刘星宇

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

1 引言

2 工程概况及地质条件

2.1 工程概况

本工程位于上海市某综合管廊工程项目，穿越某市级道路和小型河道（六级航道），该段综合管廊共3 个仓室，在同一顶管井分3 道内径3.5 m 的钢筋混凝土顶管（顶管断面如图1所示）依次平行顶出至接收井内，3 道顶管管中心均位于同一竖向标高。本顶管井在完成顶管施工后仍需兼作管廊通风口及逃生口，所以按永久井进行设计。

图1 3 道顶管断面示意图

2.2 地质条件

本工程顶管工作井位于河道东侧的荒地和农田内，周边除河道大堤外无其他重要的建（构）筑物，顶管工作井井壁边距离河道大堤地脚最近处20 m。

根据岩土工程勘察报告，该工作井场地主要土层分布如下：①层素填土、②层粉质黏土（黏聚力c=22 kPa，摩擦角φ=18.5°）、③层淤泥质粉质黏土（c=13 kPa，φ=17.5°）、④层淤泥质黏土（c=14.5 kPa，φ=14°）、⑤1层黏土（c=15 kPa，φ=13°）、⑥层粉质黏土（c=41 kPa，φ=18°）、⑦1层砂质粉土（c=5 kPa，φ=33.5°）。顶管中心埋深15.77m 位于⑤1层黏土，底板底埋深18.92 m 落于⑤1层黏土，刃脚底埋深23.92 m 落于⑥层粉质黏土。

3 顶管井平面选型

常用的顶管井平面形状一般有圆形、矩形，本工程两侧顶管工作孔最小平面净尺寸为8.8 m×14 m，中间顶管工作孔最小平面净尺寸为7.9 m×14 m，加上中间2 道各0.6 m 厚的中隔墙，整个顶管井内工作孔的最小净尺寸为26.7 m×14 m，属于扁长形区域，若采用圆形布置，井内径长将达到32 m，并且圆形工作井在同一方向，多管顶进时，若顶管顶力对不准圆心时，可能引起反向扭转，造成不利影响[1]。本工程经过对2 种顶管井平面形状的对比发现，矩形顶管井在占地面积、井壁尺寸、各材料用量、结构受力方面均比圆形有优势，故选用矩形三格井方案。

4 顶管井围护形式的比选

根据上海市多年来在软土区地下顶管工程的经验，通过本工程地质条件及周边环境的研究，对于顶管埋置深度较深的软土地区，永久顶管井的围护结构形式可采用沉井、地下连续墙+支撑、灌注桩+止水帷幕+支撑等。

沉井作为一种在地面制作好，通过井内取土依靠自重下沉至设计标高的结构，在市政结构中广泛应用，比较常见的有顶管井、取水泵房、大型桥墩等。沉井的优点是各种埋置深度均适用，整体性好，既是基础，又是顶管施工时挡土和挡水的结构，顶管施工完后又可作为永久井使用，其造价比较低，制作及施工的周期较短。其缺点是对沉井施工的技术要求比较高，下沉中存在倾斜、超沉等风险。

地下连续墙+支撑的围护结构形式常用于超过10 m 的深基坑工程，其作为围护结构也可以作为主体结构的一部分，防水和抗渗性能比较好。但是在软土地区，其墙体插入深度较深，加上侧向支撑的尺寸较大，会侵占一部分内部空间，造成顶管井平面尺寸增大，工期和造价相较于沉井存在劣势。

灌注桩+支撑作为围护结构时，在地下水丰富的地区需要在灌注桩外围加高压旋喷桩或水泥搅拌桩作为止水帷幕，设置内部支撑后仍需加设钢筋混凝土永久内衬来保障其抗渗和使用要求，相较于前2 种围护结构，会进一步提高造价，延长施工周期。

本项目变频电动机在开发过程中，采用了一套完整的机械计算程序，如轴伸强度计算、线圈尺寸计算、转子临界转速计算、转子端环、护环、导条强度及起动寿命计算、转子冲片强度计算等等。在开发新产品时，通过这些计算，在理论上保证了各机械部件的安全运行。

结合本工程的地质条件、周边环境、经济性、施工周期、安全性等各方面因素的考虑，最终确定顶管井的围护结构采用沉井，其平面图和剖面图如图2、图3 所示。

图2 沉井顶管井平面图

图3 沉井顶管井剖面图

5 顶管井沉井稳定性验算

5.1 下沉稳定性验算

根据CECS 137:2015《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》5.1.4 条[2]的要求，沉井均应进行下沉、下沉稳定性及抗浮稳定性验算。

本工程顶管井设计起沉标高为1.420 m，分1 次接高2 次下沉至设计标高，其中第一节沉井制作高度17.5 m，第一次下沉高度16 m，第二节沉井接高5.5 m，第二次下沉高度为5.92 m，采用不排水下沉。

下沉系数计算公式：

式中，Kst为下沉系数，一般Kst≥1.05；Gik为沉井自重标准值，kN；Ffw,k为下沉过程中水的浮托力标准值，kN；Ffk为井壁总摩阻力标准值。

计算表明，Gik=70 420 kN，Ffw,k=25 010 kN，Ffk=21 360 kN，Kst=2.13＞1.05，满足要求。下沉系数较大或在下沉过程中遇有软弱土层时，应进行下沉稳定验算。

下沉稳定系数计算公式：

式中，Kst，s为下沉稳定系数，一般为0.8～0.9；F′fw,k为验算状态下水的浮托力标准值，kN；F′fk为验算状态下井壁总摩阻力标准值，kN；Rb为沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之和，kN。第一节沉井下沉稳定系数计算中，Gik=70 420 kN，F′fw,k=25 010 kN，F′fw=21 360 kN，Rb=33331kN，Kst，s=0.827，满足要求；接高后的下沉稳定系数计算中，Gik=85 340 kN，Kst，s=1.10，不满足要求，通过接高前井内留土或井内回填土的方法，根据地基承载力深宽修正公式，可提高刃脚底和底梁底土体承载力，提高后的Rb=45 890 kN，Kst，s=0.897，满足要求。

5.2 抗浮稳定性验算

沉井抗浮验算应按沉井封底和使用2 个阶段，本工程封底混凝土和底板设置了拉结钢筋作为可靠连接，封底混凝土的自重可作为沉井抗浮重量的一部分。

抗浮系数计算公式：

式中，Kfw为抗浮系数，一般Kfw≥1.0（不计侧壁摩阻力）；Fbfw,k为基底水浮托力标准值，kN。

施工阶段抗浮验算中，Gik=135 250 kN，Fbfw,k=107 000 kN（地下水位取地面以下2m）；Kfw=1.264，满足要求；使用阶段抗浮验算中，Gik=142 800 kN，Fbfw,k=114 700 kN（地下水位取地面以下0.5 m），Kfw=1.245，满足要求。

6 沉井受力分析

本工程沉井顶管井平面结构布置和井内分隔较为简单、规则、对称，可简化为平面体系进行结构分析，在水土侧压力及地面超载作用下，下沉阶段在垂直方向截取单位高度的井段按水平封闭框架结构进行计算[3]，结构计算简图如图4所示。

图4 井壁底结构计算简图

限于篇幅，本文仅列取沉井不排水下沉施工期间，刃脚、井壁底、井壁变截面处水平框架进行受力配筋分析，提取各单位截条计算得到的主要位置内力结果，验算强度配筋及裂缝宽度，具体计算结果详见表1，沉井下沉施工阶段裂缝宽度最大限值为0.30 mm。

表1 刃脚、井壁水平框架内力包络配筋表

底板按四边简支双向板进行计算，取水浮托力和地基净反力2 种工况中最不利的进行计算，短向和长向弯矩最大值分别为549.5 kN·m 和339.5 kN·m，分别配φ25 mm@100 mm和φ25 mm@150 mm 钢筋，裂缝宽度为0.110 mm 和0.146 mm，强度验算均满足。刃脚竖向钢筋按向外弯曲和向内弯曲计算后均为构造配筋。井壁板钢筋按下沉至设计标高且底板完成后按3 边固定顶边自由的双向板复核，横向钢筋按表1复核后均满足要求，竖向钢筋在下部支座和跨中处分别配φ32 mm@100 mm 和φ32 mm@150 mm，最大裂缝宽度为0.233 mm 和0.185 mm，强度验算均满足。未设置中隔墙的底梁按3 跨连续梁进行设计，最大弯矩11 490 kN·m，配26 根φ32 mm 钢筋，裂缝宽度0.194 mm，强度验算满足要求。

7 结语

本文通过对周边环境、地质条件的研究，对常用围护结构形式的对比，对沉井进行稳定性验算和受力分析的结果表明选择沉井作为软土地区顶管井的基坑和结构本体方法科学合理，安全经济，具备可行性，为后续类似工程提供参考意义。目前，本工程顶管井沉井已安全平稳下沉到位，完成了3 道钢筋混凝土管的顶进工作，综合管廊也投入运营。