劃一套完整的避水設施，避免地下水位較低為工程項目質量帶來較大損害。

2 頂管工程中沉井結構設計思路

2.1 參數控制

在沉井結構設計工作開展的過程中，針對頂管工程沉井結構的設計參數要進行反復的規劃以及仔細的核查。具體來說，工作人員需要對沉井施工和下沉兩個施工步驟進行重點分析。在沉井施工過程中的參數控制，工作人員必須要保障施工完畢的尺寸和標準尺寸偏差不超過20mm，沉井壁厚度的偏差要小于8mm，為其設計的保護層與實際建設完畢的保護層偏差在5mm之內。而沉井下沉結構當中，參數控制重心要放在沉井位置的控制工作上，其位置水平差在下沉之后的位移量與下沉深度比例不得超過1%，井刃腳的平均標高和設計標高的偏差不得超出5mm。在正常狀況下，頂管工程沉井結構的施工參數必須要滿足標準的規范。

2.2 因地制宜把控重點

在我國各個地區當中，主體條件以及地下結構都存在較大的區別和特殊性，如果頂管施工工作選擇較為復雜的地質區域當中，相關工作人員不但要依照常規施工對沉井結構的設計參數進行有效把控，還要結合施工區域的地質條件特點，將各類影響因素融入其中。例如，市區內部的頂管施工工作，其沉井結構設計工作要結合地下管線的分布狀況。如果施工區域地下供水供氣管道較為密集，那么就要進一步提高沉井結構制作以及下沉參數的控制力度，嚴格控制期建設偏差，最大程度上提高施工精準度。如果施工地區的降水較為密集，那么其沉井施工就會受到降水的巨大侵害，這就需要從設計上對力學參數進行分析，強化周圍土體形變或者位移問題的考慮力度，以此來提高頂管施工工作的安全水平。

3 沉井結構的設計要點

（1）針對井壁壁厚的設計工作，在沉井下沉的階段當中，工作人員會結合緊密的實際重量做出下沉規劃，如果井壁壁厚設計工作嚴重忽視了沉井的重量需求，那么就會誘發各類質量問題的出現。其次，設計人員還要結合外力增加沉井的重量，使沉井能夠具備更高的運行穩定性。（2）對其標高進行設計優化。工作人員需要結合市政頂管工程沉井結構的各方面特點，在其井壁下沉標高設計的過程中，結合各方面施工需求的因素，保障沉井在整體施工過程中不會出現任何質量損害。（3）平面設計工作。沉井結構施工設計，需要對其平面尺寸進行合理規劃，平面尺寸的設計水平將直接關乎整個項目是否能夠高效順利的開展。而在頂管工程沉降結構的設計階段當中，也要根據沉降結構的最終深度，對沉井的平面尺寸作出合理規劃。

4 頂管工程中沉井結構設計方法

4.1 井壁厚度設計

開展頂管工程施工工作的過程中，相關設計人員首先要對沉井結構開展設計工作，尤其是井壁的厚度要做出全面的分析和規劃，制定出一套較為科學合理的參數標準。針對井壁厚度的設計工作，需要設計人員結合三方面因素，分別是沉井的下沉需求，穩定下沉需求以及抗浮需求。沉井在下沉的過程中需要克服巨大的摩擦力，當沉井開始下沉并達到指定下沉位置過程中的相應需求。而穩定下沉需求則是指下沉系數處于允許范圍內，不會再次出現突然下沉并且下沉狀況不會再次出現。部分沉井結構建設區域會受到周圍水體的影響，在此期間就會涉及到沉井結構的抗浮需求，當沉井井壁能夠依靠自身重量維持位置穩定的時刻就達到了沉井的抗浮需求。在上述三方面因素當中，下沉需求往往是最為重要的參考內容。設計人員可通過數學公式的方式進行合理計算，以S來代表下沉系數，從而獲取一套極具實用性的公式：S=(A-B）/C，且S不小于1.05式中，S代表下沉系數，A代表沉井的自重，B代表下沉過程中出現的動態托浮力（如水），C代表下沉的均勻阻力。正式的工程項目建設工作，工作人員便可將各類信息帶入到此公式當中，如果得出的S值小于1.05，那么工作人員便可得出，沉井結構的下沉系數較小，作業效率會持續降低。如果s值大于1.05，那么沉井結構在下沉的過程中就會出現速度過快的問題，顯現出周圍土體環境穩定性較差或者抗浮需求較差的情況。

4.2 井底設計標高

井底標高的設計工作需要設計人員結合市政頂管工程沉井結構的各類特點以及多方面需求，讓沉井體標高得到全方位的規劃。首先，出于安全方面因素的考慮，沉井底設計標高要比市政頂管工程水位高出半米，這就能讓沉井結構在到達最終沉降位置之后，地面當中的水流不會流入到沉井內部。例如，在我國以往的市政頂管工程建設工作過程中，相關設計人員結合了施工地區的地質水文信息，得知施工工程周圍水位標高為10m，這就需要沉井結構的井底設計標高最終定為10.5m，這就可以避免周圍水流進入到沉井當中。另外，在設計工作開展的過程中，要控制地面位置低于沉井井頂標高的0.3m，以此來保障沉井結構下沉作業具備較高的安全性和穩定性。如果某些工程管道標高位置在地下水位之上，那么施工期間就要運用科學合理的降水策略，使工程附近地下水位能夠降至底板的0.5m以下。

4.3 刃腳踏面標高

為保障頂管施工工作的順利進行，設計人員要結合沉井設計工作的標準規范，優化沉井結構的抗傾覆性水平，大幅度提高沉井結構應用的整體性和穩固性。除此之外，針對陳景外表設計工作，還要與其他部位尺寸相互匹配，這能夠讓沉井結構的設計更加合理更具時效性。在實際設計工作的過程中，工作人員需要對沉井刃腳踏面的標高和角度進行計算，這能夠讓沉井結構的防滑性和抗傾覆性能力大幅度提高。

4.4 穩定性設計

沉井結構設計工作是頂管工程施工過程當中不可或缺的重要基礎，相關工作人員需要考慮周邊土體受到擾動后的具體形變狀況。當周圍土體出現較大形變時，頂管作業便無法有效的開展，同時還會受到管道材料、推進力量等多方面因素的影響，從而引發土體破壞，頂進位移，頂進偏移等問題。相關工作人員必須要對其穩定性作出深入分析，減少由于非必要因素帶來的不利干擾，大幅度提高其整體應用效率。在設計工作開展過程中，工作人員必須要重點分析頂進力量因素。以Z來代表頂進力量值，并可獲取一套完整的計算公式，：Z=πDLv+N，其中D代表管道外徑，L代表頂管作業過程中頂進的長度，v代表管道外壁與土體的平均摩阻力，N代表頂進阻力。在實際工程項目建設的過程中，相關工作人員需要對現場數據進行測量，隨后再帶入到計算公式內部，最終獲取相應的數據內容，同時也能獲取作業效率的模糊值。隨后，再借助模糊值與作業區域內部土體強度值作出對比和對照，便能掌握施工工作對于土體環境的具體勞動狀況。如果Z的計算結果小于周邊土體壓力，那么就代表施工工作對于周邊土體的擾動較小。如果Z的結果超出周邊土體壓力，那么就代表施工工作極有可能會導致土體出現位移狀況。這就需要工作人員重新對頂管工程沉井結構做出設計，必要時要更換沉井結構的施工位置。

5 頂管工程中沉井結構設計要點

5.1 力學結構設計

開展市政工程頂管施工工作，相關工作人員需要結合沉井施工的力學結構作出綜合化判斷，力學結構內容通常會涵蓋頂盡力量，周邊土體對于沉井井壁的壓力，沉井自重，以及沉井下沉過程當中的摩擦力等信息。綜合考量的過程中，設計人員需要結合各方面影響因素的重要程度做出相應規劃，首先就要對頂進力量進行考慮，隨后才可進行其他因素的分析工作。如果建設區域菩提呈現出密度不均狀況，或者受壓不均狀況，那么就要根據工程的建設需求完善具體的設計方案，結合設計方案內容對力學結構作出分析和評估。

5.2 原始信息收集

市政工程頂管施工工作沉井結構的設計工作需要大量的原始數據信息進行支持，不斷擴充原始信息的儲存量，便能夠讓沉井力學結構設計、模擬分析等活動更加真實，貼切和精準。在實際施工工作開展期間，信息收集工作要貫穿于整個施工的各個階段當中，同時還要不斷的對各類關鍵數據信息進行充分分析，最后做出匯總和計算。通過各類數據信息的分析和把控，能夠對現有技術方案的可行性作出評估，同時也可對細微不足之處作出相應調整，以豐富信息為參考的頂管工程沉井結構設計工作，其可行性以及實效性能夠得到充分保障。

5.3 設計模擬

為避免沉井結構設計方案在實際應用過程中出現較大偏差，在方案設計完畢之后就要應用現代化計算機軟件技術，開展實時環境的模擬演練，以此來提高方案設計的適用性，保障沉井結構設計的精準度。例如，在對施工工作土體擾動問題分析的過程中，其分析過程會涉及到多類固定因素。沿用傳統的工作模式進行評估其科學性會大打折扣，為此工作人員可將收集的原始信息化作默認參數，代入到BIM數據模型系統當中，實現力學模擬，分析該種設計策略的可行性以及薄弱環節。

6 結語

在市政工程頂管施工工作的過程中，沉井結構是重中之重，其關乎著頂管施工是否能夠順利開展和完工，同時也關乎著頂管施工以及管道鋪設的最終質量水平。所以，相關設計人員要結合工程實況的分析，嚴格按照相關標準進行設計規范，合理的把控沉井結構井壁厚度，同時還要對沉井結構的穩定性、可靠性、各類計算指標作出精準計算，從而規劃出一套適用性最強，精準度最高的沉井結構設計方案，為市政工程頂管施工工作的高效開展奠定良好基礎。