市政结构顶管工程沉井结构设计研究

范娜

摘要：在市政顶管工程设计施工中，沉井结构的合理与否直接影响着市政顶管工程整体质量水平。因此想要保障市政结构顶管工程实现高质量顺利完工，有必要对沉井结构进行优化设计。基于此，本文將结合具体工程案例，重点针对市政结构顶管工程沉井结构设计进行简要分析研究，以期能够为相关研究人员提供必要理论参考。

Abstract： In the design and construction of municipal pipe jacking engineering， the rationality of the sinking structure directly affects the overall quality level of the municipal pipe jacking project. Therefore， in order to ensure the high quality and smooth completion of the municipal structure pipe jacking project， it is necessary to optimize the design of the sinking structure. Based on this， this paper will focus on the analysis of the design of the sinking structure of the municipal structure pipe jacking project based on specific engineering cases， in order to provide the necessary theoretical reference for relevant researchers.

关键词：市政结构顶管工程;沉井结构;设计要点

Key words： municipal structure pipe jacking project;sinking structure;design points

中图分类号：TU99                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）31-0178-03

0  引言

本文探究市政结构顶管工程沉井结构，可以在帮助人们准确把握沉井结构特点的同时，为设计人员实际开展市政结构顶管工程的沉井结构优化设计工作，提供有效的实践指导与帮助。从而依托合理的沉井结构设计，为后续市政结构顶管工程的顺利施工以及提升工程施工质量，奠定坚实良好的基础。

1  市政结构顶管工程中的沉井结构特点

城市为充分实现其各项功能，通常需要敷设众多管道。其中顶管井作为一种临时设施，因其施工周期相对较短且具有成本低廉等众多优势特点，因此被广泛运用在市政工程中。沉井则是一种较为常见的市政工程顶管井结构类型，一般市政结构顶管工程中，沉井结构的刚度与深度均相对较大，具有良好的整体性。但也因沉井结构较深，导致其比较容易出现结构内力过大、沉井壁厚过大等情况，从而直接影响着市政结构顶管工程建设质量。因此需要设计人员充分结合工程实际，并严格遵循国家相关标准要求对市政结构顶管工程中的沉井结构进行优化设计。

2  工程概况

本文为有效说明市政结构顶管工程的沉井结构设计，选择以某地区的地下管线工程为例。该工程临近住宅区，属于典型的市政污水工程，使用的污水管为不锈钢材质的DN1350mm污水管，其总长度为250m，坡度为1.5%。该段污水管负责连接上游和下游的污水管，要求在检查井的指定位置处预留管径为DN400mm的污水管，由于在该市政结构顶管工程中，无论是顶管工作井还是接收井，均位于河岸边，因此受水系发达因素的影响，工程施工区域的土质大多为淤泥或淤泥质土质，土层含水量相对较大，稳定性较差。因此为了能够有效增加市政结构顶管工程施工的安全可靠性，同时保障工程整体施工质量，相关工作人员经过综合考量，最终决定在该市政结构顶管工程中采用沉井结构。

3  市政结构顶管工程沉井结构设计要点分析

3.1 沉井壁厚

在市政结构顶管工程中，沉井原理为利用沉井自重实现下沉，因此如果因沉井井壁较薄，将会出现沉井自重过轻的情况，此时仅仅依靠沉井自重显然无法有效完成下沉作业。而如果沉井井壁过厚，虽然可以保障沉井自重足够，但导致工程成本增加与资源浪费。

因此需要设计人员科学设计沉井壁厚，确保沉井具有较高的下沉稳定性和抗浮性能[1]。按照相关规定要求，沉井下沉稳定系数应当在0.8到0.9之间，如果沉井结构水位较高，则应保证井体抗浮系数至少为1。该工程中，设计人员通过充分结合实际情况，选择使用深度为21m、壁厚为0.9m且中心直径超过27m的圆形沉井，并对其进行排水下沉作业。即在确保井内为无水状态下进行取土作业。但为检验沉井壁厚设计值是否合理，需要对沉井下沉及其稳定系数进行准确计算。计算公式如下：

在这一公式当中，Kst与Kst，s分别代表沉井下沉系数与沉井下沉稳定系数，Glk和Ffw，k以及Ffk分别代表着沉井结构的自重、浮托力与井壁摩擦阻力标准值。Rb代表沉井刃脚下地基土极限承载力总和，由于在该工程中圆形沉井以排水下沉的方式进行下沉作业，因此在参考其他相关参数下，可知该沉井结构的自重与浮托力分别为16809kN与0，Rb取值为500kPa。根据最终的计算结果可知，该沉井的下沉系数超过1.05，下沉稳定系数为0.8，均与规定要求相符合，因此证明沉井井壁厚度设定为0.9m具有较高的合理性。

3.2 标高设计

①井顶设计标高。

设计人员在立足市政顶管工程沉井结构实际特点，对沉井井顶标高进行设计时，出于结构安全因素的考量，要求沉井井顶的设计标高，应当比市政顶管工程周围水位高出0.5m，从而有效防止沉井结构在终沉之后，有大量地面水流入沉井当中。在该市政顶管工程中，设计人员立足工程实际以及水文、地质条件，可知工程周围水位为10m，因此该沉井结构井顶标高最终设定为10.5m。另外在设计过程中，需要保障地面低于沉井井顶标高0.3m，以此有效保障了沉井结构下沉作业的安全可靠性。值得注意的是，由于该工程采用圆形沉井排水下沉法，因此在取土作业时井内无水，在沉井过程中直接受到井外水土荷载的作用影响，工作人员将沉井下沉至设计标高后即可进行干封底。

②刃脚踏面标高。

在设计该市政结构顶管工程中沉井的刃脚踏面标高时，要求设计人员需要精准计算沉井结构抗冲刷强度值，并与沉井结构其余部位尺寸进行充分结合，在保障沉井结构具有良好的抗滑移性能与抗倾覆性能的基础上，预估出沉井刃脚踏面标高值。随后设计人员应当严格依照国家相关规定要求，预留出一定的刃脚踏面标高误差，便于后期在实际进行沉井施工时，施工人员可以结合工程实际情况对沉井的刃脚踏面标高进行适当优化调整[2]。本工程中采用的圆形沉井的刃脚踏面宽度和标高分别为0.45m与1.4m，沉井的内侧倾角超过45°，与规定设计要求相符。

3.3 平面尺寸

在市政结构顶管工程中，沉井结构的平面尺寸与沉井结构强度和刚度、沉井结构抗压性能等均有着直接影响关系。因此沉井结构平面尺寸设计也是市政结构顶管工程中沉井结构设计的重中之重，根据相关规定要求，设计人员在设计沉井结构平面尺寸时，应保障沉井结构下沉深度不超过10m，沉井结构的水平位移不超过100mm，且沉井下沉深度应当比其水平位移值高出1%。该污水工程中的圆形沉井中心直径为27.5m，壁厚为0.9m。

3.4 顶力计算

由于在市政结构顶管工程中，工作人员一般使用专业的工作井顶管设备完成管道顶进操作，因此工作人员需要严格控制工程顶力，如果在沉井结构设计中，顶管机顶力与规定的工作井顶理论值要大，则需要相关工作人员依照实际情况适当减小管道顶进阻力。在计算顶力时需要使用如下公式：

在这一公式当中，D和L分别代表着管径与顶进长度，Ptk与Nf则分别表示顶管顶力与顶进阻力，f表示摩阻力均值。通过将相关参数代入其中，最终可以计算得到该市政顶管工程中的顶管顶力值约为10756kN。

3.5 环向计算

本工程中使用的圆形沉井井壁为筒壳，受到周围水土压力作用影响，沉井截面在受压状态下，拉应力相对较小。而考虑到砖砌体以及素混凝土普遍具有良好的受压性，因此如果市政结构顶管工程采用的圆形沉井规模并不大，则建议运用砖砌体沉井或是素混凝土圆形沉井。但如果工程需要使用大型的圆形沉井，则因受到外荷载作用的影响，沉井截面将会出现受压不均匀的情况。这主要是由于大型圆形沉井的直径也相对较大，且沉井周围土质可能存在不均匀的情况，故而导致水土压力出现较大差异。

另外，在实际进行沉井下沉作业时，因相关工作人员操作不当，或受到其他因素的影响，极有可能出现下沉沉井倾斜的现象，使得圆形沉井倾斜两侧分别出现主动土与被动土压力。一般当倾斜角度相对较大时，土压力差值也较大。因此设计人员在对市政结构顶管工程中的圆形沉井进行环向计算时，大多会通过假设垂直方向上沉井井壁二点土内摩擦角的差值在5°至10°之间，从而有效完成土压力差值的计算工作。

但本文认为，在采用这一方法进行计算时，设计人员应当充分结合沉井具体大小，如果工程中使用的圆形沉井直径较大，则可以将井壁二点土内摩擦角差值设定为5°，如果圆形沉井的直径相对较小，则取10°更为适宜。

3.6 竖向抗拉计算

对沉井的竖向抗拉进行计算，同样也是市政结构顶管工程中沉井结构设计的要点之一。但由于本工程施工区域的土质大多为淤泥或淤泥质土质，土层含水量相对较大，稳定性较差。因此按照国家相关规范要求，可直接省略沉井竖向抗拉计算。这主要是由于在沉井下沉时，如果其位于软土地区，则沉井下沉系数至少为1.5，沉井刃脚深埋于土中，不存在悬空的情况，因此使得沉井在软土地区进行下沉作业时基本不会出现沉井竖向拉断的问题。但如果沉井下沉系数在1.5以内，则设计人员有必要进行沉井竖向抗拉计算。

在计算沉井井壁竖向拉断力最大值即Nmax时，需要使用如下公式：

而在计算沉井截面的抗拉承载力时，需要使用的计算公式为：

在这一公式当中，Nd代表着沉井截面抗拉承载力，而fsd代表沉井使用的III级钢筋的抗拉设计值，As为受压钢筋面积。

3.7 稳定性检算

根据相关规定，在市政结构顶管工程中，圆形沉井土体受顶力作用影响，其稳定性应当满足：

在该公式当中，Eak和Epk分别代表着位于沉井刃脚底部的土与被动土的压力标准值，折减系数则用？孜进行表示[3]。由于该工程中的顶管顶力距离圆形沉井刃脚底部土近7m，因此通过计算将折减系数取值为0.7。在计算井壁后背土体顶力标准值时，需要使用如下计算公式：

通过参考该市政结构顶管工程当中位于圆形沉井刃脚底部的主动土与被动土的压力标准值，并将其代入到上述公式中，计算可得本工程圆形沉井的井壁后背土体顶力标准值为27938kN。由此可知该圆形沉井的实际顶力要比井壁设计顶力小，因此与规定设计要求相符合。

4  結束语

综上所述，在市政顶管工程中，采用沉井结构的顶管井时，需要设计人员通过充分结合工程实际，并严格依照相关标准要求与设计规程规定，合理设计沉井结构井壁厚度，并对影响沉井结构安全可靠性、稳定性的各项计算指标，包括顶力值、下沉系数等进行精准计算，由此设计出最优的沉井结构。

参考文献：

[1]邹建世.国家速滑馆北路雨水管道人工顶管施工技术[J].建筑机械，2019（02）：85-88.

[2]王剑安，袁茂成.浅论市政工程顶管（沉井）施工控制要点[J].居业，2017（04）：105-106.

[3]程燕，石立彬.顶管施工中支护结构的选型[J].水利科技与经济，2015，21（03）：105-107.