市政结构顶管工程沉井结构设计研究
肖刚
（上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司）
在市政建设中，要根据不同功能需要，设置不同管线，但由于目前我国城市道路实际情况比较复杂，在市政管线施工中，往往需要采用非开挖技术。顶管施工有噪声低、施工进度快、节约施工成本等诸多优点，正逐步受到市政建设的关注和推广。在城市顶管工程中，沉井设计是一个非常关键的环节，由于其刚度大、整体性好，因此在市政工程顶管施工中快速地推广和使用。在具体应用时，应依据本地区地质条件、地形条件和地下水的实际状况，采用相应的结构形式[1]。因此设计者必须注意到设计要点，并对其进行合理设计，以保证整体施工质量。
在进行城市顶管工程的施工时，有关单位要在顶管施工中提前设置好顶管井，才能保证下一步的顶管施工。因此，在设计阶段，有关技术人员要根据项目所在地区的具体条件，保证施工的完整性和质量，通过对施工调整方案、工程项目施工的需求、对工程结构进行科学、合理的设计，使其在工程设计中发挥最大的作用。目前国内最常用的顶管井筒结构形式有4 种。①沉井结构。采用沉井结构进行顶管施工，整体强度较高。在进行顶管工程后，由于沉井具有较大的地表深度，因此有关工作人员需要减小部分沉井结构的厚度，以减轻其内部的应力，在顶管施工中，对其进行了内支保护，使其质量和稳定性得到了极大的改善。同时，还应考虑到流沙、涌流等地质条件对工程的不利影响。②地下连续墙结构。从形式上讲，采用地下连续墙进行顶管施工时，其沉井的形状将维持在平面上，且总的占地面积不大，能够有效防止连续的水泄漏。但是，由于地下连续墙的刚度较低，在进行顶管工程时，会产生墙体变形、空间不足等问题。因此，有必要对其进行支撑，以改善其整体稳定性。在大型顶管工程中，常采用地下连续墙沉井结构。③排桩结构。在沉井结构设计实践中，若技术人员发现沉井结构布置不合理，沉井深度较大，应采用排桩结构进行顶管。在进行排桩结构设计与使用时，应根据施工人员的要求，对其防水性能进行优化，以防止地下水对沉井结构的负面影响，进而对工程建设的质量产生不良影响。④钢板桩。钢板使用优势更加明显，它本身的结构强度更高，而且施工非常方便，成本也可以大幅度降低，在各种顶管工程中有着很好的应用前景。在实际使用钢板桩时，由于工程地质、地下水等因素的影响，要求施工人员将钢板桩打入不透水层地质环境，并设计出一套完善防水性措施，防止地下水位过低对工程建设产生影响。
2.1参数控制
在进行沉井结构设计时，应对其设计参数进行多次计划和认真核实。具体而言，工作人员要着重分析沉井施工和沉井两个阶段的施工。在沉井施工中，工作人员要保证完成后的尺寸误差不大于20mm，沉井的壁厚误差不大于8mm，为其设计的防护层与已建成的防护层之间的偏差不能超过5mm。沉井沉降系统的参数控制重点是对沉井的控制，沉降后的位移与沉井深度的比值不能大于1%，井刃的平均标高与设计高度的误差不能大于5mm。一般情况下，在顶管工程中，沉井结构的设计参数应符合设计规范[2]。
2.2因地结合把握重点
在国内不同地区地基情况和地下结构千差万别，如果是在一个比较复杂的地质环境中相关工作人员必须按照正常程序来控制设计参数。并根据工程地质特征，综合考虑各种影响因素。比如，城市内的顶管工程，其沉井结构的设计要考虑到地下管道的分布情况。当施工区域内的输气管线比较稠密时，必须加强沉井结构的制作和沉降参数的控制，并严格控制施工期间偏差，保证工程精度。在施工区域降雨较多的情况下，其沉井施工将会遭受大量的降雨，因此必须在设计时对其力学参数进行分析，并加强周边土体变形和变形问题的重视，从而提高了顶管施工的安全性。
2.3设计要点
⑴对于井壁厚度设计，在沉井沉降期，工作人员需根据沉井的实际情况来制定沉降计划，而对于井壁厚度的设计工作，往往忽略了沉井本身的重量要求，这就导致了各种质量问题。其次，应将外部力量与沉井的自重相结合，以提高沉井的工作稳定性。
⑵优化高度。工作人员要综合考虑城市顶管工程的各种特点，在沉井标高设计时，综合考虑各方面的要求，确保整个沉井在整个施工中不会发生质量问题。
⑶图形设计工作，在沉井结构的施工中，必须对其平面尺寸进行合理的规划，其平面大小的确定程度将影响到工程能否有效、平稳地进行。在顶管工程的沉井结构设计中，沉井的平面尺寸要按其最后的沉井深度来确定[3]。
某黑臭水体综合治理工程沿河截流管道采用顶管施工顶管工作井和接收井均采用现浇钢筋混凝土圆形沉井结构。沉井采取不排水的方式，在海底进行封闭。在工程设计中，桩身承载能力的特点是Fak 大于150kPa，沉井承载能力特征值fak为100kPa。在沉井阶段，本工程采用圆形沉井，详情见图1，采取分层浇筑、分层沉降的方式，在第一节沉井必须在钢筋混凝土100%后才能进行沉降，其余部分在70%以上才能进行沉降，即首次沉井的沉井深度不能超过5m，沉井的沉井应设在地下1.5m 处，顶管为泥浆平衡式机械顶管，在顶板和工作井壁间设有尾板。后排座椅最少为3.0×3.0m，可采用枕垫木加钢板形式的装配式后座，后座应与管道轴线垂直，允许不垂直度为5mm/m。
4.1井壁厚度设计
在顶管工程沉井结构设计中，首先要对井壁进行分析，以获得理想的参数。在确定井壁厚度时，通常要考虑下沉需求、稳定下降需求和抗浮力需求三个方面。沉降量是指沉井在一定程度上能够克服摩擦，使其下沉到正常位置，稳定沉降要求是在沉降因子允许的范围之内，而不会发生突然的下陷或下陷不能有效地进行，抗浮力要求是指在受水影响的情况下，井内的井壁可以依靠自身的重量来保持其位置的稳定性。其中，下沉要求是设计要求的中心，用S表示下沉系数，得到了一种适用范围较广的公式：S=(A－B)∕C,S不小于1.05，式中S表示下沉系数，A表示沉井的重量，B表示沉井时产生的动力承载力，C表示沉井时的平均阻力。若S值低于1.05，则说明沉降系数太小，工作效率不高，若S值较大，则有可能存在快速沉降的隐患，说明土壤环境较差，或对浮力要求较低。
4.2强度设计
强度设计是指在顶管工程沉井的结构设计中，考虑持续作业和机械扰动的影响，采用技术措施提高了设计的可行性，以保证井内外部土体的外力不会对顶管程沉井作业造成太大的影响，同时对周围的土壤和组织造成的破坏也不会太大。在设计时，主要考虑了三个方面：环向力、纵向力、底板力。其中，环形受力是设计的核心内容[4]。通常，根据工程规范，对封闭环形表面的应力进行了分析，并采用了降维法，使沉井井壁在承受外力时具有均一的能力。通过对井壁剖面的分析，得出了四种计算公式：
E1和E2表示相同的井壁断面上的轴向应力，E3和E4 分别表示，两者之间有一定的差别，x、v分别表示同一井壁断面外侧的水平压强，其半径为0.7854、0.5、-0.1488、-0.1366 都是固定的影响因子。在工程实践中，可以将实测参数、工程要求代入，通过配比分析得到最后的强度计算结果，并对纵向和底板的应力进行了分析，通过对三个因素的综合分析，得出了顶管沉井结构强度参数的计算公式。
4.3力学结构设计
力学结构与顶进力量、周边土体的压力、沉井自重等因素有关，沉井沉降时产生的摩擦等问题。在传统的结构形式中，应充分考虑各因素，并根据不同的加权因子进行分析，首先应注意的是顶板的动力，其次是周围土壤的压力、沉井下沉时的阻力、沉井自身的重量和其他微小的外界压力，例如在土壤的不均匀分布时，压力的不同。在具体工作中，提出了按施工需要编制施工方案，并按施工方案对其进行受力和受力性能的评价。详情见表1、表2。
表1 沉井结构力学结构计算
表2 沉井结构结算结果
4.4原始信息收集
在顶管工程中，原始资料的采集在设计中必不可少，原始资料丰富、详尽，可为设计、模拟分析等工作提供资料。在后续工作中，建议从工程建议书到竣工的整个周期，对各种施工工艺中涉及的主要参数进行持续地分析、收集、整理、统计。在设计初期，应搜集土地密度、抗屈服强度、管壁内外直径等原始资料[5]。在施工期间，还要进一步搜集地基位移、降水等动态资料，对现有技术方案的可行性进行评价，并对调整环节进行设计，以丰富的资料，为顶管施工的沉井结构设计提供依据。
4.5设计模拟
鉴于顶管施工中复杂性较强问题，采用先进施工技术，获得与实际环境和工作要求相吻合的模型，并为以后的工作提供支撑。在进行地基干扰分析时，由于各种参数的固定、力的综合效应很难用常规的方法来评价，可以将各种不同的参数作为预设参数，代入BIM 模型进行力学仿真，且能够对该方案的可行性及不足进行分析。静态仿真方法不能达到预期的结果，可以通过引入时间参数和操作参数等方法来实现对顶管工作中各种参数的改变。各种虚拟现实技术可以为以上工作提供一定支持。
综上所述，在市政城市顶管工程施工中，沉井结构设计对以后施工是否能够顺利开展有着直接影响，故而应强调科学规范。站在设计方法角度上来看，需强化对参量调控，选择明晰规范进行服务设计，对顶管工程中沉井结构设计要点进行分析，可知力学结构设计、原始信息收集和模拟，为设计工作的三个基本要点。
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