市政结构顶管工程沉井结构设计分析

摘  要：在市政结构顶管工程中，沉井结构的设计需要根据实际情况进行，在设计中，为了保证设计符合要求，应对沉井的特点以及工程要求合理设计，控制好各项参数，加强沉井结构的设计效果。本文对市政顶管工程沉井结构方案进行了阐述，结合某市政结构顶管工程分析市政结构顶管工程沉井结构设计内容，包括沉井井壁厚度设计，标高设计，平面尺寸设计，顶力计算，环向计算，竖向抗拉计算等。通过对顶管工程沉井结构的合理设计，为顶管井的设计提供更好的条件，加强工程的建设效果，使市政工程的整体质量得到提升。

关键词：市政顶管工程;沉井结构设计;标高设计

中图分类号：TU99    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）05-0000-00

0 引言

在城市建设的快速发展背景下，市政工程建设规模越来越大，在建设中为了满足城市各系统的运行，需要設置大量的管道，由于城市路面情况复杂，市政工程管道建设过程中一般使用非开挖技术进行施工，进而避免影响管道建设效果。采用顶管技术进行施工具有众多优势，如对环境的影响小等。沉井设计是顶管工程的重要部分，在设计中应考虑工程实际情况，使设计能够起到更好的效果，保证工程的施工质量。

1 市政顶管工程沉井结构方案

顶管井属于一种临时设施，在市政工程施工中，应结合工程的地质特点以及条件等进行设计，保证设计效果。在市政工程顶管井结构中包括较多种类，其中主要分为以下四种类型：

第一种为沉井结构，在顶管工程中这种结构具有较大的刚度，施工过程中沉井结构的深度比较大，为了降低结构内力，缩小厚度，加强工程的施工效果，应利用内撑的方式进行施工。另外，在设计沉井结构的时候，人员应对地质情况有全面了解，包括涌水等现象。

第二种为地下连续墙，这种结构是平面构件，在应用中常见的问题有墙体变形、裂缝、渗漏等，要求在设计的时候，应利用内撑来加强结构的稳固性，使地下连续墙能够发挥出有效的作用。通常地下连续墙设置在深度较大的顶管井之中。

第三种为排桩结构，当前在设计顶管井的时候，当顶管的井面存在不规则的现象或者深度比较大的时候，需要利用排桩结构进行设计。在设计中为了加强设计质量，人员应合理设置止水设施，例如摆喷等避免受到地下水的不良影响，保证工程的建设质量，使施工的进度加快。

第四种为钢板桩结构，钢板桩在施工中应用便捷，强度大，顶管工程施工中被普遍应用。但是使用这种结构进行设计时，会受到地质条件以及地下水位影响。进行设计时，需要将钢板打入不透水层之中，避免地下水位低对工程质量带来影响。同时，在设计钢板桩的时候，要想减少地下水对环境造成的影响，需要采用止水设施，通过合理设置止水设施使施工达到要求。

2 工程概况

为了研究市政结构顶管工程的沉井结构设计情况，将某地的地下管线工程作为案例分析，该工程与住宅区域相邻较近，属于市政污水工程，其中使用的污水管为不锈钢材质的规格为DN1350mm的污水管，长度为250m。这部分污水管道将上游与下游的管道连接起来，在检查井的相应位置上预留出管径为DN400mm的污水管。在工程之中，顶管工作以及接收井的位置都在河岸附近，受到了水系发达因素的影响。同时，在工程的施工区域中，土质呈现为淤泥特点，其中含水量较高，稳定性比较弱。在施工中为了使市政结构顶管工程的质量提升，加强其稳定性，使工程的建设能够符合最终要求，人员对其进行了勘查和分析，经过讨论之后确定在该市政结构顶管工程之中使用沉井结构，使顶管工程顺利完成。

3 市政结构顶管工程沉井结构设计内容

3.1 沉井井壁厚度设计

在市政结构顶管工程中，借助沉井的自重使其下沉可以达到目的，当沉井的井壁比较薄的时候，会使沉井产生自重过轻的现象，这个时候只靠自重难以完成施工;当沉井的井壁较厚时，可以使自重满足要求，但是会使施工的成本增多，还会导致施工资源浪费。因此应对沉井的井壁进行合理设计，保证沉井下沉的稳定性，使沉井结构设计的效果加强。根据要求分析，沉井下沉的稳定系数应在0.80～0.90范围内，应注意在沉井结构水位比较高的时候，需要使井体系数不小于1。工程设计人员应根据实际情况，使用深度为21m、井壁厚度为0.90m，并且中心直径超出27m的沉井，对沉井进行排水下沉处理。在保证井中污水的情况下进行取土，同时应对沉井的壁厚进行计算，检验其是否满足要求，可结合沉井下沉与稳定系数进行计算，计算的时候采用以下公式：

其中，Kst表示沉井的下沉系数，Kst，s表示沉井下沉稳定系数，Glk代表沉井结构自重，Ffw，k代表浮托力，Ffk表示的是井壁的摩擦阻力标准值。Rb表示的为沉井刃脚下的地基土极限承载力总和，该工程中采用圆形沉井，通过排水下沉的方式进行作业，结合沉井的情况以及相应的参数，可以得到沉井结构的自重为16809kN，浮托力为0。其中，Rb取值为500 kPa，结合计算的结果可以得出沉井的下沉系数大于1.05，稳定系数为0.80，都符合实际的规定。因此，经过检验可以得到井壁的厚度设置为0.90m，符合工程的需求。

3.2 标高设计

在标高设计中，需要结合顶管工程沉井结构的情况来设计沉井井顶标高，考虑到结构的安全性需求，应保证沉井井顶的设计标高比顶管工程周围水位高出0.50m，避免沉井结构在终沉之后由大量的地面水流入到沉井中。该顶管工程中，设计人员需要根据工程情况进行设计，参考水文条件、地质条件，由于工程周围水位高度为10m，应将沉井结构井顶标高设置为10.50m，在设计的时候，还应确保地面低于沉井井顶标高0.30m，使沉井结构下沉施工的安全性。考虑到工程中使用的是圆形沉井排水下沉方式，在取土施工的过程中应保证井中污水，同时在沉井的时候井外的水土荷载会产生一定的影响，工作人员将沉井下沉到设计的标高的时候可进行干封底处理，使其满足施工标准。

其次，应对刃脚踏面标高进行设计，在顶管工程施工中，人员应经过准确计算之后明确标高，将沉井结构抗冲刷强度值计算出来，使其与其他部分的尺寸结合起来，确保沉井结构有较好的抗滑移性能与抗倾覆性能，将沉井的刃脚踏面标高值进行估算，之后，人员应结合国家对工程的要求，将标高误差预留出来，使施工能够顺利进行，同时在施工中，施工人员可以针对工程的实际情况将刃脚踏面标高进行调节，使标高的设计达到施工要求。在该工程中，使用的沉井的刃脚踏面宽度为0.45m，标高为1.40m，沉井的内侧倾角大于45°，因此符合工程的设计要求，可以采用该标高。

3.3 平面尺寸设计

在市政结构顶管工程中沉井结构平面尺寸以及沉井结构强度、抗压性等有着紧密的联系，应对结构平面尺寸进行设计，为市政结构顶管工程的沉井结构设计提供有利的条件。在设计中，结合相应要求，设计人员应确保沉井结构下沉的深度不超出10m，沉井结构的水平位移应小于100mm，并且沉井的下沉深度应比水平位移高出1%。该工程中使用的圆形沉井中心直径为27.50m，井壁的厚度为0.90m。

3.4 顶力计算

在市政结构顶管工程中通常人员使用的是专业的工作井顶管设备，使管道的顶进作业顺利完成，人员应有效控制作业顶力，当在沉井结构设计过程中，顶管机顶力与要求的理论值相比应大于理论值，工作人员还应结合实际的情况对管道的顶进阻力进行控制。在计算顶力的过程中，可采用以下公式：

在公式中，D表示的为管径，L表示的是顶进的长度，Ptk表示的是顶管顶力，Nf表示的是顶进阻力，f代表的为摩阻力均值。可将相关的参数代入到公式中，经过计算得出市政顶管工程顶管顶力值，计算出值为10756kN。

3.5 环向计算

在该工程中采用的沉井井壁为筒壳，这部分受到了水土的压力影响，沉井的截面在受压情况下拉应力较小。由于砖砌体以及混凝土自身的受压性比较强，所以当顶管工程结构设计中采用的圆形沉井的规模较小的时候，可以采用砖砌体或者混凝土材质的沉井结构。当工程中需要使用规模较大的沉井的时候，由于受到外荷载的影响，沉井的截面会产生受压不均匀的现象。出现这种情况是由于大规模沉井的直径比较大，同时沉井周围的土质存在着不均匀的问题，这使水土压力存在差异，影响了沉井的设计效果。在沉井下沉的施工过程中，工作人员如果存在操作不当的现象，会使沉井下沉出现倾斜，影响了下沉施工的效果，这种问题会使沉井倾斜两侧产生主动土、被动土压力。通常在倾斜角的角度比较大的时候，土压力的差值会变大，在设计的时候顶管工程中人员进行环向计算大部分会采用假设垂直方向上沉井井壁两点土摩擦角差值为5°～10°之间的方式，之后可以得到土压力的差值。但是结合该工程的实际情况，在设计中利用这种方式需要考虑带沉井的实际大小，当顶管工程之中使用的沉井的直径较大的时候，可将井壁两点土内摩擦角的差值设置为最小值5;当沉井的直径较小的时候，可以将井壁两点土摩擦角的差值设置为10，能够满足设计的需求。

3.6 竖向抗拉计算

计算竖向抗拉的时候，需要保证计算的准确性，为沉井结构设计提供保障。考虑到该工程的施工区域大部分土质为淤泥，同时含水量多，稳定性弱，需要根据国家对工程的要求进行计算，并且将沉井竖向抗拉计算忽略。由于在沉井下沉的时候，当沉井位于软土质区域的时候，沉井下沉系数应不小于1.50，沉井刃脚在土中，同时没有悬空情况，所以，在这样的情况下沉井的下沉施工中不会产生沉井竖向拉断的情况。当沉井的下沉系数小于1.50的时候，人员应对沉井竖向抗拉进行计算，计算沉井井壁的竖向拉断力最大值的时候，可以采用以下公式：

计算截面抗拉承载力的时候，需要使用以下公式：

公式中，Nd表示的为沉井截面抗拉承载力，fsd表示的为沉井使用的钢筋的抗拉设计数值，As代表的是受压钢筋的面积。

3.7 稳定性检算

结合国家的规定进行分析，在顶管工程中沉井土体受到了顶力的影响，应使其稳定性满足以下要求：

在公式中，Eak表示的是位于沉井刃脚底部的土的压力标准值，Epk表示的是被动土的压力标准值，ξ代表的是折减系数。在顶管工程中顶管顶力与沉井刃脚底土的距离约为7m，可将公式中的折减系数定位0.70，计算井壁后背土体顶力标准值的时候，应采用以下公式进行计算：

经过对该顶管工程中位于沉井刃脚底部的主动土的压力标准值以及被动土的压力标准值的分析，将其使用公式进行计算，可以得出该工程中沉井的井壁后背土体顶力标准值为27938kN。因此可以求出圆形沉井的实际顶力相比井壁的设计顶力小，所以与规定的设计要求符合。

4 结语

沉井结构在市政工程中作为一种临时结构，在施工中具有便利、成本低以及影响小等特点，因此能够为工程施工提供便利，为了使顶管工程沉井结构设计符合实际要求，加强设计效果，应对工程进行全面分析，合理进行沉井结构设计。在市政顶管工程沉井结构设计过程中，设计人员应结合工程的实际情况来确定沉井的井壁厚度，对沉井结构进行详细计算，保证计算的准确性，通过有效的设计可加强沉井结构的稳定性，使沉井结构发挥出有效的作用，提升市政结构顶管工程的水平，為工程建设带来有效保障，进而促进市政工程建设的快速发展。

参考文献

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收稿日期：2019-08-28

作者簡介：刘丹（1980—），女，吉林长春人，本科，高级工程师，研究方向：市政结构设计。

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