市政工程顶管井结构设计与应用

市政工程顶管井结构设计与应用

孟祥翔

安徽省城建设计研究总院股份有限公司安徽合肥230000

摘要：随着经济的发展推动了城市化建设进程的加快。市政工程作为城市化进程的主要内容之一，在其实际的施工中具有较多的复杂工程，其中对于顶管井结构的使用最为常见，但是由于技术的使用具有较大的困难，虽然其实际的使用效益较高，但是对于该技术的使用需要对设计进行全面的把控，确保对工程的实际计算达到精确值。基于此，本文对市政工程中的顶管井结构的使用进行设计分析与计算研究，为之后的技术使用提供更多的参考数据。

关键词：顶管；工作井；接收井；临时性结构

随着城市化建设程度的逐渐加深，城市中的管道铺设面积与铺设内容逐渐增多，但是管道的铺设通常需要经过市区中心以及人流密集区，通过挖掘会对人们的生活造成极大的不便，而采用非开挖掘进技术能够有效避免对大众生活造成的影响，尤其是市政工程的建设，在施工中使用顶管技术成为了一项有效的技术手段，通过精密的设计与严格的计算能够确保工程的顺利实施。

一、顶管井设计

顶管井分为工作井与接收井两种。因此在其施工设计中，需要对两种类型同时进行设计，其设计方案主要包含对其形状与尺寸的设计：

（一）平面形状

（1）工作井：包括单孔井与单排孔井，单孔井的形状多样，但是单排孔井主要是以矩形为主；在工作井的使用中，圆形井的受力程度优于矩形井；顶进过程中，顶管工作井后背墙应直接支撑于井外土体上，在井内设置支撑点，有利于结构的受力。

（2）接收井：通常都是单孔井结构，形状主要以圆形为主，其结构的受力程度与工作井的程度相同。

（二）平面尺寸

（1）工作井：井室尺寸不应小于顶进机具及管道的长度，最好是所有使用工具的综合长度，而其空间宽度的挖掘应该是管道的外径及两侧操作宽度的和。

（2）接收井：确保内容空间能够将工具随意放置即可，对于有些工具管可以通过拆卸放置将井的整体尺寸缩小。

（三）井深：顶管井的深度设置应该是管道的埋置深度、导轨长度与支撑高度的总和。

二、顶管井结构方案

顶管井结构设置大部分属于临时构筑物，其结构方案的设计应该根据实际的施工周围的情况进行综合测评，因此作为对方案的制定依据，以下是常用的顶管井结构。

（一）沉井结构

沉井结构刚度大、整体性能好，可利用自身井壁承受下沉和使用过程中的竖向和水平荷载，既减少了开挖带来的不变，本身又可当做帷幕结构，便于施工。当沉井的深度设计较大，则可以借助内部的支撑设计减小内力，以此降低构件厚度。井筒下沉接近设计标高时应严格控制下沉速度，防止超沉，并采取有效措施防治流砂。工作井最大设计施工时应采取注浆减阻或增加中继环等措施降低顶力，确保沉井顶力不超限。

（二）水平定向钻

水平定向钻施工大多适用于穿越道路、铁路或者河流等无法开挖的地段。该施工工艺具有对地面的影响作用小，施工工期短，速度快等优点。当穿越道路时，采用穿越设备有较高的精度，可绕过障碍物达到设计要求；当穿越河流时，也不影响河道通航，不会对江河两侧堤坝及河床结构产生影响，因此施工安全、可靠。但是由于采用定向扩孔拖拉，施工结束时，管材与回扩孔之间的空隙处理，不能像开槽敷设施工那样进行回填夯实。因此，对管材沉降要求比较高的工程在实际使用中存在着一定的风险。

（三）人工开挖

人工挖井经常会受到施工场地的地质条件、挖井深度等影响。人工顶管需要更多的人力，工人可以边顶进边保护和纠偏，是人工挖井结构的主要优点。人工挖井通常采用倒挂井的形式，采用圆形可以使沉井更好的受力。但是在施工中所采取的施工方式是分节向下，导致实际的竖向连接性能较差，需要通过连接措施加以巩固。设计方案的制定需要对逆作竖井的实际使用条件、竖井中井壁的分块数量以及施工时间要求等方面做到充分的掌握。顶管开孔位置需要在井壁上，当管道的直径过大的情况下，需要在井下设置内衬，提高井壁的支撑度。

三、顶管井结构设计

（一）结构重要性系数

顶管井作为临时性的结构设计，其系数可取0.9；对于重要的建（构）筑物而言，在其周围新建顶管井应该将系数设置在1.0。

（二）结构荷载

（1）土压力：以施工现场的实际地质情况采用库伦公式对其进行计算；

（2）水压力：根据施工期间地下最高水位进行计算；

（3）施工负荷：施工设备的负荷与地平面堆积物的负荷度的总和；

（4）周边负荷效应：顶管地面周围对其产生影响的范围内的所有物体负荷；

（5）顶管最大顶力：需要对工作井设置最大的顶力值，确保结构的安全性。

（三）结构内力和位移计算

对于结构的内力与位移的实际计算需要根据不同的结构采取不同的计算方式。对于沉井与逆作竖井的计算应该以结构力学对其内部的构件力度，位移等进行计算，同时还要对构件的形变发生条件以及节点的约束条件加以计算；但是对于地下连续墙与排桩等结构的计算应该使用弹性地基对内力与位移进行计算；

（1）井壁：是顶管容易发生弯曲变形的部位，属于受弯构件；逆作竖井在设计是对闭合框的弯曲度加以考虑；

（2）顶管底板：属于受弯构件；

（3）环梁：属于弯曲且易剪切的构件；

（4）内支撑：属与偏心承受压力的构件。

（四）荷载效应组合

根据受力阶段与工况的不同采取相对应的荷载分项系数对顶管中的内力进行组合。

（五）承载力计算

（1）沉井的承载力计算：钢筋混凝土构件的承载力要求应该根据材料的实际承载力度，分为极限状态下的承载力与正常状态下的承载力，对不同承载力下所产生的裂缝宽度进行计算。钢结构的构件应该对强度、稳定性以及变形情况进行计算；

（2）地基承载力计算：确保建（构）筑物的地基反力应小于地基承载力的标准值。

（六）稳定性验算

（1）抗浮验算：需要根据施工期间的最高水位对所有的结构进行抗浮性能的测验，但是不包括有降水措施的结构；

（2）后靠背验算：工作井受到顶力的作用影响，需要保障井壁外墙体的稳定，避免发生剪切破坏的情况；

（3）整体结构的稳定性验算：主要是对结构的抗滑移性能、抗倾覆性能的验算。

结束语：综上所述，在当前的市政建设施工中，顶管井结构技术的应用已开始普及，且在南方的部分地区技术发展十分快速，但是就全国的使用情况而言，因为对顶管的设计技术没有制定严格的标准，导致技术的使用缺少合理的理论支持，由于顶管井结构大部分属于临时性构筑物，在设计时需要对多方面的因素加以考虑，因此为确保结构的合理性与安全性，以此在施工中的方便性以及施工成本的合理控制，需要对其进行严格的计算与精密的施工设计，确保工程的顺利进行。

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