钢筋混凝土沉井在市政给排水管道施工中的应用

摘要：顶管施工作为一种常见的非开挖管道施工方法，在淤泥质土和透水性较强的砂性土中有着很好的工程适用性，对周边的道路、环境的影响也可以做到最低。顶管施工中工作坑的施工方式通常采用沉井法。本文介绍了几种沉井的类型，及适用的范围，重点介绍了沉井在管道施工中的应用。

关键词：沉井;管道施工;设计方案

一、管道施工方案的选择

市政给排水管道的施工方案通常有开槽施工和不开槽施工两种，开槽施工方案较为简单，地基土的承载力要求也较低，但涉及围堰、深基（槽）坑开挖与围护等工程。沟槽的开挖、支护方式应根据工程地质条件、施工方法、周围环境等要求进行技术经济比较，确保施工安全和环境保护要求。降水方案的选择也是基坑开挖方案中需要重点考虑的因素，设计降水深度在基坑（槽）范围内不应小于基坑（槽）底面以下0.5m。对于给水管道等埋深较浅的管道工程来说，该方案较为简单便捷，可控性较好。而对于埋深较深，管道周边环境复杂，场地狭窄，附近有建筑物或其他因素影响时，采用顶管法施工则是一种较为可行的方案。

顶管法施工就是不开槽施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起。管道紧随工具管或掘进机后，埋设在两坑之间。顶管施工适用范围较广，尤其是软弱土层或含水量较大的砂性土也同样适用。

二、沉井类型简介

沉井作为一种非常成熟的施工技术已经被广泛的应用于地下结构的施工中。沉井的类型较多，用途也各不相同，按照用途分类可分为以下三种：

（一）构筑物类

给水排水工程中常见的泵房等，由于埋置地下较深，开挖会对周围环境造成较大影响，可采用沉井的结构形式。沉井下沉至设计标高并封地后，成为工艺流程中的一座构筑物。

（二）基础类

桥梁等工程中的桥墩可做成沉井的形式，沉井下沉至设计标高后填充混凝土等材料，用作桥梁的支墩。

（三）基坑支护类

软土地基或者是地下水位较高，土的渗透性大，容易产生涌流或塌陷的砂性土、粉土等可采用沉井作为深基础施工、管道的顶管工作井。该种类型的特点是当工程完成后，部分沉井可能失去了使用价值，其设计标准可适当的降低。

按结构形式分，可分为以下几种：

1、圆形沉井

该种结构形式受力良好，缺点则是平面利用率较低，多用于小型雨、污水泵站下部构筑物及顶管工作井等。

2、带隔墙的圆形沉井

一般常见于大中型沉井，平面空间较大，多用于小型雨、污水泵站下部构筑物，供水工程中的取水泵房等。

3、矩形沉井

平面利用率较高，制作方便，受力性能较圆形沉井差。多用于小型雨、污水泵站下部构筑物。

4、双格及多格矩形沉井

较单格沉井，整体刚度好，受力明确，沉井下沉时安全性好。易与上部建筑布置相协调，但施工制作稍复杂。多用于平面尺寸较大的给排水泵房下部，或其他建筑物的下部。

5、圆端形沉井

由于端头水流条件较好，常用于取水头部或江心泵房等取水构筑物。

三、顶管工作井的设计方案

管道施工中所用的工作井大多为圆形工作井，在施工完毕后，一般都会废弃，失去了使用价值，属于基坑支护类。下面以长江沿岸某城市的城市污水管网为例，详细介绍钢筋混凝土作为顶管工作井的设计和施工方案。

（一）工程概况：

管线总长约1.2KM，管径800mm，管底平均埋深为自然地面下-8.500，管材为钢筋混凝土管。顶进土层为②淤泥质粉质粘土，工作井间距为200m。由于地下水位较高，②淤泥质粉质粘土， 由于其渗透系数较小， 达到固结稳定所需的时间较长，且由于土层中有效应力的改变，导致周边的土体的沉降较大;因而工作井可采用不排水下沉。

1、地质条件

①杂填土（Q4ml）：杂色，湿，松散状，主要为粉质粘土，部分为含少许碎石及植物根茎。层厚0.70～4.60m，层顶高程6.44～8.42m。

②淤泥质粉质粘土：青灰色，软塑～流塑状，饱和，部分为软塑状粉质粘土，局部夹薄层粉土及粉细砂，韧性低，干强度低～中等，层厚12.70～13.5m。

②-1粉细砂：为夹层，青灰色，松散，局部稍密，饱和。层顶埋深0.60～3.50m，层厚1.80～5.60m。

②-2粉土夹粉砂（Q4al）：为夹层，青灰色，松散状，很湿，粉土及粉细砂互层，不均匀夹淤泥质粘土，层厚3.60～14.90m。

③粉质粘土（Q4al）：灰色，可塑～软塑， 粉土及粉细砂互层，局部夹角砾，最大揭露深度为16.80m。

2、地下水

场地地下水类型主要为上层滞水及松散岩类孔隙潜水，即赋存于地表上部填土中的上层滞水，主要接受大气降水及地表水的补给，排泄并不通畅，主要方式以蒸发排泄为主。松散岩孔隙潜水主要赋存于②层淤泥质粉质粘土，水量一般。其中②层淤泥质粉质粘土为弱透水层。

水位埋深受大气降水及地表排水影响，勘察期间实测地下水位埋深较浅，勘察期间测得钻孔地下稳定水位（主要为上层滞水）埋深0.10-1.30m。地下水位将受季节性降水和地表水体影响变化浮动，水位涨幅1.5m左右。

四、工作井方案

（一）沉井井体厚度的确定

井體厚度的确定主要有如下几个方面

1、下沉的需要

设计中一般需要考虑沉井依靠自重下沉的原则，如重量不足，需要采用外力配重或其他助沉的方式。所以，沉井的井壁应有必要的厚度保证下沉的需要。同样，井壁也会因为过厚使得自重过大，导致下沉系数过大或地基承载力要求过高，此时就需要减少壁厚。

2、满足受力要求及适用性要求

井壁的厚度应满足施工期间和使用期间受力的要求。

3、 抗浮的要求

由于管道埋深较深，且地下水位较高，沉井必须满足抗浮的要求，因而依靠自重抗浮的井体各部分，包括底板都应该有适当的厚度。

本工程井体厚度取600mm，底板也取600mm。

（二）井体分段及计算要求

考虑到井体浇筑的难度和下沉时的施工，井体可分段施工，分段高度不大于6m为宜，分段部分采用止水钢板止水。

由于工作井为临时措施，不作为永久性结构适用，因而按强度计算的同时，对于裂缝计算可适当放宽或仅满足强度要求即可，做到安全经济。

（三）沉井地基承载力的验算

施工阶段，当沉井下沉至设计标高并封地之后，沉井整体的重量小于井内挖出的土体重量，该阶段不必进行地基承载力的验算。在顶管顶进过程中，沉井内荷载较小，同样满足井体重量小于挖出的土体，因而无需进行验算。

（四）下沉系数：

为使沉井能平稳下沉至设计标高并便于封地，下沉系数应控制在1.05～1.25之间，本工程位于淤泥质粉质粘土，可取1.05。

K1——沉井自重标准值（KN）

Fk——沉井下沉过程中地下水的浮力标准值（KN）

Tt——井壁总摩阻标准值（KN）

K1——沉井下沉系数

（五）下沉稳定系数及下沉稳定措施

由于沉井刃脚位于淤泥质粉质粘土，有些地区的淤泥质粉质粘土具有触变性，沉井容易发生突沉，除了在挖土时采取合理的施工措施以外，还需进行下沉稳定性验算，下沉稳定系数应控制在0.8～0.9之间：

Kst，s——下沉稳定性系数

Gk——沉井自重标准值（KN）

Fk——下沉过程中地下水的浮力标准值（KN）

Tt——井壁总摩阻标准值（KN）

Rb——隔墙下土的支承反力（KN）

由于管道下依然存在约4m的淤泥质粉质粘土，为保证下沉的稳定性，在井壁下采取水泥土搅拌桩或高压旋喷桩进行加固处理。

随着下沉深度的增加，土层与井壁摩阻会逐渐增大，沉井可能会出现沉不下去的情况，此时可采用配重或降低井壁与土层间的摩阻来解决，如灌砂助沉等。

（六）水下封底混凝土

封底混凝土分为干封底和水下封底，本工程为水下封底

水下封底采用垂直导管法浇筑水下混凝土，浇筑前应预先派潜水员水下清基，主要任务是清理散布在锅底部的各种杂物、将锅底底面清理平整，以便改善地基的承载力，提高基础防渗性和减小沉降量。混凝土等级采用C25素砼。

四、总述

通过本文可知，沉井法作为一种成熟的施工工艺，在管道施工中起到了重要的作用，除了本工程中的淤泥质土之外，对于含水量较大的砂性土同样适用。沉井法施工彻底解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面凸显其优势。这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市是非常重要的，它将为城市创造一个洁净、舒适和美好的环境。

参考文献：

[1]段良策 殷奇 《沉井设计与施工》同济大学出版社

[2]给水排水工程结构设计手册（第二版）中国建筑工业出版社

作者简介：于石群（1980-），男，安徽怀远县人 ，大學本科，高级工程师，从事市政结构设计工作。