市政頂管工程沉井結構設計要點及運用分析

摘""要：在市政工程中，頂管施工技術的應用愈加廣泛。深入探討了市政頂管工程中沉井結構的設計要點與實際運用。沉井結構類型多樣，包括按平面形狀分為圓形、矩形等，按制作方式分為現澆與預制沉井。其具有整體穩定性好、承載能力強、施工場地要求低等特點。在設計要點方面，涵蓋尺寸確定，如根據頂管直徑等確定平面尺寸及考慮多種因素，旨在保障市政頂管工程沉井結構設計與施工質量。

關鍵詞：市政頂管工程""沉井結構""井壁""地下水

中圖分類號：TU753

Key"Points"and"Application"Analysis"of"Open"Caisson"Structure"Design"for"Municipal"Pipe"Jacking"Engineering

SUN"Xiucheng""LI"Chao""LI"Xinxing""JI"Linjian

Central"and"Southern"China"Municipal"Engineering"Design"and"Research"Institute"Co.，"Ltd.，"Wuhan，"Hubei"Province，"430010"China

Abstract："The"application"of"pipe"jacking"construction"technology"is"becoming"increasingly"widespread"in"municipal"engineering."The"article"delves"into"the"design"points"and"practical"application"of"open"caisson"structures"in"municipal"pipe"jacking"projects."There"are"various"types"of"open"caisson"structures，"including"circular"and"rectangular"ones"based"on"their"planar"shape，"and"cast-in-place"and"prefabricated"open"caisson"structures"based"on"their"manufacturing"methods."It"has"the"characteristics"of"good"overall"stability，"strong"bearing"capacity，"and"low"construction"site"requirements."In"terms"of"design"points，"it"covers"size"determination，"such"as"determining"the"plane"size"based"on"the"diameter"of"the"top"pipe"and"considering"various"factors，"aiming"to"ensure"the"design"and"construction"quality"of"the"municipal"top"pipe"engineering"open"caisson"structure.

Key"Words："Municipal"pipe"jacking"project;"Open"caisson"structure;"Wall"of"the"well;"Groundwater

隨著城市的快速發展，市政基礎設施建設不斷推進。在市政工程中，頂管施工技術由于其對地面交通和周圍環境影響較小等優點，得到了廣泛應用。而沉井作為頂管工程中的一種重要結構，其設計的合理性直接關系到工程的質量、安全和進度，如何保障頂管工程沉井結構設計與應用質量，成為了行業重點考慮的問題。因此，深入研究市政頂管工程沉井結構的設計要點及運用具有重要的現實意義。

1""沉井結構的類型與特點

1.1""沉井結構類型

1.1.1""按平面形狀劃分

沉井平面形狀可細分為圓形、矩形、多邊形。其中，圓形沉井具有更好的受力性，在土質較好的區域更為適用；矩形沉井具有更高的空間利用率，在場地受限區域更為適用；多邊形沉井應用較少，適用于特殊環境或特殊要求的領域[1]。

1.1.2""按制作方式劃分

沉井可分為預制沉井、現澆沉井。其中，現澆沉井具有更好的整體性，但也需要更長的施工周期；預制沉井可在工廠進行預制，更有助于控制其質量，提高了施工效率。

1.2""沉井結構特點

1. 整體穩定性好。沉井是憑借自身重量實現下沉，下沉期間能夠保持較高的穩定性。
2. 承載力強。沉井的荷載承受力較強，包括橫向荷載、豎向荷載，因此適用于各類復雜地質條件。
3. 施工場地要求低。沉井施工時無須大量開挖，不會對周圍環境造成過大影響，因此也適用于市中心區域等狹窄區域。
4. 可作為永久性結構。沉井完成頂管施工后，可根據實際需求作為永久性結構使用，如泵站、檢查井等。

2""市政頂管工程沉井結構設計要點

2.1""尺寸確定

2.1.1""平面尺寸

結合多項因素考慮平面尺寸。其中，頂管的數量、直徑是核心影響因素。如果頂管工程的頂管直徑較大，則也要增大工作井的平面尺寸，從而滿足頂管設備安裝、操作空間要求。假設頂管直徑達到2"m，則工作井平面尺寸可考慮設置成8"m長、6"m寬；假設頂管直徑達到3"m，則工作井平面尺寸可能要達到10"m長、8"m寬。并且，如果同時進行多個頂管施工，則要根據頂管布置情況對工作井、接收井平面尺寸進行調整。

2.1.2""深度確定

確定沉井深度時，需要重點考慮頂管埋深要求，要求沉井深度一定大于頂管設計埋深，保障頂管順利進出沉井。同時，要考慮地質條件：如果施工現場為軟土地基，則沉井會產生更大的下沉量，應適當減少沉井深度，避免產生施工風險；反之，如果施工現場地質條件很好，則適當增加沉井深度。在地下水位方面，如果地下水位較高，則在沉降時應采取有效的降水措施，但也會增加施工復雜性和成本。所以，應盡可能減小沉井深度，避免降水難度過高。通常地下水位在地面以下2"m時，沉井深度可設計在地下水位以下5"m左右；地下水位在地面以下5"m時，則沉井深度可設計在地下水位以下8"m左右[2]。

2.2""結構計算

2.2.1""下沉計算

沉井下沉期間，應重點分析下沉阻力、下沉穩定性。下沉阻力受到土側摩阻力、刃腳底面反力影響。而土側摩阻力與土壤類型、沉井外壁粗糙度、下沉深度等因素有關。例如：黏性土的側摩阻力相對較大，可達到每平方米幾十千牛。刃腳底面反力與土承載力、刃腳形狀有關。下沉穩定性分析應重點考慮重心位置、入土深度、土壤物理力學性質等因素。如若沉井重心偏高、入土較淺，可能在下沉期間出現傾斜問題。所以，在設計中，應采用合理的結構布置、施工措施，確保下沉過程的穩定性。

2.2.2""封底計算

沉井封底應計算封底混凝土強度、抗浮參數。一般情況下，封底混凝土強度等級不得低于C25，并根據沉井尺寸、地下水位、土浮力等指標確定封底混凝土厚度。例如：某直徑6"m的圓形沉井，施工所在地的地下水位高、土浮力較大，則考慮將封底混凝土厚度設計為1"m。再者，根據地下水位、沉井自重、封底混凝土重量等因素計算抗浮，如果抗浮參數不達標，則考慮增加沉井自重、增設抗浮標桿等措施[3]。

2.2.3""井壁計算

井壁主要計算強度、裂縫寬度。結合井壁橫向壓力、豎向壓力、土側壓力計算強度。豎向壓力來自沉井自重、頂部荷載；豎平壓力來自土側壓力、地下水壓力；土側壓力采用土壓力理論計算，通常土側壓力系數在0.3～0.7之間。例如，砂土的內摩擦角為30°，則土側壓力系數取0.5左右。裂縫寬度應確保不超過0.2"mm，否則會對沉井耐久性造成影響。

2.3""構造設計

2.3.1""刃腳設計

刃腳必須具備足夠的剛度、強度，主要設計成楔形，結合土質條件設計其角度。軟土地基中可適當減小刃腳角度，控制在30°～45°之間；硬土地基則適當增加刃腳角度，控制在45°～60°之間。例如，粉質黏土的刃腳角度通常設置為45°左右。在刃腳處增設鋼筋提高其承載力。根據刃腳受力情況確定加強筋的直徑、間距，通常直徑為16～25"mm，間距為100～200"mm。

2.3.2""井壁厚度

根據沉井深度、直徑、土側壓力確定井壁厚度，無特殊要求下，井壁厚度應在0.4"m以上。如果井深度較大、土側壓力較大，應適當增加井壁厚度。例如：某圓形沉井的深度為10"m、直徑為6"m，則井壁厚度可設計為0.6"m左右。

2.3.3""連接構造

沉井各個節段必須要采取可靠連接，包括焊接、螺栓連接等。連接處應進行強度計算、防水處理，確保沉井整體性、密封性。焊接期間應保障焊縫質量達標，要求焊縫強度不低于母材強度。螺栓連接中，應根據沉井受力情況確定螺栓規格、間距。一般情況下，螺栓直徑為16～24"mm，間距為200～400"mm。連接部位防水可采用橡膠止水帶、密封膠等材料，確保沉井在下沉、使用期間不會產生滲漏問題。

3""市政頂管工程沉井結構的施工工藝

3.1""施工準備

前期要做好施工場地平整工作，清理障礙物，保障施工場地滿足沉井制作、下沉要求。在場地平整后，高差不得超過0.3"m，以保障沉井的平整度。清理干凈場地內的大塊石頭、建筑垃圾。根據設計圖紙測量放線，確定沉井位置、尺寸，要求平面位置誤差不超過50"mm，高程誤差不超過30"mm。例如，若沉井的設計中心坐標為（X=1000.00，Y=2000.00），則實際測量的中心坐標應在（X=999.50～1000.50，Y=1999.70～2000.30）范圍內。正確使用全站儀等設備，保障沉井位置精準無誤[4]。

根據沉井尺寸、深度開挖基坑，底部夯實處理，確保沉井穩定性。基坑深度應達到沉井深度的1/3～1/2。例如：沉井深度為10"m，則基坑深度應在3～5"m之間。基坑底部采用機械與人工結合夯實方法，要求地基承載力不低于設計標準。通常小型沉井承載力應在100"kPa以上；大型沉井承載力在150"kPa以上。

3.2""沉井制作

使用高強度、高剛度的模板，大型沉井使用鋼模板以保障重復利用率、施工效率，面板平整度誤差不得超過2"mm。木模板應保持表面光滑，無裂縫、變形。安裝期間應確保可靠性、拼接嚴密、不得漏漿。拼縫處使用密封條密封。在模板內綁扎鋼筋，通常選擇熱軋帶肋鋼筋。鋼筋直徑為16～25"mm、箍筋直徑為8～12"mm，保持間距均勻，鋼筋綁扎牢固，不得出現松動情況[5]。

采用混凝土分層澆筑法，每層厚度不超過500"mm，強度等級不低于C30。水泥、砂、石、水比例為1∶2∶3∶0.5。澆筑期間振搗確保混凝土密實度。根據振搗器類型確定振搗時間，通常插入式振搗器的振搗時間為20～30"s，平板式振搗器振搗時間為30～40"s。

3.3""沉井下沉

土質好、地下水位低的區域采用排水下沉方案。在井內設置排水系統，將地下水排出井外，之后通過機械、人工等方法是沉井下沉。井點降水深度為沉井底部2～3"m，井點間距為1.5～2.0"m；集水井深度為沉井底部以下1.0～1.5"m，間距為5～10"m。其間嚴格控制沉井下沉速度，每天下沉量不宜超過1"m。

土質較差、地下水位較高的區域采用不排水下沉方案。通過向井下注水，讓水位略高于地下水，使用抓斗、吸泥機等設備挖掘使井下沉。通常注水高度應高于地下水0.5～1.0"m。挖掘速度根據沉井下沉情況確定，通常每天下沉量不宜超過0.5"m。

3.4""封底與底板施工

待到沉井下沉到設計深度后進行封底施工。封底混凝土強度不低于C30，厚度為1.0～1.5"m。使用導管法進行水下混凝土澆筑，導管間距為3～5"m。保持澆筑的連續性，根據混凝土供應情況、導管埋深控制澆筑速度。待到封底混凝土強度達標后進行底板施工，底板混凝土強度不低于C30，厚度為0.5～1.0"m，分層澆筑厚度為0.3～0.5"m。分層澆筑、分層振搗，確保混凝土的密實度[6]。

4""結語

綜上所述，市政頂管工程中沉井結構的設計和運用是一項復雜而重要的工作。在設計過程中，應充分考慮沉井的類型、特點、尺寸確定、結構計算、構造設計等方面的要點，結合實際工程情況，選擇合理的設計方案和施工工藝。同時，在施工過程中應加強質量控制和安全管理，確保沉井結構的穩定性和可靠性。通過合理的設計和施工，沉井結構在市政頂管工程中能夠發揮重要的作用，為城市基礎設施建設提供有力的支持。

參考文獻

[1]"閆輝峰，張琳.市政結構頂管工程沉井結構設計研究[J].中國住宅設施，"2023（12）：7-9.

[2]"張越宇.市政結構頂管工程沉井結構設計分析[J].建材發展導向，2023，"21（1）：83-85.

[3]"曹小維.市政工程頂管沉井施工方法[J].科技創新與應用，2023，"13（35）：149-152.

[4]"劉丹.市政結構頂管工程沉井結構設計分析[J].中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2022（6）：39.

[5]"毛濟民.頂管沉井與周邊土體相互作用分析[D].廣州：廣東工業大學，2022.

[6]"楊雪.深厚淤泥質土層中沉井施工及沉降研究[D].邯鄲：河北工程大學，2020.