王東會，馬孝春

(中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京100083)

1 概述

近年來，隨著頂管施工技術(shù)在地鐵施工、管道鋪設(shè)等非開挖工程中的廣泛應(yīng)用，工作坑作為頂管施工必不可少的組成部分，直接影響著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，其支護型式仍然集中在沉井、噴錨、鋼筋混凝土護壁、鉆孔灌注樁、鋼支撐等傳統(tǒng)的、大型基坑的支護型式上。而傳統(tǒng)支護型式存在很多局限性，應(yīng)用于市政工程中的小型工作坑勢必會提高工程成本、降低施工效率，并且其支護型式長存地下，還會對后續(xù)施工造成很大影響。為了解決這一難題，一種可拆卸的支護型式成為了科研工作者們追逐的核心，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)與北京隆科興非開挖工程有限公司采用了螺旋形預(yù)制鋼板拼接的方法組建了圓形支護結(jié)構(gòu)體系，該體系主要用于井深為5 m左右的工作井中，達到了拼接與拆裝的效果，實現(xiàn)了快速施工，節(jié)約工程成本的目的［1－2］。后來，黃學(xué)剛等在此基礎(chǔ)上，利用伸縮器連接研發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼接技術(shù)，使支護型式與坑內(nèi)土體進一步接觸，避免了支護型式與土體間接觸不良的弊端［3］。雖然對于圓形工作坑可拆卸支護型式已有了一定的研究成果，但是對于矩形工作坑相應(yīng)的研究還很少，現(xiàn)存的支護型式大都建立在傳統(tǒng)支護型式的基礎(chǔ)上，回收率低［4－5］。因此，開發(fā)一套可拆卸支護型式，不但可以避免傳統(tǒng)施工工藝復(fù)雜的現(xiàn)狀，還可以節(jié)約材料、縮短工期、提高支護效率、弘揚綠色支護的環(huán)境友好型支護理念，達到降低施工成本的目的。

本文介紹了一套可拆卸支護型式，力求拆裝方便快捷、安全可靠、通用性強。

2 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

2．1 基本原理

如圖1所示，該套支護型式主要由2部分組成，即空心立柱和背部帶有凸起的板材。其工作原理是先開挖0.5 m，然后用真空抽吸取土設(shè)備預(yù)先成孔，進而將立柱通過傳力裝置和氣錘沉至設(shè)計深度。隨后隨挖隨支，每當工作坑豎向作業(yè)空間達到0.6 m時，便將特制板材通過螺絲固定在立柱上，其連接方式如圖2所示。在拼裝過程中，特制板材背部凸起可刺入土體中與其形成統(tǒng)一體，增強整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中工作坑頂部0.5 m根據(jù)工程實際條件決定是否鋪設(shè)板材。

圖1 支護結(jié)構(gòu)圖

圖2 連接方式

2．2 施工工藝

2．2．1 立柱的加工

立柱由帶有螺栓孔的空心棱柱和尖端焊接而成，如圖3所示。立柱采用Q235碳素鋼結(jié)構(gòu)，其空心棱柱外部結(jié)構(gòu)的截面尺寸為300 mm×300 mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的截面尺寸為150 mm×150 mm，高度為5000 mm;為便于支護體系的拼裝，其兩側(cè)交叉開孔，數(shù)量分別為20和30，直徑為52 mm;下端為長300 mm、寬300 mm、高150 mm的實心正八棱錐，其與空心棱柱通過焊接的方式連接而成，設(shè)計成尖端便于立柱的下沉，實心可有效防止立柱下沉過程中土體進去空心棱柱中。該立柱可根據(jù)實際施工情況合理變化支護尺寸。

2．2．2 傳力裝置加工

傳力裝置由2個旋轉(zhuǎn)扣件和長約1 m的鋼管組成。將傳力鋼管扣到旋轉(zhuǎn)扣件的一端，將立柱扣到扣件的另一端，兩扣件間距0.2 m左右，如圖4所示。

圖3 立柱

圖4 傳力裝置

2．2．3 特制板材的加工

特制板材由螺栓孔、焊接在背部的螺母和背部凸起構(gòu)成，如圖5所示，支撐板材本身采用Q235碳素鋼結(jié)構(gòu)，尺寸為5000 mm×500 mm×20 mm。為便于連接開孔分為2種型式，分別為兩孔和三孔。兩孔板材孔間距為200 mm，三孔板材孔間距為100 mm。支撐板材背部螺栓孔處預(yù)先將起連接作用的M52螺母用焊接的方式固定，M52螺母的尺寸應(yīng)用國家標準——《六角螺母C級》統(tǒng)一標準。背部設(shè)有錐形尖端，頂部為40 mm的圓外接正六邊形，底部為80mm的圓外接正六邊形，凸起高為100 mm，5個凸起呈正弦曲線均勻排列于板材上。

圖5 特制板材

2．2．4 工作坑開挖0.5 m

對于小型工作坑，由于其開挖面積小，開挖過程中引起土體的應(yīng)力釋放對土體自立能力影響較小，對于0.5 m以內(nèi)的工作坑一般不需要支護。

2．2．5 立柱沉入到設(shè)計深度

(1)將傳力裝置扣到立柱上，距離開挖面1 m左右的位置。

(2)用氣錘錘擊傳力鋼管頂端，使立柱沉入土層。在錘擊過程中，應(yīng)時刻觀察傳力鋼管與地面的角度，確保立柱的豎直下沉。

(3)當傳力裝置接近開挖面時，停止錘擊，松開扣在立柱一側(cè)的扣件，將傳力裝置上移。

(4)重復(fù)步驟(1)～(3)，直至將立柱沉入到設(shè)計深度。

按上述方法將其余3根立柱沉入到相應(yīng)位置。

2．2．6 鋪設(shè)圈梁，固定4根立柱

2．2．7 開挖

沿開挖面繼續(xù)開挖，每開挖0.5 m將相應(yīng)特制板材固定到立柱的相應(yīng)位置上，直至設(shè)計深度。

2．2．8 頂管進出洞口設(shè)計

(1)穿墻出坑。管道軸線方向控制和頂進受工具管方向的影響，施工過程中需要考慮穿墻管強度、剛度、施工方便快捷等因素。

(2)進出洞口措施。進出洞過程中，需要依據(jù)洞口的土質(zhì)情況采取相應(yīng)的加固措施。加固的方式可采取高壓旋噴樁、攪拌樁、壓密注漿、凍結(jié)等技術(shù)措施。

為順利實施進出洞口工序，需根據(jù)土質(zhì)條件或工具管的形式選擇洞口的封門樣式。在使用工具管的手掘式頂管或全斷面切削的掘進機中，可采用低強度等級混凝土對洞口砌一堵磚封門。當出洞時，可用工具管直接把磚封門擠倒或用刀盤慢慢地將磚封門切削掉。進洞時也同樣把接收坑中的磚封門擠倒或切削掉。必要時也可使用鋼封門輔助出洞。

其具體施工工藝流程如圖6所示，其在工作坑中的應(yīng)用效果如圖7所示。

圖6 施工工藝流程圖

2．3 尺寸設(shè)計

頂管施工反力需后座墻承受，施工過程中需單獨進行后座擋墻的設(shè)計，此過程不考慮其作用［3］。

圖7 支護結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

2．3．1 立柱截面尺寸

在工作坑開挖過程中，立柱不斷暴露出來，其受力形式和護坡樁有相似之處，在尺寸設(shè)計過程中將其簡化為懸臂樁。使用簡化等值梁法［6］計算其所承受的最大彎矩，其基本計算原理如圖8所示。

圖8 簡化等值梁法計算原理

(1)反彎點(接近土壓力為零的點):

式中:ea——立柱所受主動土壓力，kN;ep——立柱所受被動土壓力，kN。

即:

式中:eb——值為(q+ γh)Ka。

(2)圈梁受力Ra和剪力Q0為:

(3)有效嵌固深度為:

(4)求最大彎矩:

最大彎矩點即剪力為零點:

立柱的截面如圖9所示，其截面最大正應(yīng)力為:

式中:I——截面慣性矩，I=(BH3－ bh3)/12，m4;B、H——分別為立柱外邊長、高，m;b、h——分別為立柱內(nèi)邊長、高，m;ymax——立柱中心到上表面的距離，其值為 H/2，m。

其截面慣性矩為:

立柱截面尺寸可根據(jù)式(13)確定。

圖9 立柱截面

2．3．2 板材厚度

如圖10所示，假設(shè)支護型式與土的接觸面直立、光滑，填土面水平。支護結(jié)構(gòu)在土壓力的作用下背離填土向外移動，這時土體達到極限平衡狀態(tài)，即朗肯主動狀態(tài)。

圖10 朗肯主動土壓力計算

在墻后土體表面下深度Z處，朗肯主動土壓力強度理論計算公式［7］為:

式中:q——填土表面作用的荷載，kPa;γ——土的重度，kN/m3;c——土的粘聚力，kPa;φ——土的內(nèi)摩擦角，(°);Z——計算點深度，m;Ka——主動土壓力系數(shù)，Ka=tan2(45°－φ/2)。

主動土壓力pa沿深度Z呈直線分布(如圖10所示)，作用在支護型式上單位長度的主動土壓力Ea即為pa分布圖形的面積，其作用點位置在分布圖形的形心處，即:

當Z=0時:

計算支護型式的主動土壓力時，不考慮拉力區(qū)的作用，即:

其中，Eai作用于距工作坑底面的高度:

當Z=Zi時，即第i層支護型式受到的土壓力:

作用點距支護型式頂端的距離:

特制板材兩端固定在立柱上，其受力形式以簡支梁的理論進行計算，如圖11所示，第i層板材受到的最大彎矩為:

式中:l——板材的長度，m。

圖11 土壓力作用下的特制板材

最大彎曲正應(yīng)力:

式中:［σ］——材料的允許彎曲正應(yīng)力，kPa。

因此，確定板材的厚度h為:

3 算例分析

3．1 工程概況

某工作坑平面尺寸為5 m×5 m，開挖深度為5 m，地下水位距地面10.1 m，各層土的物理參數(shù)如表1所示。路面荷載折算系數(shù)等效均布荷載取為20 kPa。特制板材使用Q235的鋼板，［σ］=150 MPa。其中立柱的允許正應(yīng)力值取為板材允許正應(yīng)力值的80%。土體的彈性模量EX1=5 GPa，泊松比PRXY1為0.4，膨脹角φf取為20°。其中立柱的彈性模量EX2=220 GPa，泊松比PRXY2=0.3，上部作用荷載為500 MPa。

表1 垂直土壓力地層各物理指標

3．2 側(cè)向荷載計算

施工過程中地下水位埋藏較深，對工作坑實際影響可以忽略不計。為簡化計算，采用土壓力的加權(quán)平均值。

各層土的平均重度:

各層土的平均內(nèi)摩擦角:

各層土的平均粘聚力:

由于中粗砂層土的粘聚力和其他3層相差較大，因此在此過程中對平均粘聚力的計算值進行修正，取為20 kPa。

其土壓力計算值及其作用點的位置如表2所示。

3．3 立柱尺寸的確定

根據(jù)公式(2)有:

被動土壓力系數(shù):

表2 側(cè)向土壓力及其作用位置匯總

主動側(cè)土壓力:

主動土壓力為零的點距工作坑頂部的距離h0:

主動土壓力作用點的位置距離工作坑頂部的距離ha:

對O點取距，得圈梁受力為:

對立柱頂點取距:

對立柱底端取距:

立柱長度:

剪力為零的點距工作坑頂部距離為l0:

每延米上的彎矩為:

最大彎矩為:

其截面慣性矩為:

結(jié)合上述計算值，立柱可選為設(shè)計尺寸，即邊長300 mm，壁厚為75 mm。

3．4 板材尺寸的確定

根據(jù)表2土壓力及其作用位置的計算值，代入公式(18)～(22)，確定對應(yīng)土層的板材厚度，其計算值如表3所示。

表3 特制板材尺寸計算統(tǒng)計

板材尺寸設(shè)計可以根據(jù)計算值逐層確定，確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最大限度的節(jié)省工程材料，節(jié)約工程造價。

綜上，在板材及立柱尺寸設(shè)計過程中，其截面尺寸無過大等不符合實際的情形，因此可以驗證該套支護型式的實際可操作性。

4 結(jié)語

該套可拆卸支護型式能夠很好彌補傳統(tǒng)工作坑支護型式的不足，具有廣闊的應(yīng)用前景。但其理論研究及工程應(yīng)用還處于初級階段。本文對于該套支護型式的設(shè)計流程、施工工藝、理論研究等方面進行了初探，旨在拋磚引玉，得到的主要結(jié)論有:

(1)該套支護型式主要包括立柱和特制板材兩部分，立柱的沉入可根據(jù)實際工程條件選擇合適的沉入方式。傳力裝置的引進簡化了施工工序，立柱的分段沉入，可以很好的控制立柱的垂直度，提高了施工質(zhì)量。

(2)工作坑開挖過程中，立柱逐漸露出土層，計算立柱尺寸時可將其計算理論簡化為懸臂樁，計算過程簡便，容易操作。

(3)特制板材背部凸起刺入土體，可與周圍土體形成統(tǒng)一體，在支擋工作坑周圍土體的同時，周圍土體對板材可起到固定的作用，可避免其上下及左右移動。

(4)通過工程實例驗算，可以確定其板材厚度在合理范圍內(nèi)，驗證了該套支護型式在小型工作坑應(yīng)用中的可操作性。

(5)該套支護型式設(shè)計簡單，裝拆過程中無需大型的施工設(shè)備，避免了傳統(tǒng)施工工藝的復(fù)雜性，施工方便快捷，施工周期短;板材的選取采取分層計算的方式逐步確定板材厚度，節(jié)約工程材料，有效地避免了工程材料的浪費，降低了工程成本，對周圍環(huán)境影響小，在小型工作坑的支護應(yīng)用中具有廣闊的前景。

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