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        基槽自動(dòng)擋板的發(fā)明探析

        2013-04-29 10:08:03鄒進(jìn)昭張芝
        中國高新技術(shù)企業(yè) 2013年6期
        關(guān)鍵詞:基槽支護(hù)排水管道

        鄒進(jìn)昭 張芝

        摘要:文章簡述了基槽自動(dòng)擋板的發(fā)明過程,詳細(xì)講解了自動(dòng)擋板的設(shè)計(jì)原理、組裝和使用方法,介紹了基本參數(shù)的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)參數(shù)的驗(yàn)算以及自動(dòng)擋板的適用范圍、優(yōu)點(diǎn)。

        關(guān)鍵詞:排水管道;基槽;自動(dòng)擋板;支護(hù)

        中圖分類號(hào):TU62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-2374(2013)09-0012-03

        經(jīng)多年在阿爾及利亞從事城市排水施工項(xiàng)目的管理與技術(shù)工作,在施工中總結(jié)濱海城市工程地質(zhì)與水文地質(zhì)的施工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新使用了基槽自動(dòng)擋板技術(shù),并在多個(gè)項(xiàng)目中實(shí)施、改進(jìn)完善。

        自動(dòng)擋板主要適用于城市排水管道安裝施工;施工場地?zé)o障礙或較少時(shí),可采用自動(dòng)整體擋板。適用于松散土層及淤泥等易發(fā)生流沙、坍塌的軟土地層,地下水位以下尤其適用,特別是解決了城市舊有管線復(fù)雜的難題。該工藝節(jié)省了大量人工,提高了施工效率,減少了材料損耗,從多方面降低了成本。

        1 設(shè)計(jì)原理及使用方法

        1.1 設(shè)計(jì)原理

        針對城市管道施工的特點(diǎn),要求自動(dòng)擋板具有以下特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,制造加工容易,造價(jià)低;體積不是特別大,可現(xiàn)場組裝,滿足在城市街道施工的條件,符合管道施工的快速轉(zhuǎn)移的特點(diǎn);支擋板組合安裝方便、靈活,滿足遇障礙物時(shí)調(diào)整位置;設(shè)計(jì)靈活,可根據(jù)不同施工條件制造不同型號(hào)。

        綜合考慮管道施工與隧道施工有其相同性與差異性,因此著重考慮了盾構(gòu)機(jī)的工作原理,并結(jié)合組合模板的施工特點(diǎn),設(shè)計(jì)了自動(dòng)組合擋板。盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一個(gè)圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進(jìn)邊對土壤進(jìn)行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾,它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時(shí)支撐的作用,承受周圍土層的壓力,有時(shí)還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。組合鋼模板適用于各種現(xiàn)澆鋼筋混凝土工程,可事先按設(shè)計(jì)要求組拼成大型模板,整體吊裝就位,也可采用散裝散拆方法,施工方便,通用性強(qiáng),易拼裝,周轉(zhuǎn)次數(shù)多。

        自動(dòng)擋板相較于盾構(gòu)機(jī)具有以下不同點(diǎn):體積小得多,動(dòng)力??;斷面形狀為方形而不為圓形,頂面敞開,不具有封閉性;掘進(jìn)與排土系統(tǒng)也是分開的,由地面挖掘機(jī)完成掘進(jìn)。主要功能是穩(wěn)定開挖面。

        1.2 組裝方法

        自動(dòng)擋板主要由整體部分、組裝板、橫梁、雙絲桿內(nèi)支撐、液壓推進(jìn)裝置五部分組成。整體部分處于擋板下部,兩側(cè)擋板與支撐連接成整體,高度由場地主要障礙物埋深情況確定。上部用組裝板拼裝,便于遇障礙物時(shí)拆除、轉(zhuǎn)用。整體部分與組裝板連接采用插槽,便于快速拆除與安裝。內(nèi)支撐采用雙螺旋絲桿(或液壓缸)。推進(jìn)裝置由墊板、液壓缸、液壓泵組成。

        根據(jù)施工場地條件,自動(dòng)擋板可設(shè)計(jì)為整體式或現(xiàn)場組裝兩種模式。根據(jù)工程地質(zhì)條件,當(dāng)?shù)貙泳哂幸欢ㄗ苑€(wěn)能力時(shí),開挖至設(shè)計(jì)深度后安裝自動(dòng)擋板整體部分;當(dāng)?shù)貙油耆痪哂凶苑€(wěn)能力時(shí),開挖1~2m后放入整體部分,然后邊挖邊沉入,直至設(shè)計(jì)深度。整體部分安裝完畢后,根據(jù)上部障礙物情況,將上部組裝板排列安裝在下部整體部分的插槽內(nèi);組裝板安裝完畢后,在卡槽內(nèi)安裝橫梁、內(nèi)支撐桿,根據(jù)基槽寬度調(diào)整雙絲內(nèi)支撐長度。最后安裝伸縮液壓缸,液壓缸一端連接在整體部分隔板,活動(dòng)端頂住已安裝的管道口墊板。

        1.3 使用方法

        基槽開挖一定長度后安裝自動(dòng)擋板,清理基槽至設(shè)計(jì)要求后安裝管道,第1根管道安裝后,夯實(shí)回填到要求標(biāo)高,用開挖機(jī)械牽引移動(dòng)支擋板;當(dāng)安裝2~3根管道后,管道外表面與填土具有較大抗摩擦阻力時(shí),活動(dòng)端支承在已安裝的管口端,管口安裝專用墊板。此后隨基槽開挖方向,依靠液壓缸頂進(jìn)擋板,跟進(jìn)開挖支護(hù)基槽兩側(cè)土壁,保持短時(shí)土壁穩(wěn)定,保證管道安裝質(zhì)量與施工安全;掘進(jìn)空間滿足單根管子的長度后,縮進(jìn)液壓缸,安裝管子;然后再重復(fù)前面操作,周而復(fù)始,直至一線段結(jié)束后轉(zhuǎn)移至下一施工面。如推進(jìn)阻力較大、推進(jìn)動(dòng)力不足時(shí),可部分拆除上部組合擋板,或在擋板與土壁接觸面涂抹黃油,減小摩擦阻力。當(dāng)遇到較小障礙物橫穿基槽時(shí),可拆除上部前方組合擋板,隨著推進(jìn)轉(zhuǎn)至障礙物后方繼續(xù)使用。

        2 基本參數(shù)計(jì)算

        2.1 擋板側(cè)向土壓力

        由于管道施工速度較快,短時(shí)間內(nèi),土體總有一定自穩(wěn)能力,并不是立即處于極限平衡狀態(tài)或失穩(wěn)狀態(tài),擋板所受土壓力小于主動(dòng)土壓力,按郎肯主動(dòng)土壓理論計(jì)算,并取0.5~0.8的折減系數(shù)。

        計(jì)算公式:

        E=×H2×γ×ka×β

        式中:

        H——基槽開挖深度

        γ——土天然重度

        ka——郎肯主動(dòng)土壓力系數(shù)

        β——折減系數(shù)

        2.2 內(nèi)支撐軸向壓力

        實(shí)際為超靜定平衡條件,為簡化計(jì)算,將支撐桿視為支座,土壓力視為線性非均布荷載的簡支梁,按靜力平衡與彎矩等值法計(jì)算。

        2.3 擋板彎矩

        實(shí)際受力較為復(fù)雜,為簡化計(jì)算,將支撐桿視為支座,土壓力視為線性非均布荷載的簡支梁。

        計(jì)算公式:

        M=q0×l×-q0×x3×

        式中:

        M——任一截面處彎矩值

        q0——兩支撐之間土壓力最大值,取正值

        l——支座之間長度

        x——距支座反力較小端的距離

        2.4 推進(jìn)阻力

        推進(jìn)阻力主要來自側(cè)向土壓力對擋板產(chǎn)生的摩擦阻力。

        計(jì)算公式:

        F=2×L×E×μ

        式中:

        μ——擋板與土壁之間摩擦系數(shù),通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì),取0.1~0.2

        2.5 管道接觸面抗壓承載力

        鋼筋混凝土管材強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C20以上時(shí),管道端口能滿足頂進(jìn)承壓要求。執(zhí)行《混凝土和鋼筋混凝土排水管》(GB/T11836-19999)的管材,常用的Ⅰ、Ⅱ鋼筋混凝土管的抗壓強(qiáng)度達(dá)到C20,已具有足夠的強(qiáng)度,通常不需要進(jìn)行驗(yàn)算,當(dāng)單管長度超過4m時(shí),可根據(jù)需要驗(yàn)算。

        計(jì)算公式:

        F=P×S

        式中:

        P——管材標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度,通常大于C20,即大于20N/mm2

        S——承壓面積,取管壁截面積

        3 設(shè)計(jì)參數(shù)

        3.1 自動(dòng)擋板尺寸確定

        3.1.1 長度確定,根據(jù)單根管長確定:

        L=L1+L2+L3+L4

        式中:

        L——整體部分總長,不宜大于7.0mL

        L1——保護(hù)段長度,通常取0.8mL

        L2——安裝段長度,通常取單根管長加適當(dāng)安裝,一般不大于4.0mL

        L3——液壓推進(jìn)裝置長度,通常取0.5~0.8mL

        L4——掘進(jìn)端擋板長度,通常取1.5mL

        3.1.2 高度確定,根據(jù)開挖基槽確定:組合擋板高度,通常采用2.0~2.5m;固定部分高度通常取2.0m;總高不大于4.5m。

        3.1.3 寬度確定,根據(jù)管道直徑確定:

        B=D+2×b

        式中:

        B——擋板間凈寬

        D——管道外徑

        b——施工工作寬度,取30~40cm

        3.2 擋板、支撐桿截面驗(yàn)算

        3.2.1 擋板截面抗彎驗(yàn)算:

        W≥Mmax/[δ]

        式中:

        W——抗彎截面模量

        Mmax——彎矩最大值

        [δ]——材料許用應(yīng)力

        3.2.2 支撐桿穩(wěn)定驗(yàn)算:

        臨界荷載:

        Pcr=π2EI/(μl)2(歐拉公式)

        式中:

        E——彈性模量

        I——慣性矩

        μ——長度系數(shù),參考材料力學(xué)取值,兩端固定時(shí)取0.5

        l——長度

        穩(wěn)定條件:

        P≤Pcr/nst

        式中:

        P——撐桿軸向壓力

        Pcr——臨界荷載

        nst——穩(wěn)定安全系數(shù),參考材料力學(xué),取1.8~3

        3.3 推進(jìn)裝置參數(shù)選擇

        液壓缸壓力,根據(jù)計(jì)算的推進(jìn)阻力,選擇相應(yīng)的液壓推力設(shè)備,并取1.3~1.5的系數(shù)。通常不小于300t。

        4 設(shè)計(jì)說明

        設(shè)計(jì)以深度為4.5m作為計(jì)算依據(jù),具體工程可根據(jù)前面給定的計(jì)算及驗(yàn)算公式,自行調(diào)整。

        (1)結(jié)構(gòu)材料除絲杠外均為普通鋼。

        (2)整體部分面板厚3mm,豎向加勁肋10×50mm,間距250mm。

        (3)組裝板面板厚3mm,豎向加勁肋6×50mm,間距250mm;組裝板下部插入端用20mm加厚鋼板。

        (4)橫梁用“工”型鋼、6×12mm兩道。

        (5)內(nèi)支撐采用Φ68mm雙絲杠(或液壓缸),支撐墊板厚20mm,有利于靈活調(diào)節(jié)寬度,充分利用,節(jié)省材料與成本,提高工作效率;同時(shí),當(dāng)發(fā)生土壓力特別大,造成推進(jìn)困難時(shí),可以適當(dāng)調(diào)小寬度,減小土壓力。

        (6)液壓缸與液壓泵推力不小于300t;固定端墊板厚30mm;支撐架由工字鋼焊接而成;管口端墊板保護(hù)套由8mm鋼板制成。

        5 解決的問題

        自動(dòng)擋板有效解決了在松散土層及淤泥等易發(fā)生流沙、坍塌的軟土地層的城市排水管道施工的基槽臨時(shí)支護(hù)高成本的問題,且方便易行、效率高。由于基槽自動(dòng)擋板其結(jié)構(gòu)的下部是整體,有效解決了擋板法封閉性差的問題,同時(shí)也提高了支護(hù)的穩(wěn)定性,減少了施工安全隱患;由于其依靠液壓裝置自動(dòng)推進(jìn),有效解決了組合擋板的費(fèi)時(shí)費(fèi)工、施工速度較慢的問題。

        參考文獻(xiàn)

        [1]林宗元.巖土工程施工治理手冊[M].沈陽:遼寧科學(xué)

        技術(shù)出版社,1993.

        [2]陳仲頤,等.土力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,

        2008.

        [3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2007.

        作者簡介:鄒進(jìn)昭(1976—),男(仡佬族),貴州務(wù)川人,河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院工程師,研究方向:礦山地質(zhì)環(huán)境治理;張芝(1983—),女,山西平遙人,供職于河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,研究方向:環(huán)境治理工程技術(shù)。

        (責(zé)任編輯:黃銀芳)

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