劉星宇

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

1 引言

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程概況

本工程位于上海市某綜合管廊工程項目，穿越某市級道路和小型河道（六級航道），該段綜合管廊共3 個倉室，在同一頂管井分3 道內(nèi)徑3.5 m 的鋼筋混凝土頂管（頂管斷面如圖1所示）依次平行頂出至接收井內(nèi)，3 道頂管管中心均位于同一豎向標高。本頂管井在完成頂管施工后仍需兼作管廊通風口及逃生口，所以按永久井進行設(shè)計。

圖1 3 道頂管斷面示意圖

2.2 地質(zhì)條件

本工程頂管工作井位于河道東側(cè)的荒地和農(nóng)田內(nèi)，周邊除河道大堤外無其他重要的建（構(gòu)）筑物，頂管工作井井壁邊距離河道大堤地腳最近處20 m。

根據(jù)巖土工程勘察報告，該工作井場地主要土層分布如下：①層素填土、②層粉質(zhì)黏土（黏聚力c=22 kPa，摩擦角φ=18.5°）、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（c=13 kPa，φ=17.5°）、④層淤泥質(zhì)黏土（c=14.5 kPa，φ=14°）、⑤1層黏土（c=15 kPa，φ=13°）、⑥層粉質(zhì)黏土（c=41 kPa，φ=18°）、⑦1層砂質(zhì)粉土（c=5 kPa，φ=33.5°）。頂管中心埋深15.77m 位于⑤1層黏土，底板底埋深18.92 m 落于⑤1層黏土，刃腳底埋深23.92 m 落于⑥層粉質(zhì)黏土。

3 頂管井平面選型

常用的頂管井平面形狀一般有圓形、矩形，本工程兩側(cè)頂管工作孔最小平面凈尺寸為8.8 m×14 m，中間頂管工作孔最小平面凈尺寸為7.9 m×14 m，加上中間2 道各0.6 m 厚的中隔墻，整個頂管井內(nèi)工作孔的最小凈尺寸為26.7 m×14 m，屬于扁長形區(qū)域，若采用圓形布置，井內(nèi)徑長將達到32 m，并且圓形工作井在同一方向，多管頂進時，若頂管頂力對不準圓心時，可能引起反向扭轉(zhuǎn)，造成不利影響[1]。本工程經(jīng)過對2 種頂管井平面形狀的對比發(fā)現(xiàn)，矩形頂管井在占地面積、井壁尺寸、各材料用量、結(jié)構(gòu)受力方面均比圓形有優(yōu)勢，故選用矩形三格井方案。

4 頂管井圍護形式的比選

根據(jù)上海市多年來在軟土區(qū)地下頂管工程的經(jīng)驗，通過本工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境的研究，對于頂管埋置深度較深的軟土地區(qū)，永久頂管井的圍護結(jié)構(gòu)形式可采用沉井、地下連續(xù)墻+支撐、灌注樁+止水帷幕+支撐等。

沉井作為一種在地面制作好，通過井內(nèi)取土依靠自重下沉至設(shè)計標高的結(jié)構(gòu)，在市政結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，比較常見的有頂管井、取水泵房、大型橋墩等。沉井的優(yōu)點是各種埋置深度均適用，整體性好，既是基礎(chǔ)，又是頂管施工時擋土和擋水的結(jié)構(gòu)，頂管施工完后又可作為永久井使用，其造價比較低，制作及施工的周期較短。其缺點是對沉井施工的技術(shù)要求比較高，下沉中存在傾斜、超沉等風險。

地下連續(xù)墻+支撐的圍護結(jié)構(gòu)形式常用于超過10 m 的深基坑工程，其作為圍護結(jié)構(gòu)也可以作為主體結(jié)構(gòu)的一部分，防水和抗?jié)B性能比較好。但是在軟土地區(qū)，其墻體插入深度較深，加上側(cè)向支撐的尺寸較大，會侵占一部分內(nèi)部空間，造成頂管井平面尺寸增大，工期和造價相較于沉井存在劣勢。

灌注樁+支撐作為圍護結(jié)構(gòu)時，在地下水豐富的地區(qū)需要在灌注樁外圍加高壓旋噴樁或水泥攪拌樁作為止水帷幕，設(shè)置內(nèi)部支撐后仍需加設(shè)鋼筋混凝土永久內(nèi)襯來保障其抗?jié)B和使用要求，相較于前2 種圍護結(jié)構(gòu)，會進一步提高造價，延長施工周期。

本項目變頻電動機在開發(fā)過程中，采用了一套完整的機械計算程序，如軸伸強度計算、線圈尺寸計算、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算、轉(zhuǎn)子端環(huán)、護環(huán)、導(dǎo)條強度及起動壽命計算、轉(zhuǎn)子沖片強度計算等等。在開發(fā)新產(chǎn)品時，通過這些計算，在理論上保證了各機械部件的安全運行。

結(jié)合本工程的地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、經(jīng)濟性、施工周期、安全性等各方面因素的考慮，最終確定頂管井的圍護結(jié)構(gòu)采用沉井，其平面圖和剖面圖如圖2、圖3 所示。

圖2 沉井頂管井平面圖

圖3 沉井頂管井剖面圖

5 頂管井沉井穩(wěn)定性驗算

5.1 下沉穩(wěn)定性驗算

根據(jù)CECS 137:2015《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》5.1.4 條[2]的要求，沉井均應(yīng)進行下沉、下沉穩(wěn)定性及抗浮穩(wěn)定性驗算。

本工程頂管井設(shè)計起沉標高為1.420 m，分1 次接高2 次下沉至設(shè)計標高，其中第一節(jié)沉井制作高度17.5 m，第一次下沉高度16 m，第二節(jié)沉井接高5.5 m，第二次下沉高度為5.92 m，采用不排水下沉。

下沉系數(shù)計算公式：

式中，Kst為下沉系數(shù)，一般Kst≥1.05；Gik為沉井自重標準值，kN；Ffw,k為下沉過程中水的浮托力標準值，kN；Ffk為井壁總摩阻力標準值。

計算表明，Gik=70 420 kN，F(xiàn)fw,k=25 010 kN，F(xiàn)fk=21 360 kN，Kst=2.13＞1.05，滿足要求。下沉系數(shù)較大或在下沉過程中遇有軟弱土層時，應(yīng)進行下沉穩(wěn)定驗算。

下沉穩(wěn)定系數(shù)計算公式：

式中，Kst，s為下沉穩(wěn)定系數(shù)，一般為0.8～0.9；F′fw,k為驗算狀態(tài)下水的浮托力標準值，kN；F′fk為驗算狀態(tài)下井壁總摩阻力標準值，kN；Rb為沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和，kN。第一節(jié)沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)計算中，Gik=70 420 kN，F(xiàn)′fw,k=25 010 kN，F(xiàn)′fw=21 360 kN，Rb=33331kN，Kst，s=0.827，滿足要求；接高后的下沉穩(wěn)定系數(shù)計算中，Gik=85 340 kN，Kst，s=1.10，不滿足要求，通過接高前井內(nèi)留土或井內(nèi)回填土的方法，根據(jù)地基承載力深寬修正公式，可提高刃腳底和底梁底土體承載力，提高后的Rb=45 890 kN，Kst，s=0.897，滿足要求。

5.2 抗浮穩(wěn)定性驗算

沉井抗浮驗算應(yīng)按沉井封底和使用2 個階段，本工程封底混凝土和底板設(shè)置了拉結(jié)鋼筋作為可靠連接，封底混凝土的自重可作為沉井抗浮重量的一部分。

抗浮系數(shù)計算公式：

式中，Kfw為抗浮系數(shù)，一般Kfw≥1.0（不計側(cè)壁摩阻力）；Fbfw,k為基底水浮托力標準值，kN。

施工階段抗浮驗算中，Gik=135 250 kN，F(xiàn)bfw,k=107 000 kN（地下水位取地面以下2m）；Kfw=1.264，滿足要求；使用階段抗浮驗算中，Gik=142 800 kN，F(xiàn)bfw,k=114 700 kN（地下水位取地面以下0.5 m），Kfw=1.245，滿足要求。

6 沉井受力分析

本工程沉井頂管井平面結(jié)構(gòu)布置和井內(nèi)分隔較為簡單、規(guī)則、對稱，可簡化為平面體系進行結(jié)構(gòu)分析，在水土側(cè)壓力及地面超載作用下，下沉階段在垂直方向截取單位高度的井段按水平封閉框架結(jié)構(gòu)進行計算[3]，結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖4所示。

圖4 井壁底結(jié)構(gòu)計算簡圖

限于篇幅，本文僅列取沉井不排水下沉施工期間，刃腳、井壁底、井壁變截面處水平框架進行受力配筋分析，提取各單位截條計算得到的主要位置內(nèi)力結(jié)果，驗算強度配筋及裂縫寬度，具體計算結(jié)果詳見表1，沉井下沉施工階段裂縫寬度最大限值為0.30 mm。

表1 刃腳、井壁水平框架內(nèi)力包絡(luò)配筋表

底板按四邊簡支雙向板進行計算，取水浮托力和地基凈反力2 種工況中最不利的進行計算，短向和長向彎矩最大值分別為549.5 kN·m 和339.5 kN·m，分別配φ25 mm@100 mm和φ25 mm@150 mm 鋼筋，裂縫寬度為0.110 mm 和0.146 mm，強度驗算均滿足。刃腳豎向鋼筋按向外彎曲和向內(nèi)彎曲計算后均為構(gòu)造配筋。井壁板鋼筋按下沉至設(shè)計標高且底板完成后按3 邊固定頂邊自由的雙向板復(fù)核，橫向鋼筋按表1復(fù)核后均滿足要求，豎向鋼筋在下部支座和跨中處分別配φ32 mm@100 mm 和φ32 mm@150 mm，最大裂縫寬度為0.233 mm 和0.185 mm，強度驗算均滿足。未設(shè)置中隔墻的底梁按3 跨連續(xù)梁進行設(shè)計，最大彎矩11 490 kN·m，配26 根φ32 mm 鋼筋，裂縫寬度0.194 mm，強度驗算滿足要求。

7 結(jié)語

本文通過對周邊環(huán)境、地質(zhì)條件的研究，對常用圍護結(jié)構(gòu)形式的對比，對沉井進行穩(wěn)定性驗算和受力分析的結(jié)果表明選擇沉井作為軟土地區(qū)頂管井的基坑和結(jié)構(gòu)本體方法科學(xué)合理，安全經(jīng)濟，具備可行性，為后續(xù)類似工程提供參考意義。目前，本工程頂管井沉井已安全平穩(wěn)下沉到位，完成了3 道鋼筋混凝土管的頂進工作，綜合管廊也投入運營。