市政顶管工程沉井结构优化施工改造技术探究

摘要：本文聚焦市政顶管工程沉井结构优化技术。开篇对沉井结构进行概述，阐述其在顶管工程中作为工作井和接收井，具备整体性好、稳定性高、防水性能强等特点，介绍圆形、矩形等不同类型及其在各类地质与工程规模下的应用场景，说明其为顶管设备提供操作空间、承受施工荷载的作用机制。随后深入探讨优化设计技术，包括借助有限元分析优化结构尺寸与配筋，依据力学性能选择合适结构形式及高强度材料；同时强调地质勘察数据处理，针对软土、硬土等不同地层提出适应性设计策略。在优化施工改造技术方面，介绍利用传感器等设备实现下沉过程信息化监测与自动纠偏，采用空气幕等新型辅助技术提升下沉效率；研发高性能封底材料并优化施工工艺，确保封底质量；通过优化施工方案、合理配置资源，加强安全与质量管理，提升施工整体水平。

关键词：市政顶管工程；沉井结构；优化设计；施工改造；地质适应性

引言

在市政顶管工程的建设体系里，沉井结构作为关键环节，其性能优劣直接左右工程的整体质量、安全以及施工进程。随着城市化进程的加速，市政基础设施建设规模不断扩大，对顶管工程的高效性与稳定性提出了更高要求。然而，传统沉井结构在设计与施工方面存在诸多问题，亟待通过创新技术加以优化改进。深入探究沉井结构的优化设计与施工改造技术，不仅有助于提升顶管工程的建设水平，还能为城市地下空间的合理开发利用提供有力支撑。

一、市政顶管工程沉井结构概述

1.1 沉井结构的功能与特点

市政顶管施工使用沉井作为工作井，是因为在市政顶管施工中，沉井承担着将顶管设备固定的工作位置，并且在施工中，顶管可以控制进行安装、调试与顶进施工。施工人员可以在沉井施工中对顶管进行施工，将管道按照设定的位置顶进地基内。沉井施工有很多优势，例如整体性极强，通常使用钢筋混凝土等混凝土浇筑而成，从而成为一体性结构，在使用中，能够承受荷载与土体压力。其稳定性好，即在施工中，其施工会受到地质环境与施工荷载等因素的影响，施工整体性好，沉井不会出现倾斜、位移等问题。

1.2 沉井结构的类型与应用场景

沉井构造形状一般有圆柱形和方形，其中圆柱形由于结构抗力性能可靠，沉井边竖向土压力所产生的结构内力比较均衡，有利于控制结构裂缝，而在土层结构地基坚硬、土压力较大或土层情况复杂的工程中，如需穿过软弱地层、砂性土壤等，较为常用的是圆柱形沉井；方形结构构造占用场地面积小，矩形沉井可使矩形沉井在平面上与周围的建筑物、地下管线保持合适的间距，在市中心地块有限的地下空间和地下管线较为复杂的情况下，可依据现场情况缩小沉井尺寸，可更好地避免对地面建筑及设施的损害。

1.3 沉井结构在市政顶管工程中的作用机制

对于市政顶管工程的沉井，其功能比较多样化，在顶管施工之前，作为设备材料的临时堆放场地，为前期工程准备起到了良好的作用。在顶管施工过程中，承担来自顶管设备巨大的顶压和周围土体对井体的侧压力。在顶管顶进过程中对顶管设备产生了良好的反力支撑。

二、沉井结构优化设计技术

2.1 基于力学分析的结构优化设计

近年来，计算机技术飞速发展，对于沉井结构设计可以方便快捷地利用有限元分析来进行模拟，在模拟时将沉井的材质、尺寸、约束、载荷等相关信息准确地输入计算机模型，基于此得出的沉井结构模型，在模拟的情况下可以通过模拟出来的尺寸对沉井结构进行优化设计。比如根据模拟出来的相关数据结果，可以提高沉井的强度和稳定性，在一定强度和稳定的条件下，适当减小井壁的厚度，如此一来就可以节约很多原材料，也可以降低沉井的自重。在选择沉井结构形式时，可以对比不同结构形式所产生的力的大小，比如圆形沉井和矩形沉井，在相似荷载大小下不同结构产生的受力情况，结合具体工程性质来进行沉井结构选择。在材质选择上，则可以选用优质高强度、耐久性好的混凝土、钢材等来充当沉井结构材料，在保证沉井结构质量的前提下，使其自重减轻，提高了沉井结构的耐久性。

2.2 考虑地质条件的适应性设计优化

勘察成果是确定沉井结构参数的前提条件，工程勘察设计早期阶段采用钻探、物探等勘查方式，获取全面的工程地质资料，主要包括场地土层分布、土层岩土工程性质、地下水埋深。针对不同的地质情况制订不同的优化设计。软土分布区域沉井下陷时易发生偏斜、超沉等情况，硬土层沉井沉降阻力较大，在设计中可考虑利用辅助沉井下沉的方法进行优化，如预先于沉井的周边挖设钻孔，使用高压水炮对土体进行冲打，降低沉井的沉降阻力。

三、沉井结构优化施工改造技术

3.1 下沉控制新技术

以前的沉井下沉模式中，施工过程中无法及时准确地掌握沉井的倾斜度和位移变化，造成施工精度不高。沉井下沉过程中，布置倾角传感器、位移传感器等高精度传感器于沉井顶、底板处，及时采集沉井倾斜度、位移数据，控制中心自动控制系统实时处理采集的沉井倾角、位移信息，如果沉井出现倾斜或者偏离过大，自动启动纠正回转。空气幕、触变泥浆等新型下沉辅助工法，也进一步加快了沉井的下沉速度，空气幕沉井工法通过空气幕将土体与沉井井壁间形成一层隔水层，减少土体与沉井井壁摩阻力，使沉井下得更快。

3.2 封底施工改进技术

封底施工质量是关系到沉井结构防水防渗及稳定的关键环节，高性能封底材料研究及其应用为保证封底质量提供了有力的支撑。新封底材料有着强度和抗渗性高等优点，用纤维混凝土作为封底材料，纤维的加入可以提高混凝土的抗拉强度，从而降低封底出现裂缝的概率。从封底施工工艺方面讲，针对传统水下混凝土浇筑工艺中易产生离析等导致的不密实等缺陷，采用了水下不离析混凝土浇筑工艺。水下不离析混凝土浇筑于水中时，可以保持良好的均匀性和整体性，可提高封底混凝土的密实度。从浇筑工艺上讲，严格控制浇筑的顺序、浇筑速率，使封底混凝土能够良好地填筑沉井底面，防止出现空洞和蜂窝等质量通病。

3.3 施工组织与管理优化

优化施工方案是提高施工速度与质量的重要举措，在工程准备阶段，结合工程规模、工程地质情况、施工场地范围等综合因素制订出具有针对性且科学的施工方案。在施工顺序的安排中，沉井下沉的施工中，需要结合土质条件选择合适下沉方式，先试沉，根据试沉结果再调整下沉参数。在人力、物力、财力等施工资源方面，施工前根据制订出的施工方案合理配置施工资源。施工人员应具有相关施工专业技能，施工设备合理配备进场时间、数量，避免造成施工设备闲置以及设备不足等问题。施工安全质量是工程建设的重点。严格监督与检查施工设备的安全情况，保证施工设备的安全运转。在质量管理中，制订质量管理方案，对沉井施工中的各个工序进行质量检测，严格执行工程的质量验收规范。在隐蔽工程进行施工后，立即进行施工后验收，如钢筋绑扎施工质量的验收、封底混凝土浇筑的验收等，确保沉井质量验收合格。

结语

市政顶管工程沉井结构的优化设计与施工改造技术对于提升工程质量、保障施工安全、降低施工成本具有重要意义。通过对沉井结构的功能、特点、类型及作用机制的深入了解，结合力学分析与地质条件进行优化设计，并采用先进的施工改造技术，能够有效解决传统沉井结构在设计与施工中存在的问题。

参考文献

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