市政结构顶管工程沉井结构设计研究

市政结构顶管工程沉井结构设计研究

冷天培

武汉市政工程研究设计院有限责任公司 湖北省武汉市 430023

摘要：沉井设计与施工在给水排水工程一些构筑物中得到了很好应用，是一种安全、适用、经济的方案。然而，沉井施工涉及到的技术问题较多，如何解决这些问题，提高施工效率和质量，是当前亟待解决的问题。分析大型沉井下沉过程中的受力状态，推导侧摩阻力、刃脚反力计算公式，建立下沉系数、稳定系数等计算模型;结合工程实例，总结大型沉井不排水下沉施工技术的操作要点。

关键词：市政结构；顶管；沉井结构

中图分类号：U445    文献标识码：A

引言

沉井是筒状结构物，依靠其内侧挖土和自身质量，克服井体外侧摩擦阻力后下沉到设计标高，然后使用混凝土封底，使其成为结构物的基础。这种施工方式的优点很多，可在降低深基坑支护成本的同时，起到挡土挡水的作用。在市政道路深基坑、桥梁墩台、建筑物基础和地下室等方面，沉井施工方法均得到了广泛应用。但是需要掌握沉井施工要点，对沉井在下沉过程中容易发生倾斜的问题，需要进行认真分析研究并加以解决。

1 工程实例

某工程项目临近海边，地下水位很高，地质有较厚的淤泥质土层和微风化花岗岩层，且靠近民用建筑，某污水处理池长6.0m，宽4.5m，深度4m，初步基坑支护方案采用振压钢板桩+高压旋喷桩（止水帷幕），但经过专家评审讨论，认为根据类似工程施工经验，施压和拔出钢板桩过程整个施工区域场地震动会非常严重，势必会造成附近民用建筑的破坏，因此不建议采用振压钢板桩+高压旋喷桩（止水帷幕）的基坑支护方案；另考虑采用钻孔灌注桩（支护桩）+高压旋喷桩（止水帷幕）的支护开挖方案，经专家的评审讨论，技术可行，但施工工期长，造价高，且施工现场没有足够的场地摆放施工机械，因此也不建议使用钻孔灌注桩（支护桩）+高压旋喷桩（止水帷幕）的支护开挖方案，经多方案认真对比研究，最后评审讨论建议使用沉井排水施工工艺进行废水处理池的设计与施工。污水处理池浅部土层为素填土层和淤泥质土层，压缩性高，地下水位很高，软弱土呈流塑状态，基坑开挖施工困难、对周边建筑有很大安全隐患，采用沉井设计施工方案能安全、适用、经济、高效地解决了高压缩性软土地基中给排水构筑物基坑开挖的结构设计与施工问题。该方案得到了建设单位的一致认可确定。

2 沉井结构设计要点

2.1 施工前准备

沉井施工前的准备工作需要对井筒体进行设计和预制，确保井筒体的质量和尺寸符合设计要求。应该对现场环境进行评估和调查，确定沉井施工的可行性和安全性。在现场施工前，需要进行测量、布置钢板、设备和安全防护等准备工作，具体包括，①测量：测量施工现场的地形地貌、地下水位、地下管线等，确定井筒体的布置位置和沉降控制点，为施工提供准确的数据支持；②布置钢板：根据井筒体的尺寸和形状，在施工现场铺设一定数量和规格的钢板，用于支撑井筒体和控制沉降速度；③设备：根据施工需要，选配合适的设备和工具，如沉井设备、吊装机械、电焊机等，保证施工的顺利进行；④安全防护：在施工现场设置安全标志和警示标志，设立安全区域，安排专人负责安全监督和检查，保障施工现场的安全。在施工前的准备工作中，需要认真制定施工方案和施工计划，充分考虑安全、质量和效率等因素，并根据实际情况不断调整和优化，以保证沉井施工的成功进行。

2.2 沉井制作

根据设计图纸定位放线，即在地表上划定沉井两个方向的中心线地面上定出沉井纵横两个方向的中心线轴线、基坑的轮廓线，以及水准点等，作为沉井施工的依据；基坑底部的平面尺寸应比沉井平面设计尺寸略大,便于绑扎钢筋、架立外模和脚手架；根据水文、地质条件基坑开挖深度1.5～2.0m，但必须确保坑底高出施工期间可能出现的地下水位0.5m以上；基坑开挖完成后，在沉井设计位置铺砂垫层厚0.5m，以确保沉井砼在浇灌过程的稳定性,使沉井的下沉量减少到允许范围以内；砂垫层宜采用颗粒级配良好的中砂、粗砂或砾砂，且须分层捣实，并达到规范要求的密实度；在开挖好的基坑内，应做好需提前排水工作，避免极端暴雨天气对基坑产生较大影响并应防止被暴雨所淹没。

2.3 混凝土强度

混凝土强度达到设计值的25%以上时，方可拆除沉井井体模板。第1节井体混凝土强度等级达到70％，方可浇筑第2节井体。第1节井体混凝土必须达到设计强度、2节井体混凝土强度必须达到设计强度的70%后，方可进行沉井下沉。

2.4 土方挖掘

井体完成制作且下沉准备工作完成后，方可拆除刃脚垫架。井内挖土工作面应从沉井中心开始，分层、匀称地进行挖土作业。土方挖掘要点是：先由从沉井中部逐步逐渐向四周边掘进开挖，每层掘进开挖厚度为约0.4~0.5m，沿刃脚四周需保留0.5~1.5m的土堤，再沿2~3m一段的沉井井壁向刃脚方向逐层削薄土层，做到充分对称均匀。为了防止井体下沉速度过快，应严格控制坑底深度和出土量，防止刃脚下方土方产生虚空。当障碍物垫在刃脚一侧时，要及时予以清除，以便使井体继续均匀下沉。如果障碍物是较小的孤石，可将其附近的泥土掏出后取出该孤石。如果障碍物是较大的孤石，可先用风镐将其破碎成较小的石块后，再将其清除。如沉井刃脚土质软硬不均，可将砂石进行回填，使该土质软硬匀称。为避免沉井发生倾斜，沉井内土体每层开挖深度应在30cm以下或更薄。

2.5 沉井纠偏、止沉

沉井下沉中可能出现产生偏移现象，应采取以下控制和纠正措施。：

1）随沉井下沉进行水平和中轴线监测，随时调整取土部位和取土量，在沉井下沉前测放好轴线和高程的控制点，勤监测，勤纠偏；

2）沉井下沉过程中若出现倾斜或轴线偏移，可采用单测压实填土、单侧挖土减载、不均衡取土、配重等方式予以纠正；

3）沉井接近就位时必须需控制沉降速度，若出现速度过快的现象，应停止取土，查清原因，以便理先做好止沉措施，防止超沉；

4）沉井到达设计位置后仍有下沉趋势，可在刃脚底抛填片石止沉；

5）沉井外壁与其周围土层的摩擦阻力较大一侧，其下沉量较少、位置较高、沉井就发生偏斜。此时可在较高一侧井顶位置搭设平台，放置钢锭等重物以增大重力，使较高一侧沉井的沉降量大于较低一侧沉井的沉降量，已将沉井的倾斜度纠正。

2.6 注重观察和测量

在沉井下沉之前，安排专人入井观察、测量需有人进入井内进行观测。每8h小时至少进行2次沉降观测，每台班至少进行1次刃脚标高和位移观测。每次沉井下沉稳定后，才能进行沉井的高差和中心位移测量应在每次沉井下沉稳定后进行，沉井下沉数据应严格执行设计方案。对每项观测资料都要如实记录，做到分析和管理有资料。

3 结束语

本研究基于沉井施工关键技术的研究，对沉井施工的基本原理、工艺流程以及关键技术点进行了深入的探讨。未来应进一步探讨沉井施工中的新技术和新方法，并结合实际工程进行应用和验证，以提高沉井施工的效率和质量。同时，需要加强沉井施工的安全管理和环境保护工作，为工程建设和社会发展提供更好的支撑。

参考文献：

[1] 肖蕾.市政工程中沉井的构造及其施工工艺分析[J].四川建材,2019,45(12):139-140.

[2] 范娜.市政结构顶管工程沉井结构设计研究[J].价值工程,2019,38(31):178-180.

[3] 潘迎,陈宇.市政顶管工程沉井结构设计要点及应用探究[J].工程技术研究,2019,4(09):189-190.

[4] 周敏杰.浅议污水处理厂沉井结构设计[J].建设科技,2018,(05):92-93.

[5] 徐向阳,韩志云.大型沉井结构设计要点与下沉施工控制措施[J].江淮水利科技,2017,(02):37-42.