市政工程顶管施工中的沉井结构优化设计

市政工程顶管施工中的沉井结构优化设计

杨建军

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摘要：随着经济社会的不断发展，市政工程建设数量和规模不断增加与扩大，为了不影响地面交通，顶管施工技术应用较多，在这样的背景下，沉井结构设计得到了迅速的推广和应用。施工实践证明，沉井结构设计方案是否科学合理直接关系着项目的进度、效率以及整体的质量。为此，要保证市政工程顶管施工顺利进行，需要不断对沉井结构进行优化。本文对市政工程顶管施工中的沉井结构优化设计进行分析，以供参考。

关键词：市政工程；顶管施工；沉井结构；优化设计

引言

一般来说，顶管工作井、接收井的主要结构形式是沉井结构《沉井施工长期以来采用现场现浇结构，待沉井混凝土达到设计强度后，边（井内）挖土边下沉，直至到达设计标高，进行封底作业。沉井结构的特点有：不需要额外的支护结构，就能到达相对较深的地下空间；整体刚度好；不足之处是施工时间较长，如位于现状道路上则会对城市交通产生较大影响。

1沉井结构概述

沉井结构作为顶管施工过程中的一种临时性结构，因其自身具备刚度大、整体性好等特点，在市政工程顶管施工中得到了迅速的推广和应用。在具体使用过程中需要根据工程项目所在区域内的地质、地形条件及地下水位等实际情况采取不同类型的结构设计。

2沉井结构优化设计

2.1沉井壁厚设计

市政工程顶管施工中沉井结构的应用原理是利用沉井的自重实现下沉，如果沉井井壁厚度不能满足设计要求，会出现沉井自重不足，无法实现下沉；如果沉井井壁过厚，虽然可以实现下沉作业，却在一定程度上增加了工程项目的建设成本，造成不必要的资源浪费。因此，在工程项目建设工程中，要对沉井管壁的厚度进行科学合理的设计，从而保证沉井下沉过程的稳定性。而在本工程项目的建设过程中，技术人员通过对工程项目实际情况进行分析，决定选择壁厚为0.55m、内径为9m的圆形沉井。同时，为了在污水中顺利完成取土作业，还要完成对井壁内的排水作业，并科学合理地计算沉井下沉系数及稳定系数，以判断沉井井壁厚度是否合理。

2.2环向计算

素混凝土和砖砌体是沉井的常用施工材料。如果沉井的规模不大，可以采用素混凝土圆形井或者砖体沉井。在沉井使用过程中，会受外界荷载的影响导致其截面出现不均匀受压，究其原因，是素混凝土圆形井或者砖体的沉井直径较大，容易受周围地形和地质条件的影响。在沉井下沉作业中，通常还会因为施工人员的失误以及其他方面客观因素的影响造成沉井出现下沉倾斜，其两侧出现被动和主动土压力，所产生的倾斜角度越大，土压力的差值也就越大。对此，在市政结构顶管工程项目建设工程中，还要对沉井进行准确的环向计算。

2.3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。

2.4标高设计

(1)顶部设计标高。市政顶管工程的沉井结构设计应考虑沉井结构的实际特点，为提高沉井结构的安全性，沉井顶部的设计高度应高出临近地下水位30厘米。以防止地表水进入沉箱后。在该市政顶管工程设计过程中，圆管形基础标高称为地面以下10m，通过参考设计文件和顶管地理条件的数据，可以确定沉井结构的最终净高度为10.3m。沉井结构设计时，高出地面0.3m以上，以提高沉井在下沉阶段的安全性。本顶管工程中选用的沉井类型已经决定采用下沉法，因此在土石方施工过程中，应保证井内无积水，如果沉井降至地面规定的标准水平，则需对沉井进行干燥处理。(2)叶片支腿高。设计师应根据相关的KASON设计标准，提高KASON结构的颠复效率，使KASON总体设计能够满足顶管工程的要求。此外，确保KASON外观设计与其余部分的尺寸相匹配，从而提高KASON设计的合理性和可行性。通过计算沉井设计转角踏板的高度和倾角，可以有效提高沉井结构的抗滑稳定性和颠复性。在这种情况下，圆形沉井叶片的高度和宽度分别为1.6m和0.35m，角度低于45，根据顶管沉井结构的相关标准，认为沉井结构设计符合相关标准。

3顶管工程中沉井结构设计要点

3.1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。

3.2设计模拟

鉴于沉箱结构设计的复杂性，在设计过程中应利用现代工作技术，建立接近实际环境和工作需求的模型，支持后续工作。在进行土体扰动分析时，如果由于许多常量参数和综合力作用，难以根据现有模型进行评价，则可以将收集到的各种原始信息作为基本参数改为BIM模型，进行动力学模拟，分析设计的可行性和弱点。静态模拟无法获得预期的结果，可以进行动态模拟、更换时间参数、作业参数等，考虑在顶管作业参数发生变化时设计是否满足要求。各种虚拟现实技术可以帮助这些工作。在市政顶管工程中，沉箱结构设计会影响后续工作，因此要特别注意科学、规范。根据想法，要加强参数控制，选择明确的标准服务设计措施。方法包括井壁厚度设计、强度设计、稳定性设计等多个方面。分析了顶管工程中沉箱结构的设计要点，表明机械结构设计、原始数据采集和仿真是设计工作的三大要点。

结束语

沉井结构具有多种优点，应用效果好，广泛应用于各市政府顶管工程。在进行沉井结构设计时，为了掌握工程特点，应详细调查施工情况，针对施工条件等诸多因素进行科学的工程设计。

参考文献

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