顶管工程沉井结构设计研究

叶灏桁，王玮铖

（1.广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510000；2.长安大学，陕西 西安 710061）

0 引言

沉井结构作为顶管井具有成本较低、施工期短、整体性良好、受力性较好等优势，但同时也很容易出现沉井壁厚过大、结构内力过大等问题。为尽可能提升市政结构顶管工程沉井结构设计水平，本文将围绕该课题开展具体研究。

1 工程概况

以广州某地污水管道工程作为研究对象，工程计划敷设新建污水管道DN1350~DN1500，需结合规划道路和现状道路进行设计。案例工程除一小部分管段采用开挖施工方式，其余均使用顶管施工方式。在对比逆作法工法与沉井工法后，结合管线埋设深度、土质、现状管线数量、周围建筑物远近等因素，综合考虑，本工程采用沉井工法。在具体的工作井设置中，受地质因素影响，工作井存在较高施工难度，因此工作井数量需要顶管顶进的前提下尽量减少，优化顶管井线路布置，确保工作井能够向两个方向（左、右）顶进，提高使用效率。工作井采用现浇钢筋混凝土结构，基于沉井法进行施工。在设置接收井的过程中，保证接收井内尺寸满足接收顶管机头起吊需求，接收井采用现浇钢筋混凝土结构，基于沉井法进行施工。

2 沉井结构设计

为深入探讨市政结构顶管工程沉井结构设计，结合案例中污水管道顶管工程，本节围绕顶管工程沉井结构的设计思路、井壁厚度设计、标高设计、平面尺寸设计、顶力计算、竖向抗拉计算、稳定性检算等开展深入探讨。

2.1 设计思路

案例中沉井结构设计主要从两方面作为切入点：①参数控制。从设计角度分析可以发现，根据现有标准为沉井设计结构参数依据，具体分析主要关注沉井结构设计及下沉稳定设计。在沉井结构设计方面，施工中需保证完成尺寸与标准尺寸偏差在20mm以内，同时井壁厚度不得大于-5mm、+8mm的偏差，实际建设完成的保护层与设计保护层的偏差需小于±5mm。对于沉井下沉，位置控制属于参数要求核心，下沉后位移值与下沉深度间比值小于1%，相较于设计标高，井刃脚平均标高与其的偏差需小于±5mm；②因地制宜。受施工条件复杂等因素影响，在做好参数控制的同时，还需要充分结合实际施工条件，以便分析和把控重点因素。案例工程中顶管工程作业位于广州市区内进行，因此顶管工程沉井结构设计需充分结合地下管道分布情况，周边管线情况较为复杂，存在供水、电力、燃气等管线，需科学控制下沉参数并优化沉井制作，为提升作业精度还需要进一步加强参数偏差控制。考虑到降水环境可能带来的水土流失破坏等问题，设计过程需做好力学参数分析，位移可能性、周围土体形变也需要得到考虑，以此保证设计安全性[1-2]。

2.2 井壁厚度设计

对于案例污水管道工程的顶管工程来说，沉井需要基于自重实现下沉，如存在较薄的沉井井壁，自重过轻的沉井将导致下沉作业无法有效完成，过厚的沉井井壁则会导致资源浪费与成本增加。因此，沉井壁厚的合理设计尤为关键，设计需保证沉井存在较高的抗浮性能和下沉稳定性。基于现行规范及标准要求，需保证存在0.8～0.9区间的沉井下沉稳定系数，如存在较高沉井结构水位，需保证存在最小为1.0的井体抗浮系数。结合实际情况，案例工程采用深度9.33m、壁厚500mm的工作井，内径为9.0m，属于典型的圆形沉井，采用不排水下沉作业。取土作业为井内带水作业，为判断沉井壁厚设计值合理性，需准确计算沉井下沉及稳定系数。结合具体计算可以确定，案例工程工作井存在超过1.05的下沉系数，同时存在达到0.8的下沉稳定系数，均符合规范及规程要求，因此可证明500mm沉井井壁设计厚度是合理的。

2.3 标高设计

在井顶设计标高设计过程中，需结合案例污水管道工程沉井结构实际特点，结合结构安全需要，需存在高出市政顶管工程周围水位0.5m以上的沉井井顶设计标高，保证终沉后的沉井结构不会流入大量地面水。具体设计需立足地质、水文条件，可确定工程周围水位为8.33m，因此沉井结构井顶标高设计为8.83m。设计还需要保证沉井井顶标高相较于地面高出0.3m，以此保证顶管过程中地表水不倒灌进沉井内。具体施工采用不排水下沉，水下混凝土封底的方式，因本工程地下水位较高，且临近珠江边，常水位较高，若采用排水下沉，抽水过程中会导致周边水土流失过大，容易引起路面沉降，故采用不排水下沉施工方式。

2.4 顶力计算

顶管设计中，需进行顶力计算，确保顶管过程中沉井能提供足够反力。在施工中，管道顶进操作专项顶管施工队伍负责施工，施工过程中需采用液压千斤顶作为顶进装置，顶进装置所能提供的最大顶力需大于顶管顶力。若顶管顶力过大或管线顶进长度过长，则需增加中继间以保证顶管顺利顶进。本案例中，顶管顶进长度约为100~120m，属于正常顶进长度范围。可按下列公式计算顶力：

式中：L、D、Nf、Ptk、f分别代表顶进长度、管径、顶进阻力、顶管顶力、摩阻力均值。其中，顶管过程中会采用膨润土触变泥浆作为管壁减摩阻力施工措施，根据案例工程地质的相关数据，可得到该顶管顶力值约为3664kN，沉井工作井要求最大顶力不大于4000kN满足使用要求。

2.5 竖向抗拉计算

施工阶段中沉井井壁可能出现抗拉情况，故设计过程中应分情况对其进行考虑。根据沉井规程[4]要求，土质为硬土且沉井下沉系数接近1.05时，应进行沉井竖向抗拉计算，若下沉系数在1.5以上及土质均匀的软土地基则不需要进行计算，这种情况下沉井竖向拉断问题不会产生。在竖向抗拉计算环节，可采用以下公式：

式中：Nmax、Nd分别代表沉井井壁竖向拉断力最大值、沉井截面抗拉承载力；fsd、As分别代表钢筋的抗拉设计值及钢筋面积。

案例污水管道工程地质处于淤泥质土及粉细砂层，含水量大，稳定性较差，结合现行规范要求，复核井壁竖向抗拉计算，经复核，井壁配筋满足抗拉要求。

2.6 稳定性检算

对于市政结构顶管工程来说，顶力作用会对沉井土体带来影响，结合相关规定，需做好工作井后土体的稳定性验算，保证土体不发生失稳，可采用下列公式：

式中：Epk、Eak、ξ分别代表沉井底部被动土的压力标准值、沉井底部主动土的压力标准值、折减系数。

结合案例顶管工程沉井底部被动土与主动土的压力标准值，在公式中带入数据，可确定沉井的井壁后背土体顶力标准值，经计算为9892kN，大于顶管顶力，满足规范要求。

2.7 具体设计

图1为工作井平面设计示意图，该工作井的抗渗等级、混凝土强度等级分别为P6、C30，采用HPB300、HRB400级别的钢筋，井壁、底板的钢筋保护层厚度分别为35mm、40mm。需结合管底标高推算工作井底标高，工作井存设计年限为1年。工作井要求地基承载力特征值不小于100kPa，严禁人工顶管，按机械顶管考虑。在沉井结构下沉环节，需保证混凝土强度为100%，相较于井外水位，需保证井内水位高出1m以上，采用不排水下沉。减摩措施需要在必要时结合地段地质实际针对性选用。具体施工顺序为：垫层→支模→钢筋绑扎→沉井下半部浇筑→下沉→沉井上半部连接→下沉到位→底板浇筑→顶管施工→检查井施工→回填检查井与顶管机间的间隙。施工单位应做好工作井尺寸校准，并保证顶管环节的最大顶力处于工作井和管材允许最大顶力内，工作井允许最大顶力不大于4000kN。淤泥不得在井周围堆放，同时需做好临时维护措施设置，为满足与沉井底板连接需要，应预留双层φ20@200插筋于顶管工作井壁板凹槽内。同时在沉井周边设置一圈直径500mm，间距350mm旋喷桩，以便减少因沉井过程中造成局部水土流失给周边建筑及道路造成的影响。

图1 工作井平面设计

3 结论

综上所述，市政结构顶管工程沉井结构设计需关注多方面因素影响。本文通过对沉井案例分析，提供沉井结构设计思路及方法。其中需注意沉井设计中顶力计算，下沉稳定性计算及工作井土体稳定性计算等要点，为今后沉井结构设计提供更好的设计思路及方案。同时设计过程中需重视结合实际地质、周边环境等情况，确保沉井设计能在该区域切实可行。