市政顶管工程沉井结构设计要点及应用分析

梁峰

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060）

1 市政顶管工程沉井结构方案

在开展市政顶管工程项目建设的过程中，相关施工团队必须要提前建立顶管井，以此来推进后续的顶管施工工作顺利开展。所以，为了保障顶管井设施施工工作的完整性以及设计质量，相关技术人员在设计阶段当中，就要结合工程项目建设区域的实际情况，施工调节计划，工程项目建设要求，科学合理的设计工程结构方案，以此来充分发挥工程设计结构的应有作用。目前，我国较为常见的顶管井结构设计类型主要分为4种。（1）沉井结构。采用沉井结构开展顶管施工工作，其结构总体强度更高。在实际顶管施工工作开始之后，由于沉井结构具备较大的地面深度，所以为了降低沉井结构内部的应力作用，相关工作人员要减少一部分沉井结构的厚度，为其提供内撑防护，从而大大提高顶管工程的质量水平和稳定性。除此之外，设计人员还要结合流沙涌水等地质状况产生的不利影响。（2）地下连续墙结构。从形式上来看，采用地下连续墙开展顶管工程，其沉井形态会保持平面结构，总体占地面积较小，有效避免水体的持续渗漏。但相对地下连续墙结构的刚性较差，在实际顶管施工开展的过程中，会出现墙体变形或者空间不够等问题。为此，相关工作人员需要为地下连续墙结构规划支护装置，提高地下连续墙结构的总体稳固性。在深度较大的顶管工程施工过程中，地下连续墙沉井结构应用较为频繁。（3）排桩结构。在实际沉井结构设计工作的过程中，如果技术人员发现沉井结构分布不够规则或者沉井深度过大，那么工作人员就要选择排桩结构完成顶管施工工作。在排桩结构设计和应用的过程中，技术人员要对其防水性能进行优化，避免沉井结构受到地下水的不利影响，从而对最终的工程项目施工质量造成不利损害。（4）钢板桩。钢板中的应用优势较为明显，其自身的结构强度往往较大，并且施工过程极为便捷、成本支出能够有效缩减，在各类顶管工程当中都具备极为良好的应用价值。在实际钢板桩应用的过程中，其应用会受到工程地质条件和地下水等因素的影响，这就需要技术人员将钢板桩打入到不透水层地质环境当中，还要为其规划一套完整的避水设施，避免地下水位较低为工程项目质量带来较大损害。

2 顶管工程中沉井结构设计思路

2.1 参数控制

在沉井结构设计工作开展的过程中，针对顶管工程沉井结构的设计参数要进行反复的规划以及仔细的核查。具体来说，工作人员需要对沉井施工和下沉两个施工步骤进行重点分析。在沉井施工过程中的参数控制，工作人员必须要保障施工完毕的尺寸和标准尺寸偏差不超过20mm，沉井壁厚度的偏差要小于8mm，为其设计的保护层与实际建设完毕的保护层偏差在5mm之内。而沉井下沉结构当中，参数控制重心要放在沉井位置的控制工作上，其位置水平差在下沉之后的位移量与下沉深度比例不得超过1%，井刃脚的平均标高和设计标高的偏差不得超出5mm。在正常状况下，顶管工程沉井结构的施工参数必须要满足标准的规范。

2.2 因地制宜把控重点

在我国各个地区当中，主体条件以及地下结构都存在较大的区别和特殊性，如果顶管施工工作选择较为复杂的地质区域当中，相关工作人员不但要依照常规施工对沉井结构的设计参数进行有效把控，还要结合施工区域的地质条件特点，将各类影响因素融入其中。例如，市区内部的顶管施工工作，其沉井结构设计工作要结合地下管线的分布状况。如果施工区域地下供水供气管道较为密集，那么就要进一步提高沉井结构制作以及下沉参数的控制力度，严格控制期建设偏差，最大程度上提高施工精准度。如果施工地区的降水较为密集，那么其沉井施工就会受到降水的巨大侵害，这就需要从设计上对力学参数进行分析，强化周围土体形变或者位移问题的考虑力度，以此来提高顶管施工工作的安全水平。

3 沉井结构的设计要点

（1）针对井壁壁厚的设计工作，在沉井下沉的阶段当中，工作人员会结合紧密的实际重量做出下沉规划，如果井壁壁厚设计工作严重忽视了沉井的重量需求，那么就会诱发各类质量问题的出现。其次，设计人员还要结合外力增加沉井的重量，使沉井能够具备更高的运行稳定性。（2）对其标高进行设计优化。工作人员需要结合市政顶管工程沉井结构的各方面特点，在其井壁下沉标高设计的过程中，结合各方面施工需求的因素，保障沉井在整体施工过程中不会出现任何质量损害。（3）平面设计工作。沉井结构施工设计，需要对其平面尺寸进行合理规划，平面尺寸的设计水平将直接关乎整个项目是否能够高效顺利的开展。而在顶管工程沉降结构的设计阶段当中，也要根据沉降结构的最终深度，对沉井的平面尺寸作出合理规划。

4 顶管工程中沉井结构设计方法

4.1 井壁厚度设计

开展顶管工程施工工作的过程中，相关设计人员首先要对沉井结构开展设计工作，尤其是井壁的厚度要做出全面的分析和规划，制定出一套较为科学合理的参数标准。针对井壁厚度的设计工作，需要设计人员结合三方面因素，分别是沉井的下沉需求，稳定下沉需求以及抗浮需求。沉井在下沉的过程中需要克服巨大的摩擦力，当沉井开始下沉并达到指定下沉位置过程中的相应需求。而稳定下沉需求则是指下沉系数处于允许范围内，不会再次出现突然下沉并且下沉状况不会再次出现。部分沉井结构建设区域会受到周围水体的影响，在此期间就会涉及到沉井结构的抗浮需求，当沉井井壁能够依靠自身重量维持位置稳定的时刻就达到了沉井的抗浮需求。在上述三方面因素当中，下沉需求往往是最为重要的参考内容。设计人员可通过数学公式的方式进行合理计算，以S来代表下沉系数，从而获取一套极具实用性的公式：S=(A-B）/C，且S不小于1.05式中，S代表下沉系数，A代表沉井的自重，B代表下沉过程中出现的动态托浮力（如水），C代表下沉的均匀阻力。正式的工程项目建设工作，工作人员便可将各类信息带入到此公式当中，如果得出的S值小于1.05，那么工作人员便可得出，沉井结构的下沉系数较小，作业效率会持续降低。如果s值大于1.05，那么沉井结构在下沉的过程中就会出现速度过快的问题，显现出周围土体环境稳定性较差或者抗浮需求较差的情况。

4.2 井底设计标高

井底标高的设计工作需要设计人员结合市政顶管工程沉井结构的各类特点以及多方面需求，让沉井体标高得到全方位的规划。首先，出于安全方面因素的考虑，沉井底设计标高要比市政顶管工程水位高出半米，这就能让沉井结构在到达最终沉降位置之后，地面当中的水流不会流入到沉井内部。例如，在我国以往的市政顶管工程建设工作过程中，相关设计人员结合了施工地区的地质水文信息，得知施工工程周围水位标高为10m，这就需要沉井结构的井底设计标高最终定为10.5m，这就可以避免周围水流进入到沉井当中。另外，在设计工作开展的过程中，要控制地面位置低于沉井井顶标高的0.3m，以此来保障沉井结构下沉作业具备较高的安全性和稳定性。如果某些工程管道标高位置在地下水位之上，那么施工期间就要运用科学合理的降水策略，使工程附近地下水位能够降至底板的0.5m以下。

4.3 刃脚踏面标高

为保障顶管施工工作的顺利进行，设计人员要结合沉井设计工作的标准规范，优化沉井结构的抗倾覆性水平，大幅度提高沉井结构应用的整体性和稳固性。除此之外，针对陈景外表设计工作，还要与其他部位尺寸相互匹配，这能够让沉井结构的设计更加合理更具时效性。在实际设计工作的过程中，工作人员需要对沉井刃脚踏面的标高和角度进行计算，这能够让沉井结构的防滑性和抗倾覆性能力大幅度提高。

4.4 稳定性设计

沉井结构设计工作是顶管工程施工过程当中不可或缺的重要基础，相关工作人员需要考虑周边土体受到扰动后的具体形变状况。当周围土体出现较大形变时，顶管作业便无法有效的开展，同时还会受到管道材料、推进力量等多方面因素的影响，从而引发土体破坏，顶进位移，顶进偏移等问题。相关工作人员必须要对其稳定性作出深入分析，减少由于非必要因素带来的不利干扰，大幅度提高其整体应用效率。在设计工作开展过程中，工作人员必须要重点分析顶进力量因素。以Z来代表顶进力量值，并可获取一套完整的计算公式，：Z=πDLv+N，其中D代表管道外径，L代表顶管作业过程中顶进的长度，v代表管道外壁与土体的平均摩阻力，N代表顶进阻力。在实际工程项目建设的过程中，相关工作人员需要对现场数据进行测量，随后再带入到计算公式内部，最终获取相应的数据内容，同时也能获取作业效率的模糊值。随后，再借助模糊值与作业区域内部土体强度值作出对比和对照，便能掌握施工工作对于土体环境的具体劳动状况。如果Z的计算结果小于周边土体压力，那么就代表施工工作对于周边土体的扰动较小。如果Z的结果超出周边土体压力，那么就代表施工工作极有可能会导致土体出现位移状况。这就需要工作人员重新对顶管工程沉井结构做出设计，必要时要更换沉井结构的施工位置。

5 顶管工程中沉井结构设计要点

5.1 力学结构设计

开展市政工程顶管施工工作，相关工作人员需要结合沉井施工的力学结构作出综合化判断，力学结构内容通常会涵盖顶尽力量，周边土体对于沉井井壁的压力，沉井自重，以及沉井下沉过程当中的摩擦力等信息。综合考量的过程中，设计人员需要结合各方面影响因素的重要程度做出相应规划，首先就要对顶进力量进行考虑，随后才可进行其他因素的分析工作。如果建设区域菩提呈现出密度不均状况，或者受压不均状况，那么就要根据工程的建设需求完善具体的设计方案，结合设计方案内容对力学结构作出分析和评估。

5.2 原始信息收集

市政工程顶管施工工作沉井结构的设计工作需要大量的原始数据信息进行支持，不断扩充原始信息的储存量，便能够让沉井力学结构设计、模拟分析等活动更加真实，贴切和精准。在实际施工工作开展期间，信息收集工作要贯穿于整个施工的各个阶段当中，同时还要不断的对各类关键数据信息进行充分分析，最后做出汇总和计算。通过各类数据信息的分析和把控，能够对现有技术方案的可行性作出评估，同时也可对细微不足之处作出相应调整，以丰富信息为参考的顶管工程沉井结构设计工作，其可行性以及实效性能够得到充分保障。

5.3 设计模拟

为避免沉井结构设计方案在实际应用过程中出现较大偏差，在方案设计完毕之后就要应用现代化计算机软件技术，开展实时环境的模拟演练，以此来提高方案设计的适用性，保障沉井结构设计的精准度。例如，在对施工工作土体扰动问题分析的过程中，其分析过程会涉及到多类固定因素。沿用传统的工作模式进行评估其科学性会大打折扣，为此工作人员可将收集的原始信息化作默认参数，代入到BIM数据模型系统当中，实现力学模拟，分析该种设计策略的可行性以及薄弱环节。

6 结语

在市政工程顶管施工工作的过程中，沉井结构是重中之重，其关乎着顶管施工是否能够顺利开展和完工，同时也关乎着顶管施工以及管道铺设的最终质量水平。所以，相关设计人员要结合工程实况的分析，严格按照相关标准进行设计规范，合理的把控沉井结构井壁厚度，同时还要对沉井结构的稳定性、可靠性、各类计算指标作出精准计算，从而规划出一套适用性最强，精准度最高的沉井结构设计方案，为市政工程顶管施工工作的高效开展奠定良好基础。