市政結構頂管工程沉井結構設計研究

肖剛

（上海市政工程設計研究總院集團第十市政設計院有限公司）

0 引言

在市政建設中，要根據不同功能需要，設置不同管線，但由于目前我國城市道路實際情況比較復雜，在市政管線施工中，往往需要采用非開挖技術。頂管施工有噪聲低、施工進度快、節約施工成本等諸多優點，正逐步受到市政建設的關注和推廣。在城市頂管工程中，沉井設計是一個非常關鍵的環節，由于其剛度大、整體性好，因此在市政工程頂管施工中快速地推廣和使用。在具體應用時，應依據本地區地質條件、地形條件和地下水的實際狀況，采用相應的結構形式[1]。因此設計者必須注意到設計要點，并對其進行合理設計，以保證整體施工質量。

1 頂管工程沉井結構方案

在進行城市頂管工程的施工時，有關單位要在頂管施工中提前設置好頂管井，才能保證下一步的頂管施工。因此，在設計階段，有關技術人員要根據項目所在地區的具體條件，保證施工的完整性和質量，通過對施工調整方案、工程項目施工的需求、對工程結構進行科學、合理的設計，使其在工程設計中發揮最大的作用。目前國內最常用的頂管井筒結構形式有4 種。①沉井結構。采用沉井結構進行頂管施工，整體強度較高。在進行頂管工程后，由于沉井具有較大的地表深度，因此有關工作人員需要減小部分沉井結構的厚度，以減輕其內部的應力，在頂管施工中，對其進行了內支保護，使其質量和穩定性得到了極大的改善。同時，還應考慮到流沙、涌流等地質條件對工程的不利影響。②地下連續墻結構。從形式上講，采用地下連續墻進行頂管施工時，其沉井的形狀將維持在平面上，且總的占地面積不大，能夠有效防止連續的水泄漏。但是，由于地下連續墻的剛度較低，在進行頂管工程時，會產生墻體變形、空間不足等問題。因此，有必要對其進行支撐，以改善其整體穩定性。在大型頂管工程中，常采用地下連續墻沉井結構。③排樁結構。在沉井結構設計實踐中，若技術人員發現沉井結構布置不合理，沉井深度較大，應采用排樁結構進行頂管。在進行排樁結構設計與使用時，應根據施工人員的要求，對其防水性能進行優化，以防止地下水對沉井結構的負面影響，進而對工程建設的質量產生不良影響。④鋼板樁。鋼板使用優勢更加明顯，它本身的結構強度更高，而且施工非常方便，成本也可以大幅度降低，在各種頂管工程中有著很好的應用前景。在實際使用鋼板樁時，由于工程地質、地下水等因素的影響，要求施工人員將鋼板樁打入不透水層地質環境，并設計出一套完善防水性措施，防止地下水位過低對工程建設產生影響。

2 設計思路

2.1參數控制

在進行沉井結構設計時，應對其設計參數進行多次計劃和認真核實。具體而言，工作人員要著重分析沉井施工和沉井兩個階段的施工。在沉井施工中，工作人員要保證完成后的尺寸誤差不大于20mm，沉井的壁厚誤差不大于8mm，為其設計的防護層與已建成的防護層之間的偏差不能超過5mm。沉井沉降系統的參數控制重點是對沉井的控制，沉降后的位移與沉井深度的比值不能大于1%，井刃的平均標高與設計高度的誤差不能大于5mm。一般情況下，在頂管工程中，沉井結構的設計參數應符合設計規范[2]。

2.2因地結合把握重點

在國內不同地區地基情況和地下結構千差萬別，如果是在一個比較復雜的地質環境中相關工作人員必須按照正常程序來控制設計參數。并根據工程地質特征，綜合考慮各種影響因素。比如，城市內的頂管工程，其沉井結構的設計要考慮到地下管道的分布情況。當施工區域內的輸氣管線比較稠密時，必須加強沉井結構的制作和沉降參數的控制，并嚴格控制施工期間偏差，保證工程精度。在施工區域降雨較多的情況下，其沉井施工將會遭受大量的降雨，因此必須在設計時對其力學參數進行分析，并加強周邊土體變形和變形問題的重視，從而提高了頂管施工的安全性。

2.3設計要點

⑴對于井壁厚度設計，在沉井沉降期，工作人員需根據沉井的實際情況來制定沉降計劃，而對于井壁厚度的設計工作，往往忽略了沉井本身的重量要求，這就導致了各種質量問題。其次，應將外部力量與沉井的自重相結合，以提高沉井的工作穩定性。

⑵優化高度。工作人員要綜合考慮城市頂管工程的各種特點，在沉井標高設計時，綜合考慮各方面的要求，確保整個沉井在整個施工中不會發生質量問題。

⑶圖形設計工作，在沉井結構的施工中，必須對其平面尺寸進行合理的規劃，其平面大小的確定程度將影響到工程能否有效、平穩地進行。在頂管工程的沉井結構設計中，沉井的平面尺寸要按其最后的沉井深度來確定[3]。

3 沉井結構設計工程實例

某黑臭水體綜合治理工程沿河截流管道采用頂管施工頂管工作井和接收井均采用現澆鋼筋混凝土圓形沉井結構。沉井采取不排水的方式，在海底進行封閉。在工程設計中，樁身承載能力的特點是Fak 大于150kPa，沉井承載能力特征值fak為100kPa。在沉井階段，本工程采用圓形沉井，詳情見圖1，采取分層澆筑、分層沉降的方式，在第一節沉井必須在鋼筋混凝土100%后才能進行沉降，其余部分在70%以上才能進行沉降，即首次沉井的沉井深度不能超過5m，沉井的沉井應設在地下1.5m 處，頂管為泥漿平衡式機械頂管，在頂板和工作井壁間設有尾板。后排座椅最少為3.0×3.0m，可采用枕墊木加鋼板形式的裝配式后座，后座應與管道軸線垂直，允許不垂直度為5mm/m。

4 頂管工程沉井結構設計方法

4.1井壁厚度設計

在頂管工程沉井結構設計中，首先要對井壁進行分析，以獲得理想的參數。在確定井壁厚度時，通常要考慮下沉需求、穩定下降需求和抗浮力需求三個方面。沉降量是指沉井在一定程度上能夠克服摩擦，使其下沉到正常位置，穩定沉降要求是在沉降因子允許的范圍之內，而不會發生突然的下陷或下陷不能有效地進行，抗浮力要求是指在受水影響的情況下，井內的井壁可以依靠自身的重量來保持其位置的穩定性。其中，下沉要求是設計要求的中心，用S表示下沉系數，得到了一種適用范圍較廣的公式：S=(A－B)∕C,S不小于1.05，式中S表示下沉系數，A表示沉井的重量，B表示沉井時產生的動力承載力，C表示沉井時的平均阻力。若S值低于1.05，則說明沉降系數太小，工作效率不高，若S值較大，則有可能存在快速沉降的隱患，說明土壤環境較差，或對浮力要求較低。

4.2強度設計

強度設計是指在頂管工程沉井的結構設計中，考慮持續作業和機械擾動的影響，采用技術措施提高了設計的可行性，以保證井內外部土體的外力不會對頂管程沉井作業造成太大的影響，同時對周圍的土壤和組織造成的破壞也不會太大。在設計時，主要考慮了三個方面：環向力、縱向力、底板力。其中，環形受力是設計的核心內容[4]。通常，根據工程規范，對封閉環形表面的應力進行了分析，并采用了降維法，使沉井井壁在承受外力時具有均一的能力。通過對井壁剖面的分析，得出了四種計算公式：

E1和E2表示相同的井壁斷面上的軸向應力，E3和E4 分別表示，兩者之間有一定的差別，x、v分別表示同一井壁斷面外側的水平壓強，其半徑為0.7854、0.5、-0.1488、-0.1366 都是固定的影響因子。在工程實踐中，可以將實測參數、工程要求代入，通過配比分析得到最后的強度計算結果，并對縱向和底板的應力進行了分析，通過對三個因素的綜合分析，得出了頂管沉井結構強度參數的計算公式。

4.3力學結構設計

力學結構與頂進力量、周邊土體的壓力、沉井自重等因素有關，沉井沉降時產生的摩擦等問題。在傳統的結構形式中，應充分考慮各因素，并根據不同的加權因子進行分析，首先應注意的是頂板的動力，其次是周圍土壤的壓力、沉井下沉時的阻力、沉井自身的重量和其他微小的外界壓力，例如在土壤的不均勻分布時，壓力的不同。在具體工作中，提出了按施工需要編制施工方案，并按施工方案對其進行受力和受力性能的評價。詳情見表1、表2。

表1 沉井結構力學結構計算

表2 沉井結構結算結果

4.4原始信息收集

在頂管工程中，原始資料的采集在設計中必不可少，原始資料豐富、詳盡，可為設計、模擬分析等工作提供資料。在后續工作中，建議從工程建議書到竣工的整個周期，對各種施工工藝中涉及的主要參數進行持續地分析、收集、整理、統計。在設計初期，應搜集土地密度、抗屈服強度、管壁內外直徑等原始資料[5]。在施工期間，還要進一步搜集地基位移、降水等動態資料，對現有技術方案的可行性進行評價，并對調整環節進行設計，以豐富的資料，為頂管施工的沉井結構設計提供依據。

4.5設計模擬

鑒于頂管施工中復雜性較強問題，采用先進施工技術，獲得與實際環境和工作要求相吻合的模型，并為以后的工作提供支撐。在進行地基干擾分析時，由于各種參數的固定、力的綜合效應很難用常規的方法來評價，可以將各種不同的參數作為預設參數，代入BIM 模型進行力學仿真，且能夠對該方案的可行性及不足進行分析。靜態仿真方法不能達到預期的結果，可以通過引入時間參數和操作參數等方法來實現對頂管工作中各種參數的改變。各種虛擬現實技術可以為以上工作提供一定支持。

5 結語

綜上所述，在市政城市頂管工程施工中，沉井結構設計對以后施工是否能夠順利開展有著直接影響，故而應強調科學規范。站在設計方法角度上來看，需強化對參量調控，選擇明晰規范進行服務設計，對頂管工程中沉井結構設計要點進行分析，可知力學結構設計、原始信息收集和模擬，為設計工作的三個基本要點。