市政工程顶管施工中的沉井结构优化设计

郑一苇

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，广东 深圳 518000）

1 引言

随着经济社会的不断发展，市政工程建设数量和规模不断增加与扩大，为了不影响地面交通，顶管施工技术应用较多，在这样的背景下，沉井结构设计得到了迅速的推广和应用。施工实践证明，沉井结构设计方案是否科学合理直接关系着项目的进度、效率以及整体的质量。为此，要保证市政工程顶管施工顺利进行，需要不断对沉井结构进行优化[1]。

2 沉井结构概述

沉井结构作为顶管施工过程中的一种临时性结构，因其自身具备刚度大、整体性好等特点，在市政工程顶管施工中得到了迅速的推广和应用。在具体使用过程中需要根据工程项目所在区域内的地质、地形条件及地下水位等实际情况采取不同类型的结构设计[2]。

3 案例概况

某市政工程位于某市区繁华地带，为典型的污水排放管道施工项目。经研究决定，项目使用长度为252 m，半径为DN1 500 mm 的生活污水排放管道，并预留了1.5%的坡度。其中，上游管道和下游管道全部通过沉井连接在一起，并根据规范和标准要求预留了DN400 mm 的污水管。但是，由于本项目位于河岸边，土体中的含水量较大，土体的稳定性和安全性无法得到根本保证，需要采取针对性的措施予以解决。

4 沉井结构优化设计

为深入探讨市政工程顶管施工中的沉井结构优化设计，本文结合案例围绕顶管施工沉井结构整体设计思路、沉井壁厚设计、标高设计、顶力计算、环向计算、竖向抗拉计算6 个方面进行深入分析与探讨。

4.1 整体设计思路

本项目沉井结构设计需要从以下两个方面进行：（1）参数控制。从设计角度来看，需要将现有标准作为沉井设计结构参数依据，注重沉井结构设计及下沉稳定性验算，并保证施工完成的尺寸与标准尺寸之间的偏差控制在20 mm 以内。同时，井壁壁厚不大于-5 mm、+8 mm 的偏差，实际施工完成的保护层与设计保护层的偏差应控制在±5 mm。沉井下沉位置控制是参数控制的关键，下沉后位移值与下沉深度之间的比值应小于0.01。（2）因地制宜。在本项目中，受施工条件的影响，在严格控制参数的同时，还要根据工程项目的实际情况综合考虑其他因素。比如，项目所在地为市区繁华地带，顶管施工需要根据地下管道的分布情况、周边管线组织和开展施工，并合理控制下沉参数，对沉井制作方法进行优化，为保证作业精度，还要加强参数的偏差控制，由于考虑到降水可能带来的水土流失问题，具体设计过程中要做好力学参数分析，综合考虑位移可能性、周围土体变形等情况，确保沉井结构优化设计的可行性。

4.2 沉井壁厚设计

市政工程顶管施工中沉井结构的应用原理是利用沉井的自重实现下沉，如果沉井井壁厚度不能满足设计要求，会出现沉井自重不足，无法实现下沉；如果沉井井壁过厚，虽然可以实现下沉作业，却在一定程度上增加了工程项目的建设成本，造成不必要的资源浪费。因此，在工程项目建设工程中，要对沉井管壁的厚度进行科学合理的设计，从而保证沉井下沉过程的稳定性[1，2]。而在本工程项目的建设过程中，技术人员通过对工程项目实际情况进行分析，决定选择壁厚为0.55 m、内径为9 m 的圆形沉井。同时，为了在污水中顺利完成取土作业，还要完成对井壁内的排水作业，并科学合理地计算沉井下沉系数及稳定系数，以判断沉井井壁厚度是否合理。

4.3 标高设计

4.3.1 沉井井顶标高设计

在沉井井顶标高设计中，应当根据工程项目的实际情况，保证沉井井顶设计标高比市政地下水位高出0.5 m，防止和减少沉井在终沉过程中渗入大量地下水。在具体的顶管作业中，设计人员应深入施工现场，认真、仔细地勘察工程项目所在区域的地质、地形条件以及水文情况等。与此同时，在具体的设计过程中，地面标高应当比沉井井顶标高出0.3 m，这样可以充分保证沉井在下沉作业中施工人员的人身安全。但需要特别注意的是，由于本工程项目在沉井下沉作业中采用的是排水下沉法，尽管取土时施工人员发现井内没有水，但是沉井下沉时依然会受井外水土荷载的影响，因此，当其下沉至设计标高后应立即对其进行干封底。

4.3.2 刃脚设计

沉井刃脚尺寸应根据沉井的封底、刃脚竖向弯曲受力以及地基承载能力等情况予以综合考虑，既要满足混凝土厚度要求，又要综合考虑沉井刃脚厚度和配筋可以承受的弯矩，还要保证刃脚底部的压力不超过地基承载能力。为此，在刃脚设计过程中，需要设计人员对刃脚踏面标高和沉井的抗冲刷强度进行准确计算，充分结合沉井其他部位的尺寸，在保证沉井结构抗倾覆和可滑性的基础上对刃脚踏面标高值进行准确预估。此外，设计人员在具体的设计工作中，还要严格遵循相关标准的要求，保证预留的刃脚踏面标高偏差控制在规定范围内，方便后续施工人员在施工中根据工程项目要求调整刃脚标高。

4.4 环向计算

素混凝土和砖砌体是沉井的常用施工材料。如果沉井的规模不大，可以采用素混凝土圆形井或者砖体沉井。在沉井使用过程中，会受外界荷载的影响导致其截面出现不均匀受压，究其原因，是素混凝土圆形井或者砖体的沉井直径较大，容易受周围地形和地质条件的影响。在沉井下沉作业中，通常还会因为施工人员的失误以及其他方面客观因素的影响造成沉井出现下沉倾斜，其两侧出现被动和主动土压力，所产生的倾斜角度越大，土压力的差值也就越大。对此，在市政结构顶管工程项目建设工程中，还要对沉井进行准确的环向计算。

4.5 竖向抗拉计算

在顶管施工作业中，对沉井竖向抗拉强度的准确计算是优化沉井结构设计的一个重要环节，特别是在本工程项目施工过程中，由于本项目位于河岸边，土层含水量较大，土层的稳定性和安全性无法得到保证。为此，应根据沉井结构的设计标准明确沉井结构的竖向抗拉强度。

4.6 顶力计算

根据我国沉井结构设计的相关规范和要求，沉井承受的实际顶力应满足以下关系：

式中，Ptk为 沉井的实际顶力，kN；ε为折减系数；Epk为沉井刃脚底部处的主动土压力，kPa；Eak为沉井刃脚底部处被动土压力,kPa。

沉井井壁后背土体顶力标准值按式（2）计算：

式中，Ftk为沉井井壁后背土体顶力标准值，kN。

将本工程项目在建设过程中计算得出的沉井刃脚底部主动土压力和被动土的压力标准值分别带入公式（1）和式（2），最终计算得出沉井井壁后背土体的顶力标准值。经计算得出实际顶力值Ptk小于设计顶力值Ftk，符合相关标准和要求。

5 沉井结构施工方法及注意事项

5.1 施工方法

在沉井结构施工中，需要施工人员根据工程项目所在区域内的实际情况、地形和地质条件以及水文特点选择科学合理的沉井结构施工方法。排水下沉法是当前市政结构顶管工程沉井结构施工方法中普遍使用的方法。排水下沉法根据其自身的特点已被应用到渗水量小且排水速度快的砂砾层中，排水下沉法根据工程项目的实际情况可以分为水中取土下沉和水力机冲土下沉两种。在通常情况下，在沉井下沉过程中，施工人员还需要挖出深度为30～40 cm 的土，再从沉井中部向四周取土，从而保证沉井下沉过程中的安全性与可靠性。此外，挖出来的土应当堆放于远离沉井10 m 的区域，以减少外部土层对沉井的压力，保证工程项目建设质量[3，4]。

5.2 注意事项

本项目沉井平面设计图如图1 所示。该工作井抗渗等级为P6、混凝土强度为C30，采用HPB300 和HPB400 钢筋，井壁和底板钢筋保护层的厚度为35 mm 和40 mm，设计年限为1 年，工作井要求的地基承载力不小于100 kPa，全部机械顶管，禁止人工顶管，在沉井结构的下沉环节，要确保混凝土的强度为100%，对于井外水位，需要确保工作井比地下水位高出1 m 以上，采用不排水下沉方式[5]。

图1 沉井平面设计图

减摩措施需要根据工程项目的实际情况合理的选用，具体施工流程如下：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。

施工企业应做好对工作井尺寸的校准工作，确保顶管环节的最大顶力处于工作井和管材允许的最大顶力范围内，但不得大于4 000 kN；淤泥不得堆放在工作井的周围，同时还应做好临时维护措施；为满足沉井底板连接需求，应预留双层φ20 mm@200 mm 插筋于顶管井壁板的凹槽内，并于工作井周边设置一圈直径为500 mm，间距为350 mm 的旋喷桩，以此减少由于沉井在施工过程中在成的局部水土流程给周围建筑物和道路带来的影响。

6 结语

综上所述，本文结合实际案例，分析市政工程顶管施工中的沉井结构优化设计方法，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。