宁国城北污水处理厂顶管工作井砖砌倒挂支护结构分析

宁国城北污水处理厂顶管工作井砖砌倒挂支护

结构分析

郁 杨

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司， 安徽 合肥 230000） 中图分类号：K928 文献标识码：B 文章编号1007-6344（2020）01-0146-01

摘要：在排水工程的顶管施工中工作井、接收井一般采用沉井或钢板桩或钢筋混凝土连续墙或SMW工法等。这些做法往往造价高，施工期长。但采用“倒挂井”的施工，不但大大降低工程造价，而且能加快施工进度，在合理范围内能保证施工安全。本文通过对宁国城北污水处理厂顶管工程中砖砌倒挂井支护结构的有限元分析，为砖砌倒挂井法在透水性较大的细沙卵石土层中的工程应用提供了工程参考。

关键词：宁国城北污水处理厂；顶管工程；砖砌倒挂井

1 工程概况

根据宁国城北污水处理厂的总体设计方案，污水由原宁国污水处理厂通过转输管道输送至城北污水处理厂进行处理。管道路由需穿越林地一处，由于树木无法迁移，因此需采用顶管方案穿越，顶管工作井及接受井直径5米，深度最深约9米，工程位置不具备大开挖及沉井施工条件。为了尽量减小对周围环境的影响决定采用倒挂井方案，基坑深度范围内的主要土层自上而下分别为①1层种植土、②1层粉质黏土、④层细砂、⑤层卵石，根据勘查资料，④层细砂、⑤层卵石层中地下水接受场区水阳江江水及大气降水补给，其富水足，水量较大，且地下水位较高，④层细砂土层自稳性能差，易坍塌，易产生流砂现场。各层土的物理力学指标表如下：

表1 物理力学指标汇总表

地基承载力压缩模量抗剪强度（快剪）

天然重度r

土层 特征值ES1-2 黏聚力Cq 内摩擦角 φ3

kN/m

fak(kPa) (MPa) （kpa） q（°）

①1层种植土 19 24.0 9.6 ②1层粉质黏土 160 6.31 19 17.3 7.0 ④层细砂 120 5* 19 5* 20* ⑤层卵石 500 60* 20 / 60* 注：*为经验值

由于本工程所处场地地下水位较高，水量较大，开挖土层又以透水性土层为主，因此荷载取值采用水土分算结果，根据地勘报告，地下水位埋深约为自然地面下1米，水头高度H=8米，据此计算地下水压力E=γh2／2=320KN.

5 数值分析

根据设计方案，井圈直径5米，壁厚370mm，材料的弹性模量：2.7X10Kpa,泊松比0.15，线膨胀系数5X10-6/°C。计算采用MIDAS-GEN2019通用有限元分析软件建立三维有限元模型，井身采用板单元进行模拟，单元宽、高均设置为0.5米，水土压力按恒载设置，地下水压力按活载设置，砌体自重按恒载由程序自动考虑。施加水土压力及结构自重，约束井身底部竖向变形，根据荷载工况建立荷载组合，运行分析。

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2 工艺原理

“倒挂井”原理同逆作拱墙相似，也是用拱墙作为围护墙，拱墙形式有圆形闭合拱墙和和椭圆形闭合拱墙两种。施工时，拱墙水平方向分段施工，垂直方向分道施工，待上道拱墙合拢后再进行下道拱墙施工。不同的是，逆作拱墙的断面多成z字形，拱璧上下端宜加肋梁，材质为混凝土或钢筋混凝土。而”倒挂井”的拱墙断面成1字形，材质主要为烧结砖，墙体内适当加钢筋混凝土圈梁。

图1 结构模型及荷载简图

计算结果显示,井身结构最大压应力0.803Mpa,水平最大变形量0.79mm,经与砌体规范设计强度指标对比,满足规范要求。结构分析未考虑设置圈梁及素混凝土封底的构造加强作用，可作为结构的安全储备，因此施工安全可控。

3 施工工况

圈井测量定位后，根据地层条件及施工条件，开挖1-2米基坑找平。找平后采用MU10烧结砖，M7.5水泥砂浆砌筑370厚上部井身，烧结砖容重18KN/m3。待上部井深强度达到设计强度的70%以上时，开始人工掏土下挖，先挖圈井中心部分土，下挖深度不大于0.5米，而后对称分段掏挖上部井身下部的土，分段挖土长度不大于0.6米，深度不大于0.5米，掏挖后立即用砌体砌筑掏挖部分井身，按此步骤自上而下依次掏挖、砌筑，直至设计基底标高。井底采用C15素砼封底。施工圈井应注意砌体边角整齐、圆面平顺、灰缝饱满、不留通缝。根据施工情况，对圈井施工完成后的使用阶段进行强度和变形的检算，以检验结构的承载能力。

图2 井身压应力及变形云图

6 降水措施

由于地下水位较高，流砂压力大，从内部封堵较为困难，漏砂严重的将造成井室及地面塌陷，对于漏砂的处理，设计采用深井降水的方法。倒挂井施工前根据井室大小、埋深及地下水位等情况预先在井边打设降水井，提前进行降水，待水位降至井室主体以下时再进行倒挂井施工，这样施工时便不会有流砂涌入，保证了倒挂井施工的质量和安全。

4 荷载工况

圈井结构在施工及使用期间受到的荷载作用主要有土压力与地下水压力，一般情况下水土压力的计算方法是施工期间取水土合算值，使用期间取水土分算值。参考《基坑规程》JGJ120-2012公式进行计算如下：

水土合算工况：Pak=σak*Ka,i-2ci*√Ka,i

水土分算工况：Pak=(σak-ua)*Ka,i-2ci*√Ka,i+ ua

由于各层土抗剪强度指标不一，为简化计算，同时从安全的角度考虑，主动土压力系数的土层内摩擦角取小值（20°）进行计算，计算宽度取1米，结果如下：

水土合算工况：Ea=396KN 水土分算工况：Ea=560.1KN

7 总结

本文通过对宁国城北污水处理厂砖砌倒挂井支护结构进行分析，取得了倒挂井在砂土、卵石土地层的应力及应变数据，指导了倒挂井的设计工作，考虑地下水位较高，土的透水性强，采取了深井降水的辅助施工措施，保证了倒挂井的施工质量及安全。为倒挂井作为围护结构在透水性地层的应用提供了参考。

参考文献

[1]《砌体结构设计规范》 GB50003-2011 [2] 顾晓鲁等编.《地基与基础》（第三版）[M].中国建筑工业出版社