天然氣頂管井沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計研究有限公司 武沂泉

天然氣管線工程在穿越河道或公路時，常采用頂管方式穿越。頂管工程是一種無需開挖的排管技術(shù)，頂管工程中的工作井和接收井基坑圍護(hù)關(guān)系到基坑安全并對周邊環(huán)境設(shè)施產(chǎn)生影響。頂管井結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、管道埋深、施工工藝及環(huán)境條件等因素來確定。目前常用的頂管井結(jié)構(gòu)形式包括：鋼板樁、SMW工法樁、混凝土灌注樁、沉井、地下連續(xù)墻。

將沉井技術(shù)應(yīng)用到頂管工程施工中，能提升頂管施工質(zhì)量，為頂管施工營造良好的施工環(huán)境，避免進(jìn)出洞周圍出現(xiàn)土體流失導(dǎo)致周圍路面及附近管線損壞。沉井具有整體性強(qiáng)、埋深大、穩(wěn)定高、承載力強(qiáng)、施工速度快等特點(diǎn)，可為頂管工程施工提供支撐。圓形沉井周邊長度小于矩形周邊長度，側(cè)面與土壤的摩阻力小，對四周土體的擾動也較矩形沉井小，而圓形沉井又具有較好的受力性能，因此天然氣管道沉井一般采用圓形結(jié)構(gòu)。本文分析了施工和使用階段沉井刃腳、井壁、底板內(nèi)力和配筋的設(shè)計和計算方法，并結(jié)合沉井施工特點(diǎn)對沉井施工中不利地質(zhì)條件提出了防治措施。

1 工程概況

廣東省廣州市某能源站天然氣管道工程中，穿越道路處頂管的工作井和接收井都采用鋼筋混凝土圓形沉井結(jié)構(gòu)。天然氣管道的管徑為DN600，工作壓力3 MPa。頂管采用的三級混凝土套管管徑為DN1000，外徑為1.2 m，壁厚為100 mm。工作井沉井內(nèi)徑為8 m，外徑為9.4 m，井壁厚度為0.7 m。刃腳踏面寬度為0.35 m；沉井底板厚度為0.80 m?；炷翉?qiáng)度等級采用C30，抗?jié)B等級為P8。鋼筋采用HRB400，底板下設(shè)1.4 m厚C20素混凝土封底。沉井結(jié)構(gòu)總高11.8 m，地面相對標(biāo)高±0.00。套管中心相對地面標(biāo)高為-7.7m，地下水位標(biāo)高為-1.7m。沉井的平面和剖面結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

圖2 沉井剖面

2 頂管力計算

頂管施工采用泥水平衡式頂管作業(yè)，頂管長度68 m。根據(jù)地勘報告，頂管在粉砂層中頂進(jìn)時的管壁平均摩阻應(yīng)力約為18 kPa。沉井范圍內(nèi)土層為填土、粉砂層，對應(yīng)土層的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

頂管施工需采用以膨潤土為主的觸變泥漿，注入管道和土體之間的間隙，起到潤滑減阻和減少管道與土體之間摩阻力的作用。管壁摩阻力可以至少減少到5 kPa，從而減少頂管總頂力。

頂管頂進(jìn)阻力包括管道側(cè)壁摩阻力和頂管機(jī)前段正面阻力兩部分。按照廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-106-2015《頂管技術(shù)規(guī)程》[1]進(jìn)行頂管頂進(jìn)阻力的計算，如式(1)所示：

式中：F—— 頂進(jìn)阻力，kN；

fk——管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，kN/m2；

D—— 管道外徑，m；

L—— 管道頂進(jìn)施工長度，m；

p—— 頂管機(jī)截面中部的壓力，泥水平衡頂管取頂管機(jī)截面中部的地下水壓力，kN/m2。

用于制作頂管管材的混凝土強(qiáng)度不低于C40。C40混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為19.1 MPa，管材允許頂力按照式(2)進(jìn)行計算：

式中：N—— 管材允許頂管力，kN；

η—— 管材的安全折減系數(shù)，混凝土管取0.6；

fc—— 管材混凝土的抗壓設(shè)計強(qiáng)度，MPa；

A0—— 管材環(huán)向最小截面面積，m2。

經(jīng)計算，本項(xiàng)目頂管頂進(jìn)阻力為1 371 kN，管材允許頂力3 958 kN。出于安全考慮設(shè)計中一般明確要求頂管力不超過3 000 kN。在頂管力作用下，后座墻背土體需滿足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》[2]的穩(wěn)定性要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

頂管井沉井結(jié)構(gòu)在水土壓力作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：井壁厚度預(yù)估、抗浮驗(yàn)算、下沉驗(yàn)算、刃腳、井壁及底板受力計算、配筋、裂縫驗(yàn)算等內(nèi)容。

3.1 井壁厚度預(yù)估

井壁所受荷載包括水、土壓力、施工荷載、頂管頂力等。井壁厚度除考慮其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗?jié)B、剛度和抗浮需要外，還應(yīng)保證沉井有足夠的自重能順利下沉。一般根據(jù)沉井深度初步確定井壁厚度：沉井深度為5～8 m時，井壁厚度可采用350～450 mm；沉井深度為8～10 m時，井壁厚度可用400～550 mm；沉井深度為10 m以上時，井壁厚度宜用600 mm以上。較好的地質(zhì)情況(土側(cè)摩阻力較大)時，可適當(dāng)加大井壁厚度，對于薄壁沉井，應(yīng)采用觸變泥漿等措施，以降低沉井下沉?xí)r的摩阻力。當(dāng)遇到較差的地質(zhì)情況(土側(cè)摩阻力較小)時，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗?jié)B、剛度和抗浮需要時，可選擇較小厚度的井壁。

3.2 抗浮驗(yàn)算

沉井抗浮驗(yàn)算按照沉井封底時的實(shí)際最高水位進(jìn)行計算。本工程鋼筋混凝土底板與封底素混凝土之間設(shè)置φ20@400插筋即縱橫向每隔400 mm設(shè)置直徑20 mm的鋼筋進(jìn)行可靠連接。在進(jìn)行沉井抗浮驗(yàn)算時，封底混凝土可作為沉井抗浮重量的一部分。不計側(cè)壁摩阻力的有利影響，沉井抗浮系數(shù)應(yīng)大于1，抗浮系數(shù)按式(3)進(jìn)行計算。

式中：Kfw—— 抗浮系數(shù)；

Gik—— 包括井壁、底板、有可靠連接封底混凝土重量之和，kN；

Fwk—— 基底的水浮托力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

本項(xiàng)目基底水浮托力總浮力6 239.407 kN，不計井壁與側(cè)面土的反摩阻力，抗浮系數(shù)Kfw為1.28，滿足大于1.0的要求。當(dāng)沉井依靠自重不能獲得抗浮穩(wěn)定時，也可采取井點(diǎn)降水或加載。

3.3 下沉驗(yàn)算

沉井下沉驗(yàn)算時，需注意以下幾個方面。

(1) 沉井井壁摩阻力沿井壁深度方向分布如下：0～5m井壁深度范圍摩阻力隨深度線性增大，為三角形分布，5m井壁深度處至井底范圍為矩形分布。

(2) 摩阻力為各層土的單位摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值的加權(quán)平均值。如采用觸變泥漿時，應(yīng)采用處理后的側(cè)摩阻力計算下沉。

(3) 下沉系數(shù)一般控制在1.05～1.25之間。下沉系數(shù)大于1.5，或在下沉過程中遇有特別軟弱土層時，需進(jìn)行下沉穩(wěn)定驗(yàn)算。

沉井下沉系數(shù)按照式(4)進(jìn)行計算：

式中：Ks—— 下沉系數(shù)；

Gk—— 沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值包括外加助沉重量的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

Ffk—— 井壁總摩阻力，kN。

本工程井壁自重5 337.37 kN，下沉到設(shè)計標(biāo)高時，井壁所受的水浮托力為1 874 kN，按照未采用減阻措施的土層平均摩阻力為16.4 kPa，井壁總摩阻力Ffk為5 567 kN，按照式(4)計算得下沉系數(shù)Ks為0.62，小于1.05，需要外加助沉配重2 500 kN，此時下沉系數(shù)Ks為1.07，可以滿足CECS 137-2015中下沉系數(shù)大于1.05的要求。

3.4 刃腳、井壁及底板設(shè)計

3.4.1 刃腳設(shè)計

沉井外壁最下端刀刃狀結(jié)構(gòu)構(gòu)件，稱為刃腳，作用是在沉井下沉過程中，減少土的正面阻力，便于下沉。刃腳段的長度應(yīng)滿足封底混凝土的厚度要求。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析，可把刃腳看成在平面上是一個水平閉合框架，在豎向是一個固定在井壁上的懸臂梁，梁的跨度即為刃腳高度。在沉井抽除墊木，刃腳剛?cè)胪習(xí)r，此時沉井自重全部由刃腳支承，刃腳斜面有向外推力作用，此時刃腳承受根部向外的豎向彎矩；在沉井下沉到設(shè)計標(biāo)高且刃腳內(nèi)側(cè)土已經(jīng)挖除時最不利，此時刃腳外側(cè)水平壓力最大，刃腳承受向內(nèi)豎向彎矩。

刃腳根部截面高度800 mm，凹槽下口截面高度600 mm。刃腳配筋按鋼筋混凝土受彎構(gòu)件計算，根據(jù)所受彎矩值進(jìn)行刃腳配筋，具體見表2。刃腳的豎向鋼筋應(yīng)設(shè)置在水平環(huán)向鋼筋的外側(cè)，鋼筋應(yīng)錨固至刃腳根部以上。

表2 刃腳內(nèi)力與配筋

3.4.2 井壁設(shè)計

在井體下沉過程中，井壁受到土體的不均勻土壓力，將井體視作受對稱不均勻壓力作用的封閉圓環(huán)，CECS 137-2015假定在互成90°的兩點(diǎn)處的土內(nèi)部擦角差值為4°～8°，計算土壓力pa、pb，取井壁的1/4圓環(huán)進(jìn)行井壁內(nèi)力的計算，如圖3所示。其中：Na、Nb為側(cè)壁截面上的軸力，Ma、Mb為側(cè)壁截面上的彎矩，Rc為沉井井壁的中心半徑。圖3中的pθ按照式(5)進(jìn)行計算。

圖3 井壁內(nèi)力計算示意

式中：pθ—— 井壁任意θ角度處外側(cè)水平向土壓力kN/m2；

pa—— 井壁下端外側(cè)水平向土壓力，kN/m2；

pb—— 井壁上端外側(cè)水平向土壓力，kN/m2。

在水土壓力作用下，井壁截面彎矩和軸力計算結(jié)果見表3。計算出彎矩和軸力值后，按壓彎構(gòu)件進(jìn)行配筋計算。

表3 井壁封閉圓環(huán)內(nèi)力計算結(jié)果

沉井使用期間按圓柱殼計算，井壁底部內(nèi)力最大。根據(jù)計算，井壁底部豎向彎矩為504.89 kN·m，環(huán)向彎矩為84.15 kN·m，環(huán)向軸壓力為2 000.91 kN，豎向彎矩和環(huán)向彎矩均使井壁外側(cè)受拉。由計算所得的彎矩和軸力值再計算井壁配筋，結(jié)果見表4。井壁最大裂縫寬度計算結(jié)果為0.166 mm，小于CECS 137-2015中的限值0.25 mm。

表4 井壁配筋

3.4.3 底板與封底設(shè)計

本工程底板為直徑為8 m的圓形板，底板與池壁采用凹槽連接，受力按照四周鉸接邊界受下方凈反力作用考慮。經(jīng)力學(xué)抗彎強(qiáng)度計算，底板徑向最大彎矩為289 kN·m，計算配筋1 600 mm2，設(shè)計配筋φ20@150，并進(jìn)行抗裂計算，裂縫寬度的計算結(jié)果為0.23 mm，小于CECS 137-2015規(guī)范中的限值0.25 mm。

當(dāng)能通過降水措施確保澆筑沉井底板及養(yǎng)護(hù)期間地下水位保持在底板底面0.5 m以下時，不需對封底厚度進(jìn)行計算，只需按照構(gòu)造要求澆筑100 mm素混凝土墊層，能保證底板順利施工。

本工程采用水下濕封底，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，按周邊簡支的圓板受向上凈反力作用。經(jīng)混凝土抗彎強(qiáng)度計算，本工程設(shè)置1.4 m厚混凝土封底滿足抗彎驗(yàn)算要求。封底混凝土板邊緣尚應(yīng)進(jìn)行沖剪驗(yàn)算。

4 特殊地質(zhì)條件處理

沉井施工主要施工步驟包括沉井井身制作、沉井下沉、沉井封底，施工過程包括在地面制作鋼筋混凝土井身；待井身達(dá)到要求強(qiáng)度后，在井筒內(nèi)分層挖土并將土運(yùn)出；沉井筒身借其自重或其他技術(shù)措施克服與土壁之間的摩阻力，不斷下沉直至設(shè)計標(biāo)高后封底。沉井下沉方式一般可分為排水下沉和不排水下沉兩種，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況確定具體采用哪種形式。當(dāng)沉井的下沉深度范圍內(nèi)有地下水，且在下沉范圍內(nèi)的土層中存在粉土或粉細(xì)砂層時，或者降水會引起周圍建構(gòu)筑物沉降時，采用不排水下沉，其他情況可以采用排水下沉。

本工程沉井由于地下水位較高，并且地下富含較厚的透水礫砂層，故選擇不排水下沉。下沉過程中井內(nèi)水均不用排出，直至下沉至設(shè)計標(biāo)高，采用水下混凝土封底，待混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到設(shè)計要求后，抽水并完成底板施工。在挖除井內(nèi)土體時，粉砂層由于粒徑較小且滲透性較好，所以土顆粒易隨著地下水往井內(nèi)流失而形成空洞，造成周邊地面下沉或道路路面陷開裂等風(fēng)險。實(shí)際施工中，在沉井周邊先期設(shè)置了兩排直徑600 mm的咬合高壓旋噴樁進(jìn)行加固和止水，以確保路基的安全性。

影響沉井施工的常見不利地質(zhì)條件及對應(yīng)防治措施[3]見表5，同時施工中應(yīng)加強(qiáng)對附近建構(gòu)筑物的監(jiān)測工作。

表5 常見不利地質(zhì)條件及防治措施

5 結(jié)語

在天然氣管線頂管穿越工程中，沉井技術(shù)正得到越來越多的應(yīng)用。沉井能為頂管施工營造良好的施工環(huán)境，能夠很好地避免對周圍路面及附近管線的損壞。沉井具有整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、承載力強(qiáng)、施工速度快、無噪聲、無振動等特點(diǎn)，其中圓形沉井具有較好的受力性能是突出優(yōu)點(diǎn)，故在頂管工作井設(shè)計中應(yīng)用較多。沉井設(shè)計應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況的不同采取針對性的防治措施。當(dāng)沉井的下沉深度范圍內(nèi)有地下水，且在下沉范圍內(nèi)的土層中存在粉土或粉細(xì)砂層時，或者降水會引起周圍建構(gòu)筑物沉降時，采用不排水下沉；當(dāng)存在深厚粉砂層周邊環(huán)境對沉降要求嚴(yán)格時，采用先高壓旋噴樁進(jìn)行加固后沉井的方式。

本工程沉井井壁下部和刃腳受力較大，設(shè)計中應(yīng)加強(qiáng)該部位的配筋；沉井的井壁和底板均有防水要求；混凝土應(yīng)根據(jù)沉井深度選用對應(yīng)的抗?jié)B等級，并應(yīng)進(jìn)行裂縫驗(yàn)算。在設(shè)計底板時，不考慮封底素混凝土承受水壓力，水壓力全部由鋼筋混凝土底板來承受。