沉井结构在给排水顶管工程中的应用

　建筑设计

文章编号:1009-9441(2009)03-0031-02

沉井结构在给排水顶管工程中的应用

□□戴鹏程　(太原市建设工程质量监督站,山西太原　030009)

摘　要:结合工程实例,介绍了顶管工作井和接收井的沉井结构形式、设计步骤、方法和设计要点。关键词:沉井;顶管;工作井;接收井

中图分类号:T U 991.02;T U 753.64 文献标识码:A

引言

顶管技术是通过设置在所顶管道最前端的顶管机切削、取土、掘进,同时借助顶推装置将管道在地下逐节顶进。顶管施工是通过设置在顶管工作井的机械将管道顶进,最后又通过顶管接收井的接收来实现的,井的结构形式和深度由管道的管材及直径、顶进深度、顶进方式等因素决定。因此,顶管工作井和接收井的设计是给排水顶管结构设计中的重要组成部分。对于管线埋置较浅、地下水位较低或土体渗透系数较小、顶进距离较短的管线,一般可采用普通钢板桩支护的工作井和接收井;若管线埋置较深、顶力较大,顶管工作井和接收井通常采用沉井的结构形式(见图1)。本文介绍了某输配水管道工程顶管工作井和接收井的沉井结构设计方法和设计要点

。

图1　沉井形式

该工程为输配水管道过河段工程,管道直径为

DN 2200,管材为钢管,顶管顶进长度为224m ,顶管工作井与接收井处于河岸边空旷位置。根据地质钻探资料分析,该范围内的土层大致为淤泥、粉砂、淤泥质土等,因河底较深,顶管工作井和接收井需要较深的设计深度,因而采用沉井的结构形式。

1　沉井井壁厚度的确定

沉井井壁厚度主要由以下因素确定:

(1)下沉的需要。设计中一般优先考虑沉井依靠自重克服土层摩擦力而下沉到设计标高的原则。因此,沉井井壁应有一定的厚度,使下沉系数K st ≥1.05。

(2)满足下沉稳定性能的要求。为了防止沉井

结构在施工过程中发生突沉等现象,必须进行下沉稳定验算,下沉稳定系数K st,s 在0.8～0.9之间。

(3)抗浮要求。当沉井结构所处位置水位较高时,为了满足抗浮要求,沉井井体自重必须满足抗浮系数K fw ≥1.0(不计侧壁阻力)的要求。

该工程沉井结构设计深度为21.8m ,因其深度较深采用圆形沉井形式,中心半径13.8m ,暂定设计壁厚0.9m ,刃角宽度为0.45m ,采用排水下沉的施工方式。1.1　下沉系数验算

为了保证沉井能顺利下沉,沉井下沉系数K st 应满足以下条件:

K st =(G 1k -F fw.k )/F fk >1.05

(1)

式中:G 1k ———沉井结构自重;

F fw.k ———沉井结构所受浮托力;F fk ———井壁摩阻力标准值。

该工程采取排水下沉,浮托力F fw.k =0;沉井下沉工况结构自重G 1k =16809.25k N 。各土层的分布情况见表1。

表1　各土层的分布情况

土层号

摩擦系数f k

长度h s /m

f k ×h s 土质1-110 1.3313.3淤泥1-215 4.364.5粉砂1-312 4.452.8淤泥质土1-4

20

10.4

208

淤泥质土

f

k =∑

n

i=1

f k

i

h s

i

/∑

n

i=1

h s

i

=338.6/20.43=16.57(2)

F fk=[0.25×16.57×5+16.57×(20.83-5-

0.5)]×3.14×13.8=11910.7(kN)

K st=(G1k-F fw.k)/F fk=(16809.25-0)/11910.7

　=1.411

满足下沉要求(K

st

>1.05),但由于下沉系数较大,需进行下沉稳定验算。

1.2　下沉稳定系数

当沉井的下沉系数较大时,需进行下沉稳定验算,以防止发生突沉或下沉标高不能控制。沉井下

沉稳定系数K

st,s

应满足(3)式的条件:

K st,s=(G1k-F’fw.k)/(F’fk+R b)=0.8～0.9(3)

该工程采取排水下沉,浮托力F’

fw.k

=0;沉井下

沉结构自重G

1k

=16809.25kN;井壁周围土体摩擦

力F’

fk

=11910.7k N;取极限承载力=500kPa,刃脚踏面总面积A=18.87m2,沉井刃脚下地基土的

极限承载力之和为:R

b

=500×18.87=9435(kN),

则:K

st,s

=(16809.25-0)/(11910.7+9435)=0.8,满足下沉稳定要求。

通过对下沉系数和下沉稳定系数的验算,暂定壁厚900mm满足结构设计要求。

2　强度验算

沉井在下沉到位且未封底时,沉井刃脚以上井壁应按水平框架进行计算,井壁只承受外侧水土荷载。计算内容包括:水平环向验算、纵向验算、底板验算。

2.1　水平环向验算

作用于井壁外的土压力在同一标高的水平截条上沿井壁四周假定为均匀分布,因此,可将井壁简化为平面闭合圆环计算,计算截面沿井壁每隔2～3m 进行划分,内力可按(4)式计算:

ω=p B

p A

-1(4)

N A=p A r C(1+0.785ω)(5)

N B=p A r C(1+0.5ω)(6)

M A=-0.1488p A r C2ω(7)

M B=-0.1366p B r C2ω(8)式中:N

A

,N B———同一圆周上A、B两点截面的轴力;

M A,M B———同一圆周上A、B两点截面的弯矩;

p A,p B———井壁外侧A、B点水平向土压力;

r C———沉井井壁的中心半径。

2.2　纵向验算

沉井纵向需考虑土与水压力的作用,按照底边

固定、顶端自由静力计算,计算公式为:

M x=K m x qH2(9) 2.3　底板验算

圆形沉井底板按照周边简支,在均布荷载作用下,按照以下公式计算弯矩:

径向弯矩:M

A

=K

r

qr C2(10)

切向弯矩:M

A

=K

t

qr C2(11) 3　顶力计算与后背土体稳定验算管道的顶进是靠设置于工作井井壁的顶管设备来实现的,因此,顶力的控制在顶管工程中尤为重要。顶管机提供的顶力不能超过管材和工作井的设计顶力允许值,当顶力有可能超过允许值时,就要采用减阻措施来减小顶进阻力。顶力按(12)式计算:

P tk=πDL f+N f(12)

式中:P

tk

———顶管施工时的实际顶力;

D———管道直径;

L———顶管顶进长度;

f———采取减阻措施后的平均摩阻力;

N f———迎面顶进阻力。

计算得:P

tk

=πDL f+D2r H/4=10756.3(kN)另外,圆形沉井在顶力作用下,工作井的后背土体的稳定性需满足(13)式:

P tk≤ε(0.8E pk-E ak)(13)

式中:E

pk

———刃角底部主动土压力标准值;

E ak———刃角底部被动土压力标准值。

考虑顶管顶力与土压力合力作用点不一致的折减系数ξ为:

ξ=(h

f

-│h f-h p│)/h f(14)顶力至刃脚底的距离:

h f=2.22/2+0.9+1+2.43=5.44(m)

h p=H/3=20.83/3=6.94(m)

则:ξ=(5.44-│5.44-6.94│)/5.44=0.724井壁后背土体顶力标准值按(15)式计算:

F pk=ξ(0.8E pk-E ak)(15)

已知:刃角底部主动土、被动土压力标准值分别为63461.6kN和12180.7kN,则:

F pk=0.724(0.8×63461.6-12180.7)

=27937.6(kN)

即井壁设计可提供顶力大于实际顶力(F

pk

> P tk),满足要求。