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摘要：以某沉井结构为工程实例,简要论述了沉井结构设计中的设计步骤、设计要点
关键词：沉井 结构设计
Abstract: a structure of open caisson for engineering examples, briefly discusses the design of the structure of open caisson design steps, the key points of design
Keywords: structure of open caisson design
中图分类号：TU318文獻标识码：A 文章编号：
顶管施工是近现代发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层并且能够穿越公路、铁路、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工就是借助顶油缸的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井吊起的一种施工方式。因此在顶管工程中，顶管工作井和接收井是一个重要组成部分。对于管线较浅、水位较低的工程一般顶管工作井和接收井可以采用钢板桩围护的结构形式，若管线埋藏较深、水位较高、顶力较大，通常采用沉井的结构形式。沉井井身刚度大、断面大、承载力高、抗渗能力好、耐久性好、内部空间可充分利用，同时施工场地占地面积小、出土量少、成本低，土质适用范围广，周围地层土体造成的位移小，对邻近建筑物的影响小。本文主要就金沙湖输水管道工程顶管工作井和接收井沉井结构设计方法及施工时一些注意事项做一些简要介绍。
一、 工程概况
本工程为某输水管线工程，位于杭州下沙经济开发区，顶管穿过某河和某路顶管长约156米。顶管部分采用钢管，管道直径分别为DN1200，顶管工作井和接收井均位于河岸边或公路边较空旷处。
根据现场的勘察情况，地质条件如下：①杂填土：杂色，松散，干-稍湿。主要以粉土为主，夹粒径约1~4cm碎石及少量碎瓦砾等组成。局部孔中底部碎石含量较高。层顶标高6.14～7.81m，厚度1.70～7.60m。
②-1粘质粉土：灰黄色，灰色，稍密，湿。含大量云母碎屑。摇震反应中等，刀切面粗糙，韧性及干强度低。局部为砂质粉土或粉砂。局部缺失，层顶标高3.67～5.91m，层厚0.00～2.80m。
②-2砂质粉土：灰色，稍密~中密，很湿。含大量云母碎屑。摇震反应迅速，刀切面粗糙，韧性及干强度低。局部夹粘质粉土或粉砂。全场分布，层顶标高-0.95～4.35m，层厚5.90～9.80m。
②-3砂质粉土：灰色，中密，很湿。含大量云母碎屑。摇震反应迅速，刀切面粗糙，韧性及干强度低。局部含粘质粉土以及粉砂等。局部粉砂含量较高，全场分布，层顶标高-4.89～-7.93m，层厚未揭穿。
勘察期间测得地下水位埋深在1.70～2.80m之间。
二、 设计要点
（一）沉井的选址
在工作井及接收井的选址上应尽量避开房屋、地下管线、架空电线等不利于施工的作业的场所。工作井内部需布置大量设备，地面上要堆放管道、渣土运输、泥浆沉淀池，还要有排水管道等。工作井及接收井若离地下管线过近，在施工过程中会造成它们损坏；工作井及接收井在河道边，若河道中的水与坑中的贯通造成水土流失，不利于结构的安全；在架空电线下作业，容易发生触电或停电事故。因此本工程在排除地下管线情况综合考虑后，将工作井位置选址在某河岸边空地处，接收井位于某路边空地处，同时避开绿化并在规划建筑物红线范围5米以外。
（二）沉井的选型
沉井的施工方法对沉井设计计算有直接关系，本工程地下主要为粉土层，且地下水位较高，井外排水进行排水下沉时，井壁侧壁摩阻力偏大，常常无法下沉至设计标高，因此该工程采用不排水下沉，在下沉至设计标高封底完成后，可进行排水作业，将井内水排空。一般小型沉井应优先采用圆形沉井，结构受力性能好，下沉阻力小，对土体扰动小。根据顶管设计规程，顶管过河底时，顶管顶部应该在规划河堤下3倍管径以下并不小于2.5m。聚首河规划河底标高为1.375米，则顶管顶部标高定为-1.625m，管道中心标高-2.225m。考虑到顶管设备的尺寸及施工场所的大小，沉井内径定为6.3m，井壁厚度暂定450mm。底板厚度取600mm，刃脚踏面宽250mm，刃脚斜面与水平面夹角60°，刃脚高度1000mm。
如图为沉井剖面图
1. 沉井的计算
（1）井壁厚度确定
井壁厚度主要由以下因素确定
1）下沉要求。设计中一般优先考虑依靠井身自重克服摩擦力下沉的原则，使得下沉系数Kst≥1.05。
总摩阻力Ffk=2193.28kN, 井壁自重G1k=2708.82 kN，下沉过程中水浮力（不排水下沉，考虑内外水位高差3m） Ffw,k=826.68 kN，
下沉系数Kst=(G1k-Ffw,k)/Ffk=0.86≤1.05，不满足下沉要求，需助沉。
2）下沉稳定性要求。因下沉系数<1.05不需进行下沉稳定计算
3） 抗浮要求。因本工程地下水位较高，沉井井身自重需满足抗浮系数Kfw≥1.0（不计侧壁阻力）的要求。
沉井使用阶段自重（因井壁及底板自重不足，因此在地板上部浇注厚600mm素混凝土的配重抗浮） G沉井=4475.97 kN ，地下水浮力Ffw,k =4263.11 kN
Kfw= G沉井/Ffw,k=1.05＞1.0 满足抗浮要求
通过对下沉系数，下沉稳定系数和抗浮系数的验算，壁厚450mm满足结构设计要求。
（2）强度验算
根据《给水排水工程沉井设计规程》强度计算分为以下几个步骤：
1） 下沉前井壁竖向弯曲计算,可参照规程公式按照深梁设计井壁上部和下部配筋
2） 刃脚计算。分刃脚根部向内弯曲和刃脚根部向内弯曲两部分计算刃脚配筋
3） 井壁计算（封底前）。先取刃脚根部以上1.5倍井壁厚度一段进行计算，然后取刃脚影响区以上单位高度井壁进行计算，再取底面标高为-5.730m处井壁进行计算
4） 施工阶段的井壁竖向抗拉计算
5） 底板浇筑后的井壁计算，此时按照按底板处为简支，井上口处为自由的筒壳计算
6） 在顶管顶力作用下池壁配筋计算
7） 底板计算
具体计算本文不详细阐述。
2. 止水帷幕设计
因本工程位于地下，沉井封底时为排水施工，井外需进行井点降水，因临近河堤和城市道路，施工时需严格控制沉降，故在沉井周边打一圈旋喷桩形成止水帷幕，桩径600mm，桩长定为20米，桩中心间距300mm。如图为桩位布置图。
参考文献：
1.《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS 137:2002
2.《钢筋混凝土沉井结构设计施工手册》 葛春辉 主编
3.《沉井与沉箱》 张凤祥 付德明 张冠军著
4．《给水排水工程结构设计手册》给水排水工程结构设计手册编委会
作者简介：江莉（1981.8）、女、浙江省杭州市、现任杭州杭水水业建设设计有限公司结构设计师、学士学位、研究方向：给水排水工程结构设计。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：沉井 结构设计
Abstract: a structure of open caisson for engineering examples, briefly discusses the design of the structure of open caisson design steps, the key points of design
Keywords: structure of open caisson design
中图分类号：TU318文獻标识码：A 文章编号：
顶管施工是近现代发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层并且能够穿越公路、铁路、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工就是借助顶油缸的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井吊起的一种施工方式。因此在顶管工程中，顶管工作井和接收井是一个重要组成部分。对于管线较浅、水位较低的工程一般顶管工作井和接收井可以采用钢板桩围护的结构形式，若管线埋藏较深、水位较高、顶力较大，通常采用沉井的结构形式。沉井井身刚度大、断面大、承载力高、抗渗能力好、耐久性好、内部空间可充分利用，同时施工场地占地面积小、出土量少、成本低，土质适用范围广，周围地层土体造成的位移小，对邻近建筑物的影响小。本文主要就金沙湖输水管道工程顶管工作井和接收井沉井结构设计方法及施工时一些注意事项做一些简要介绍。
一、 工程概况
本工程为某输水管线工程，位于杭州下沙经济开发区，顶管穿过某河和某路顶管长约156米。顶管部分采用钢管，管道直径分别为DN1200，顶管工作井和接收井均位于河岸边或公路边较空旷处。
根据现场的勘察情况，地质条件如下：①杂填土：杂色，松散，干-稍湿。主要以粉土为主，夹粒径约1~4cm碎石及少量碎瓦砾等组成。局部孔中底部碎石含量较高。层顶标高6.14～7.81m，厚度1.70～7.60m。
②-1粘质粉土：灰黄色，灰色，稍密，湿。含大量云母碎屑。摇震反应中等，刀切面粗糙，韧性及干强度低。局部为砂质粉土或粉砂。局部缺失，层顶标高3.67～5.91m，层厚0.00～2.80m。
②-2砂质粉土：灰色，稍密~中密，很湿。含大量云母碎屑。摇震反应迅速，刀切面粗糙，韧性及干强度低。局部夹粘质粉土或粉砂。全场分布，层顶标高-0.95～4.35m，层厚5.90～9.80m。
②-3砂质粉土：灰色，中密，很湿。含大量云母碎屑。摇震反应迅速，刀切面粗糙，韧性及干强度低。局部含粘质粉土以及粉砂等。局部粉砂含量较高，全场分布，层顶标高-4.89～-7.93m，层厚未揭穿。
勘察期间测得地下水位埋深在1.70～2.80m之间。
二、 设计要点
（一）沉井的选址
在工作井及接收井的选址上应尽量避开房屋、地下管线、架空电线等不利于施工的作业的场所。工作井内部需布置大量设备，地面上要堆放管道、渣土运输、泥浆沉淀池，还要有排水管道等。工作井及接收井若离地下管线过近，在施工过程中会造成它们损坏；工作井及接收井在河道边，若河道中的水与坑中的贯通造成水土流失，不利于结构的安全；在架空电线下作业，容易发生触电或停电事故。因此本工程在排除地下管线情况综合考虑后，将工作井位置选址在某河岸边空地处，接收井位于某路边空地处，同时避开绿化并在规划建筑物红线范围5米以外。
（二）沉井的选型
沉井的施工方法对沉井设计计算有直接关系，本工程地下主要为粉土层，且地下水位较高，井外排水进行排水下沉时，井壁侧壁摩阻力偏大，常常无法下沉至设计标高，因此该工程采用不排水下沉，在下沉至设计标高封底完成后，可进行排水作业，将井内水排空。一般小型沉井应优先采用圆形沉井，结构受力性能好，下沉阻力小，对土体扰动小。根据顶管设计规程，顶管过河底时，顶管顶部应该在规划河堤下3倍管径以下并不小于2.5m。聚首河规划河底标高为1.375米，则顶管顶部标高定为-1.625m，管道中心标高-2.225m。考虑到顶管设备的尺寸及施工场所的大小，沉井内径定为6.3m，井壁厚度暂定450mm。底板厚度取600mm，刃脚踏面宽250mm，刃脚斜面与水平面夹角60°，刃脚高度1000mm。
如图为沉井剖面图
1. 沉井的计算
（1）井壁厚度确定
井壁厚度主要由以下因素确定
1）下沉要求。设计中一般优先考虑依靠井身自重克服摩擦力下沉的原则，使得下沉系数Kst≥1.05。
总摩阻力Ffk=2193.28kN, 井壁自重G1k=2708.82 kN，下沉过程中水浮力（不排水下沉，考虑内外水位高差3m） Ffw,k=826.68 kN，
下沉系数Kst=(G1k-Ffw,k)/Ffk=0.86≤1.05，不满足下沉要求，需助沉。
2）下沉稳定性要求。因下沉系数<1.05不需进行下沉稳定计算
3） 抗浮要求。因本工程地下水位较高，沉井井身自重需满足抗浮系数Kfw≥1.0（不计侧壁阻力）的要求。
沉井使用阶段自重（因井壁及底板自重不足，因此在地板上部浇注厚600mm素混凝土的配重抗浮） G沉井=4475.97 kN ，地下水浮力Ffw,k =4263.11 kN
Kfw= G沉井/Ffw,k=1.05＞1.0 满足抗浮要求
通过对下沉系数，下沉稳定系数和抗浮系数的验算，壁厚450mm满足结构设计要求。
（2）强度验算
根据《给水排水工程沉井设计规程》强度计算分为以下几个步骤：
1） 下沉前井壁竖向弯曲计算,可参照规程公式按照深梁设计井壁上部和下部配筋
2） 刃脚计算。分刃脚根部向内弯曲和刃脚根部向内弯曲两部分计算刃脚配筋
3） 井壁计算（封底前）。先取刃脚根部以上1.5倍井壁厚度一段进行计算，然后取刃脚影响区以上单位高度井壁进行计算，再取底面标高为-5.730m处井壁进行计算
4） 施工阶段的井壁竖向抗拉计算
5） 底板浇筑后的井壁计算，此时按照按底板处为简支，井上口处为自由的筒壳计算
6） 在顶管顶力作用下池壁配筋计算
7） 底板计算
具体计算本文不详细阐述。
2. 止水帷幕设计
因本工程位于地下，沉井封底时为排水施工，井外需进行井点降水，因临近河堤和城市道路，施工时需严格控制沉降，故在沉井周边打一圈旋喷桩形成止水帷幕，桩径600mm，桩长定为20米，桩中心间距300mm。如图为桩位布置图。
参考文献：
1.《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS 137:2002
2.《钢筋混凝土沉井结构设计施工手册》 葛春辉 主编
3.《沉井与沉箱》 张凤祥 付德明 张冠军著
4．《给水排水工程结构设计手册》给水排水工程结构设计手册编委会
作者简介：江莉（1981.8）、女、浙江省杭州市、现任杭州杭水水业建设设计有限公司结构设计师、学士学位、研究方向：给水排水工程结构设计。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。