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探究市政结构顶管工程沉井结构设计

发表时间：2020/8/6 来源：《基层建设》2020年第10期作者：何宗林1 张五磊2

[导读] 摘要：随着国家的经济水平飞速发展以及不断的推进城市化水平，大力开展建设工程项目，使我国的市政工程建设项目日益增多。

        1.中煤科工集团重庆设计研究院有限公司四川成都 610094
        2.中国电子工程设计院有限公司四川分公司四川成都 610052
        摘要：随着国家的经济水平飞速发展以及不断的推进城市化水平，大力开展建设工程项目，使我国的市政工程建设项目日益增多。在这种情况下，相关部门加大了对市政工程建设的开展力度。为了能取得更好城市经济水平和社会效益。本文主要通过对市政结构管顶工程的沉井结构设计进行研究与探讨。
        关键词：市政；顶管工程；沉井结构；设计
        现阶段为了推进我国城市化进展以及实现城市的各项功能，通常在开展市政工程时需要铺设许多的管道。因此，建设工程团队会根据城市路面的复杂性，在实际操作作业时会使用非开挖技术进行施工[1]。由于工程建设单位对顶管施工技术的青睐，所以顶管施工技术凭借着自身的优势被广泛的应用在实际的建设环节中。本文主要通过分析相关案例对市政政结构顶管工程沉井结构设计进行探讨和研究。
        一、工程概况
        （一）工程简介
        1、位置
        现状宁洛高速为双向4车道高速路，现在正在实施拓宽工程，加宽至双向8车道，路面高程约为28.40m。工程位置处道路两侧现状为农田，路基高度约为3.3m。宁洛高速顶管段管道桩号范围为16+558-16+708，顶管长度为150m。管线与宁洛高速中心线交角为81.4°。顶管段管道中心线高程为18.20m。
        2、水文
        根据地勘资料，工程位置处勘查期间地下水位为19.86—20.07m，设计管顶高程为18.71m，位于地下水位以下。工程位置处现状有现状雨水管道等市政管线，但因该处为顶管施工，埋深较大，其他管线不影响顶管施工。
        3、地质情况
        宁洛高速顶管穿越地层主要为⑤层壤土和⑥1层粘土，局部涉及到①1层壤土、②层轻壤土、②1层(裂隙)粘土、④层壤土和④1层粘土，地质情况良好。
        4、输水管线与宁洛高速交叉采用顶管穿越方式通过公路，设计顶管采用DN1600三级钢筋混凝土管内套DN1400螺旋钢管顶管。
        5、顶管高程设计：调整后进洞地面高程25.51米，管底高程17.49米；出洞口地面高程25.11米，管底高程17.49米；穿越宁洛高速段路面高程28.43米，管底高程17.49米。
        6、顶工作井的深度主要由设计管底高程决定，管外底高程加上基坑轨道及底板厚度，就是需开挖的坑底标高。工作井顶部高程24.40米，底板厚度为80cm，高程16.70米。综合顶管机具的尺寸及作业要求，顶进坑净空尺寸定为 16.0米（长）×8.5米（宽）×7.1米（深）。
        7、接收坑的净空尺寸为8.5米（长）×6.0米（宽）×7.7（深）。
        二、沉井结构设计
        施工人员要根据工程建设的下沉状况、抗渗性能要求以及抗浮要求进行沉井壁厚的设计。
        在进行下沉需求考量的过程中，一般是借助沉井自身的重量而实行下沉作业的。但是在实际的施工工程中万网会出现沉井重量不足的状况故而需要设计者借助外力进行加重，从而促进下沉作业的有效开展。不仅如此，在实际的设计作业过程中，设计者还需要加强对于抗渗性能以及抗浮性能的提高，从而由此促进工程建设的高效开展。一般情况下，为了促进相关目的的实现，技术人员需要加强对于沉井井体厚度的优化设计[2]。
        三、顶力计算
        （一）管道允许顶力计算
        原设计顶进管道采用DN1600III级钢筋混凝土管，壁厚160mm，内套DN1400螺旋钢管，壁厚12mm特加强级别，顶进DN1600钢筋混凝土管，壁厚160mm，外径1920mm。
        DN1650钢筋混凝土管允许顶力计算公式：

        表1 管道允许顶力计算表

        （二）管道顶力计算
        管道顶力包括顶管机迎面阻力和顶进阻力，F=F1+F2
        1、顶进阻力F1=
        其中：D1为管道外径，取1.92m；
        L为管道设计顶进长度，设计150m；
        fk为管外壁与土的单位面积平均摩阻力kN/m2；
        其数值一般通过试验确定；
        当触变泥浆技术成熟可靠、管外壁能形成和保持稳定、连续的泥浆套时，f k可直接取值3.0-5.0 kN/m2 ，本工程取5.0 kN/m2。
        经过计算，顶进阻力F1=4521.6 KN。
        2、迎面阻力F2=
        3、管道总顶力F=F1+F2=4521.6KN+518.96KN=5040.56KN=504.06t。
        表2 管道顶力计算表

        四、施工方案
        根据工程地质情况，采用泥水平衡顶管施工方法，泥水平衡机械顶管施工的基本原理：
        顶管机在顶进过程中与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；顶管机的排土量与推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。顶管机土仓的压力P如果小于顶管机所处土层的主动土压力Pa时，地面就会产生沉降。反之，如果顶管机在掘进过程中其土仓的压力大于所处土层的被动土压力Pp时，地面就会隆起。如果把顶管机土仓压力值控制在Pa＜P＜Pp这样一个范围内，就能达到土压平衡[2]。
        一般常把控制土压里P设置在静止吐压力P0±20KPa范围之内。顶管机与周围土体的平衡是动态的，顶管机具有动态控制这种平衡的能力。正是这种平衡的存在，使得开挖面能够保持稳定，防止地层的沉降与隆起一问题的出现。
        结束语：
        本文主要通过对市政结构管顶工程的沉井结构设计进行研究与探讨。并就沉井设计、顶力计算以及沉井施工的方法进行了阐述[3]。最终得出结论，工作井内设备顶进能力可达到800T，采用4个200T的千斤顶完全满足要求，本工程顶管采用注浆减阻法，理论顶力小于实际动力值，因此我们无需增加额外的顶进系统即可满足要求，设计图纸最大顶距为150m是合理的经济距离。
        参考文献：
        [1]郭强.市政工程顶管施工沉井施工技术与质量控制措施[J]. 建筑知识:学术刊, 2013(6):402-402.
        [2]郝臣君,杜帅.市政结构顶管工程沉井结构设计及工程实例分析[J]. 城市建筑,2017,(002):249.
        [3]陈春伟.探究市政顶管井结构设计与计算[J].建材发展导向（上）,2017(8）.