天然气顶管井沉井结构设计探讨

上海燃气工程设计研究有限公司 武沂泉

天然气管线工程在穿越河道或公路时，常采用顶管方式穿越。顶管工程是一种无需开挖的排管技术，顶管工程中的工作井和接收井基坑围护关系到基坑安全并对周边环境设施产生影响。顶管井结构形式应根据地质条件、管道埋深、施工工艺及环境条件等因素来确定。目前常用的顶管井结构形式包括：钢板桩、SMW工法桩、混凝土灌注桩、沉井、地下连续墙。

将沉井技术应用到顶管工程施工中，能提升顶管施工质量，为顶管施工营造良好的施工环境，避免进出洞周围出现土体流失导致周围路面及附近管线损坏。沉井具有整体性强、埋深大、稳定高、承载力强、施工速度快等特点，可为顶管工程施工提供支撑。圆形沉井周边长度小于矩形周边长度，侧面与土壤的摩阻力小，对四周土体的扰动也较矩形沉井小，而圆形沉井又具有较好的受力性能，因此天然气管道沉井一般采用圆形结构。本文分析了施工和使用阶段沉井刃脚、井壁、底板内力和配筋的设计和计算方法，并结合沉井施工特点对沉井施工中不利地质条件提出了防治措施。

1 工程概况

广东省广州市某能源站天然气管道工程中，穿越道路处顶管的工作井和接收井都采用钢筋混凝土圆形沉井结构。天然气管道的管径为DN600，工作压力3 MPa。顶管采用的三级混凝土套管管径为DN1000，外径为1.2 m，壁厚为100 mm。工作井沉井内径为8 m，外径为9.4 m，井壁厚度为0.7 m。刃脚踏面宽度为0.35 m；沉井底板厚度为0.80 m。混凝土强度等级采用C30，抗渗等级为P8。钢筋采用HRB400，底板下设1.4 m厚C20素混凝土封底。沉井结构总高11.8 m，地面相对标高±0.00。套管中心相对地面标高为-7.7m，地下水位标高为-1.7m。沉井的平面和剖面结构分别如图1和图2所示。

图2 沉井剖面

2 顶管力计算

顶管施工采用泥水平衡式顶管作业，顶管长度68 m。根据地勘报告，顶管在粉砂层中顶进时的管壁平均摩阻应力约为18 kPa。沉井范围内土层为填土、粉砂层，对应土层的相关参数见表1。

表1 土层参数

顶管施工需采用以膨润土为主的触变泥浆，注入管道和土体之间的间隙，起到润滑减阻和减少管道与土体之间摩阻力的作用。管壁摩阻力可以至少减少到5 kPa，从而减少顶管总顶力。

顶管顶进阻力包括管道侧壁摩阻力和顶管机前段正面阻力两部分。按照广东省标准DBJ/T 15-106-2015《顶管技术规程》[1]进行顶管顶进阻力的计算，如式(1)所示：

式中：F—— 顶进阻力，kN；

fk——管道外壁与土的单位面积平均摩阻力，kN/m2；

D—— 管道外径，m；

L—— 管道顶进施工长度，m；

p—— 顶管机截面中部的压力，泥水平衡顶管取顶管机截面中部的地下水压力，kN/m2。

用于制作顶管管材的混凝土强度不低于C40。C40混凝土抗压强度设计值为19.1 MPa，管材允许顶力按照式(2)进行计算：

式中：N—— 管材允许顶管力，kN；

η—— 管材的安全折减系数，混凝土管取0.6；

fc—— 管材混凝土的抗压设计强度，MPa；

A0—— 管材环向最小截面面积，m2。

经计算，本项目顶管顶进阻力为1 371 kN，管材允许顶力3 958 kN。出于安全考虑设计中一般明确要求顶管力不超过3 000 kN。在顶管力作用下，后座墙背土体需满足CECS 137-2015《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》[2]的稳定性要求。

3 结构设计

顶管井沉井结构在水土压力作用下的结构设计包括：井壁厚度预估、抗浮验算、下沉验算、刃脚、井壁及底板受力计算、配筋、裂缝验算等内容。

3.1 井壁厚度预估

井壁所受荷载包括水、土压力、施工荷载、顶管顶力等。井壁厚度除考虑其结构强度、抗渗、刚度和抗浮需要外，还应保证沉井有足够的自重能顺利下沉。一般根据沉井深度初步确定井壁厚度：沉井深度为5～8 m时，井壁厚度可采用350～450 mm；沉井深度为8～10 m时，井壁厚度可用400～550 mm；沉井深度为10 m以上时，井壁厚度宜用600 mm以上。较好的地质情况(土侧摩阻力较大)时，可适当加大井壁厚度，对于薄壁沉井，应采用触变泥浆等措施，以降低沉井下沉时的摩阻力。当遇到较差的地质情况(土侧摩阻力较小)时，在满足结构强度、抗渗、刚度和抗浮需要时，可选择较小厚度的井壁。

3.2 抗浮验算

沉井抗浮验算按照沉井封底时的实际最高水位进行计算。本工程钢筋混凝土底板与封底素混凝土之间设置φ20@400插筋即纵横向每隔400 mm设置直径20 mm的钢筋进行可靠连接。在进行沉井抗浮验算时，封底混凝土可作为沉井抗浮重量的一部分。不计侧壁摩阻力的有利影响，沉井抗浮系数应大于1，抗浮系数按式(3)进行计算。

式中：Kfw—— 抗浮系数；

Gik—— 包括井壁、底板、有可靠连接封底混凝土重量之和，kN；

Fwk—— 基底的水浮托力标准值，kN。

本项目基底水浮托力总浮力6 239.407 kN，不计井壁与侧面土的反摩阻力，抗浮系数Kfw为1.28，满足大于1.0的要求。当沉井依靠自重不能获得抗浮稳定时，也可采取井点降水或加载。

3.3 下沉验算

沉井下沉验算时，需注意以下几个方面。

(1) 沉井井壁摩阻力沿井壁深度方向分布如下：0～5m井壁深度范围摩阻力随深度线性增大，为三角形分布，5m井壁深度处至井底范围为矩形分布。

(2) 摩阻力为各层土的单位摩阻力标准值的加权平均值。如采用触变泥浆时，应采用处理后的侧摩阻力计算下沉。

(3) 下沉系数一般控制在1.05～1.25之间。下沉系数大于1.5，或在下沉过程中遇有特别软弱土层时，需进行下沉稳定验算。

沉井下沉系数按照式(4)进行计算：

式中：Ks—— 下沉系数；

Gk—— 沉井自重标准值包括外加助沉重量的标准值，kN；

Ffk—— 井壁总摩阻力，kN。

本工程井壁自重5 337.37 kN，下沉到设计标高时，井壁所受的水浮托力为1 874 kN，按照未采用减阻措施的土层平均摩阻力为16.4 kPa，井壁总摩阻力Ffk为5 567 kN，按照式(4)计算得下沉系数Ks为0.62，小于1.05，需要外加助沉配重2 500 kN，此时下沉系数Ks为1.07，可以满足CECS 137-2015中下沉系数大于1.05的要求。

3.4 刃脚、井壁及底板设计

3.4.1 刃脚设计

沉井外壁最下端刀刃状结构构件，称为刃脚，作用是在沉井下沉过程中，减少土的正面阻力，便于下沉。刃脚段的长度应满足封底混凝土的厚度要求。根据结构受力分析，可把刃脚看成在平面上是一个水平闭合框架，在竖向是一个固定在井壁上的悬臂梁，梁的跨度即为刃脚高度。在沉井抽除垫木，刃脚刚入土时，此时沉井自重全部由刃脚支承，刃脚斜面有向外推力作用，此时刃脚承受根部向外的竖向弯矩；在沉井下沉到设计标高且刃脚内侧土已经挖除时最不利，此时刃脚外侧水平压力最大，刃脚承受向内竖向弯矩。

刃脚根部截面高度800 mm，凹槽下口截面高度600 mm。刃脚配筋按钢筋混凝土受弯构件计算，根据所受弯矩值进行刃脚配筋，具体见表2。刃脚的竖向钢筋应设置在水平环向钢筋的外侧，钢筋应锚固至刃脚根部以上。

表2 刃脚内力与配筋

3.4.2 井壁设计

在井体下沉过程中，井壁受到土体的不均匀土压力，将井体视作受对称不均匀压力作用的封闭圆环，CECS 137-2015假定在互成90°的两点处的土内部擦角差值为4°～8°，计算土压力pa、pb，取井壁的1/4圆环进行井壁内力的计算，如图3所示。其中：Na、Nb为侧壁截面上的轴力，Ma、Mb为侧壁截面上的弯矩，Rc为沉井井壁的中心半径。图3中的pθ按照式(5)进行计算。

图3 井壁内力计算示意

式中：pθ—— 井壁任意θ角度处外侧水平向土压力kN/m2；

pa—— 井壁下端外侧水平向土压力，kN/m2；

pb—— 井壁上端外侧水平向土压力，kN/m2。

在水土压力作用下，井壁截面弯矩和轴力计算结果见表3。计算出弯矩和轴力值后，按压弯构件进行配筋计算。

表3 井壁封闭圆环内力计算结果

沉井使用期间按圆柱壳计算，井壁底部内力最大。根据计算，井壁底部竖向弯矩为504.89 kN·m，环向弯矩为84.15 kN·m，环向轴压力为2 000.91 kN，竖向弯矩和环向弯矩均使井壁外侧受拉。由计算所得的弯矩和轴力值再计算井壁配筋，结果见表4。井壁最大裂缝宽度计算结果为0.166 mm，小于CECS 137-2015中的限值0.25 mm。

表4 井壁配筋

3.4.3 底板与封底设计

本工程底板为直径为8 m的圆形板，底板与池壁采用凹槽连接，受力按照四周铰接边界受下方净反力作用考虑。经力学抗弯强度计算，底板径向最大弯矩为289 kN·m，计算配筋1 600 mm2，设计配筋φ20@150，并进行抗裂计算，裂缝宽度的计算结果为0.23 mm，小于CECS 137-2015规范中的限值0.25 mm。

当能通过降水措施确保浇筑沉井底板及养护期间地下水位保持在底板底面0.5 m以下时，不需对封底厚度进行计算，只需按照构造要求浇筑100 mm素混凝土垫层，能保证底板顺利施工。

本工程采用水下湿封底，封底混凝土受底面向上的浮力扣除封底素混凝土自重的均布力作用，按周边简支的圆板受向上净反力作用。经混凝土抗弯强度计算，本工程设置1.4 m厚混凝土封底满足抗弯验算要求。封底混凝土板边缘尚应进行冲剪验算。

4 特殊地质条件处理

沉井施工主要施工步骤包括沉井井身制作、沉井下沉、沉井封底，施工过程包括在地面制作钢筋混凝土井身；待井身达到要求强度后，在井筒内分层挖土并将土运出；沉井筒身借其自重或其他技术措施克服与土壁之间的摩阻力，不断下沉直至设计标高后封底。沉井下沉方式一般可分为排水下沉和不排水下沉两种，可根据实际地质情况确定具体采用哪种形式。当沉井的下沉深度范围内有地下水，且在下沉范围内的土层中存在粉土或粉细砂层时，或者降水会引起周围建构筑物沉降时，采用不排水下沉，其他情况可以采用排水下沉。

本工程沉井由于地下水位较高，并且地下富含较厚的透水砾砂层，故选择不排水下沉。下沉过程中井内水均不用排出，直至下沉至设计标高，采用水下混凝土封底，待混凝土强度等级达到设计要求后，抽水并完成底板施工。在挖除井内土体时，粉砂层由于粒径较小且渗透性较好，所以土颗粒易随着地下水往井内流失而形成空洞，造成周边地面下沉或道路路面陷开裂等风险。实际施工中，在沉井周边先期设置了两排直径600 mm的咬合高压旋喷桩进行加固和止水，以确保路基的安全性。

影响沉井施工的常见不利地质条件及对应防治措施[3]见表5，同时施工中应加强对附近建构筑物的监测工作。

表5 常见不利地质条件及防治措施

5 结语

在天然气管线顶管穿越工程中，沉井技术正得到越来越多的应用。沉井能为顶管施工营造良好的施工环境，能够很好地避免对周围路面及附近管线的损坏。沉井具有整体性强、稳定性高、承载力强、施工速度快、无噪声、无振动等特点，其中圆形沉井具有较好的受力性能是突出优点，故在顶管工作井设计中应用较多。沉井设计应根据地质情况的不同采取针对性的防治措施。当沉井的下沉深度范围内有地下水，且在下沉范围内的土层中存在粉土或粉细砂层时，或者降水会引起周围建构筑物沉降时，采用不排水下沉；当存在深厚粉砂层周边环境对沉降要求严格时，采用先高压旋喷桩进行加固后沉井的方式。

本工程沉井井壁下部和刃脚受力较大，设计中应加强该部位的配筋；沉井的井壁和底板均有防水要求；混凝土应根据沉井深度选用对应的抗渗等级，并应进行裂缝验算。在设计底板时，不考虑封底素混凝土承受水压力，水压力全部由钢筋混凝土底板来承受。