市政结构顶管工程沉井结构设计研究

杨松 李铁军

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司， 湖北 武汉 430000）

在市政工程施工过程中， 沉井结构本身埋深大，综合性能较好， 再加上承载面积较大的特点， 可承受更多外力， 并可有效降低施工成本， 提高施工效率。由于城市道路的复杂性， 实际市政建设中不能采用开挖技术。 顶管施工技术因其独特的优点， 在实际施工过程中被广泛采用， 而沉井作为顶管工程的工作井，在顶管工程中被广泛采用。 本文主要通过对我国有关沉井工程设计实例的深入分析， 探讨和深入研究我国市政主体结构深水顶管建设工程深水沉井总体结构设计。

1 市政结构顶管工程中的沉井结构特点

在顶管施工过程中， 应设置工作井的操作空间，以保证顶管工程的安全实施， 工作井本身就是一种临时设施， 沉井因施工周期短、 成本低而被广泛应用于市政工程。 沉井是顶管工程中应用比较广泛的一种顶管施工井。 普通市政结构顶管在设计过程中， 由于沉井本身要求刚度和深度较大， 因此在整体上具有整体埋设的前提下， 整体结构埋的深， 因此很容易设计出结构内力过大从而增加井壁厚度的沉井。 为此， 设计人员应根据国内的实际情况， 根据国内有关标准进行结构优化设计。

2 市政顶管工程沉井结构设计要点

2.1 沉井的井壁壁厚设计

由于沉井在下沉作业过程中主要是根据闭合质量的整体情况来进行的， 如果在设计时其重量不足以满足沉没要求， 就会出现各种问题。 所以设计者需要利用外力来增加重量， 以保证沉陷作业的正常进行。

2.2 标高设计

针对大型市政管道顶管排水工程井壁沉井基层结构的实际应用特点， 在长期进行顶管沉井结构的设计研究过程中， 也要综合考虑各种施工要求， 从而保证沉井在整体施工过程中的安全性和稳定性。

2.3 进行平面尺寸的设计

平面尺寸的设计整个沉井工程结构设计过程中的一个重要环节， 其结构设计平整水平直接关系影响整个沉井工程建设的施工效率、 可靠性和工程安全性。在大型市政建筑顶管建设工程中， 沉降井的结构设计中还必须详细确定每个沉井的总深度平面尺寸和最终进水深度。

3 顶管井结构方案

顶管井作为一种临时性给水设施， 其整体构造及技术应用施工过程中会根据实际井下地质条件情况、地下固体水位、 施工现场条件等， 有不同的整体结构设计。 当前正在工程建设下水过程中， 出现了许许多种类型的顶管井型。 为此， 作者特别作了一些相关研究总结， 具体内容简述如下。

3.1 沉井结构

在建筑施工使用过程中， 其沉井结构整体刚度大， 整体性好。 另外， 在沉井工程施工进水过程中，如果深水沉井主体结构进水深度较大， 通常需要通过内撑来促进收缩内力， 从而促进构造厚度的减小， 促进工程施工质量的提高。 另外， 设计者在借助该结构进行相关作业时， 还需加强对流砂、 涌水等地质条件的分析。

3.2 地下连续墙

地下连续墙作为一种平面墙体构件， 在实际使用装修过程中经常可能会遇到出现室内空间整体性差、墙体基层变形、 裂缝和墙体渗漏等各种问题。 据此， 有关技术人员在设计使用本项目设计方案时， 可通过预计设定支撑平面梁或环向加劲梁或环向内撑，以有效促进整体结构稳定， 促进设计相关经济效益的切实取得。

3.3 排桩结构

当前， 施工作业队伍在设计进行建筑顶管排桩井面的设计排桩施工结构作业时， 遇到顶管排桩井面不规则或顶管深度较大的特殊情况， 将应当优先考虑采用顶管排桩施工结构。 为进一步有效推动建筑工程质量的不断提高及工程相关经济效益的得到实现， 施工工程设计管理人员还必需及时加强对旋转吊喷、 摆动浮喷等各种止渗排水保护设施的合理设置， 有效率地避免因工程存在大量地下水而可能产生的重大施工安全问题。

3.4 钢板桩设计

由于其结构强度高、 施工快、 成本低等几大特点， 在水下工程建设设计过程中已经得到了广泛的实际应用， 但这种凝土结构的施工设计在实际应用建设过程中会同时受到水下地质气候条件和地下河流水位等多种因素的严重影响。 针对这一实际情况， 施工作业队伍在需要借助这项专业技术设备进行建筑相关施工作业时， 经常都会需要将高层钢板下水打进水层，以有效防止钢板低下水对建筑工程运行质量的直接影响。 另外， 在企业借助该排水结构设施进行地下相关维护操作的施工过程中， 若不能有效避免大量地下水的进入施工污染环境， 有关专业技术人员还可能需及时加强对地下泄水阀等设施的维护安装， 以防止出现此问题。

4 沉井主体结构设计

工程是根据某沉井工程建设重点区的实际施工情况， 技术人员设计采用市政沉井主体结构顶管进行基层市政沉井结构顶管设计施工。 就是钢沉井在实际工程施工工艺过程设计中的主体结构设计， 作者作了相关总结， 具体内容如下。

4.1 沉井壁厚的设计

一般而言， 在设计进行沉井壁厚度的设计时， 施工人员往往需要根据沉井工程建设的主体沉陷结构状况、 抗渗抗蚀性能提高要求、 抗浮性能要求等多种因素， 合理抉择选用。 为此， 笔者对其进行了以下相关问题分析， 具体内容概述如下： 首先考虑沉井需要的装卸过程， 一般来说是通过借助装卸沉井自身的巨大重量力来实施沉井下沉装卸作业。 但在实际沉井施工中， 管网沉井仍然存在着井体重量支撑不足的严重问题。 因此这就需要建筑设计师及时借助各种外力作用来进行加重， 从而有效促进墙体沉陷处理作业的有效顺利开展。

4.2 沉井施工的方法

沉井场地施工综合作业中， 施工人员经常认为需要根据沉井工程实际使用情况， 对不同工程沉井场地的自然水文、 地质条件情况对其进行各种综合优化分析， 从而可以实现对不同沉井场地施工作业方法的综合优化进行选择。 现在， 沉井工程施工最常用的沉井方法主要有两种， 即排水式的沉井法和不锈钢排水式的沉井施工法。 通常， 水下混凝排水层预沉法主要是被应用于一种渗水量较小、 性质性能比较稳定的硬质粘性混凝土或用于渗水下降速度较快的硬质砂砾性土层中。 在实际工程应用施工过程中， 排水沉法又因为可根据实际工程施工使用情况， 可分为水中自动和采用直冲排水下沉两种。 一般而言， 在建筑沉井朝向下沉施工作业中， 施工人员经常按照要求开挖30 ～40cm的圆形土方， 从整个沉井中间向四周对称方向取土， 使整个沉井均匀地朝向下沉。 另外， 挖出的混凝土方一定要及时堆放在距离沉井10m远处， 减少沉井外界对高层沉井混凝土层的侵蚀压力， 促进沉井工程施工提高质量。

顶管工程中， 沉井原理主要是根据沉井本身的重量来实现沉井， 所以在设计中， 如果井壁太厚， 沉井的自重就会过轻， 不可能单靠沉井本身的重量， 必须完成所有的下沉操作， 如果井壁太厚， 那么在保证其自身重量的同时， 施工成本也会上升， 所以在施工过程中， 如果井壁太厚， 就无法只靠自身的重量来完成下沉作业。 在顶式沉井工程中， 设计工作人员一般需根据顶管工程实际设计情况及时进行整体设计， 参照周围水文、 地质勘查条件， 因顶管工程周围沉井水位高度为10m， 在进行设计时， 应将其中沉井顶结构标高高度设为10.50m， 并同时参照周围水文、 地质勘查条件， 设计时间还应将工程沉井顶管结构的顶高高度设为10.50m。 鉴于前期工程中采用的方式是一种圆形沉井并排水标高下沉施工方式， 在进行取井施工时应尽量保证沉井污水的安全存在， 同时圆形沉井时由于井外的一定土壤含水荷载量也会对其产生一定的不良影响， 工作人员将圆形沉井污水沉至工程设计的排水标高时， 可对沉井进行干封底处理， 使其达到标准要求。 沉井要地面的整体标高误差进行准确设计，在顶管沉井工程施工中， 应先初步确定各处的标高，然后逐步确定其整体抗冲击的强度误差值， 使之与其它施工部位标高相结合， 以利于确保整个沉井主体结构构件具有良好的整体抗应力滑移冲击性能和强的抗应力倾覆冲击能力， 并在沉井施工中首先确定所有必需的整体标高误差值， 沉井顶管结构主体强度、 抗压应力性能等密切相关， 应对沉井结构顶管平面主体尺寸设计进行综合设计， 为实施市政主体结构沉井顶管建设工程中的沉井主体结构设计施工提供各种有利条件。 根据沉井相应的技术要求， 设计操作人员在进行设计时， 应严格保证整个沉井水平结构的基下沉陷的深度不得超过10m， 沉井水平结构的基层水平主体位移深度不得大于100mm， 沉井的主体沉陷结构深度一定要不得大于沉井水平结构位移的1%。

5 结语

在顶管市政工程中， 沉井主体结构设计是一种临时主体结构， 具有设计施工方便、 成本低、 影响小等特点， 可为市政工程建设管理提供方便， 为了保证使顶管沉井工程中的沉井主体结构设计能够符合实际工程要求， 加强总体设计保证效果， 对顶管沉井主体结构设计进行全面设计分析， 合理地设计进行顶管沉井主体结构设计。 工业沉井主体结构设计中， 应充分结合沉井工程实际设计情况合理确定城市沉井的主体井壁基层厚度， 对城市沉井主体结构厚度进行详细的厚度计算， 确保城市沉井主体结构厚度计算的可靠正确性， 通过有效的结构设计可有效加强城市沉井主体结构的性能稳定性， 使城市沉井主体结构能够发挥有效的保护作用。