文杰 周書東 劉正剛 麥鎮(zhèn)東 韓笑

(1. 中國水利水電第七工程局有限公司 成都610213； 2. 東莞市建筑科學(xué)研究所 523076)

引言

對于地下管網(wǎng)、 管廊、 渠道等帶狀溝槽， 垂直開挖是其常見的施工方式， 不可避免地需要施工人員下到直壁基坑內(nèi)進(jìn)行操作， 當(dāng)開挖深度較大時， 易出現(xiàn)槽壁失穩(wěn)引發(fā)的塌方、 滑坡事故[1]， 影響安全施工作業(yè)。 為保護(hù)施工人員免受槽壁滑坡或坍塌的傷害， 基坑工作面需要安全適用的支護(hù)體系， 目前， 國內(nèi)常見的溝槽支護(hù)有自然放坡、 鋼板樁支護(hù)、 撐板支撐等方式[2]， 自然放坡往往受限于場地條件和需對擾動土處理， 鋼板樁支護(hù)施工對周邊振動和環(huán)境影響大， 撐板支撐無法滿足較大深度要求的溝槽支護(hù)且對資源耗費高， 這些方法普遍存在造價高、 適用范圍受限、 施工時間長等問題。

隨著國內(nèi)市政管網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷加大， 越來越多的城市管道開挖作業(yè)受周圍建筑物、 道路及生命線、 復(fù)雜地下管線、 不良地質(zhì)、 社會行為活動等因素影響無法采用常規(guī)支護(hù)方式開挖； 另一方面， 施工人員心存僥幸， 在看似地質(zhì)條件良好的情況下， 不按設(shè)計要求， 采取不放坡無支護(hù)開挖施工， 冒險在溝槽作業(yè)， 間接導(dǎo)致土體坍塌造成人員傷亡的事故屢見不鮮[3]。 研發(fā)一種便捷安全的新型支護(hù)方式儼然成為溝槽工程施工中提高施工效率、 克服復(fù)雜外部環(huán)境影響和規(guī)避把控安全隱患的發(fā)展方向。

1 研究現(xiàn)狀

與上述常規(guī)的鋼板樁、 撐板等“先撐后挖”支護(hù)不同， 目前， 國內(nèi)關(guān)于“先挖后撐”類型的開挖方式(以下簡稱“后支護(hù)”)在溝槽開挖施工中的應(yīng)用較少， 而國外雖然已將后支護(hù)作為一種溝槽開挖施工安全強制措施[4]， 但其應(yīng)用范圍只是空間有限和位置固定的基坑支護(hù)， 對于埋深大于2m 的開挖施工， 支護(hù)方式還是以鋼板樁等常用支護(hù)方式為主， 功能上無法實現(xiàn)基坑內(nèi)部移動且難以滿足不同截面溝槽的開挖支護(hù)要求。

雖然已開展了后支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)應(yīng)用研究(圖1 和圖2)， 但從適用性和可操作性而言所研制的后支護(hù)結(jié)構(gòu)均未能達(dá)到工程推廣應(yīng)用的水平。 依據(jù)過往對后支護(hù)研究所發(fā)現(xiàn)的問題和經(jīng)驗分析， 開展新的研究方向和研究范圍: 結(jié)合溝槽開挖特點和施工適用性設(shè)計要求， 確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)造參數(shù)， 除實現(xiàn)常規(guī)支護(hù)功能外， 還從結(jié)構(gòu)和功能方面進(jìn)行突破， 結(jié)構(gòu)方面圍繞實現(xiàn)裝配化安裝和體量輕質(zhì)化， 功能方面圍繞實現(xiàn)在溝槽方向內(nèi)部水平移動和有較強的溝槽寬度與深度適用范圍。

圖1 第一代后支護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.1 First generation rear support structure

圖2 第二代后支護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Second generation rear support structure

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗算

2.1 功能性構(gòu)件設(shè)計

本文所述溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)， 如圖3 所示， 結(jié)構(gòu)長度為4m， 可實現(xiàn)開挖截面寬度方向1.3m ～2.5m 伸 縮， 最 大 適 用 深 度 為3m， 材 質(zhì) 為Q345B， 整體重量約為2t。 功能性構(gòu)件包括立柱、 可調(diào)節(jié)支撐、 可移動與滑動支座系統(tǒng)、 液壓控制系統(tǒng)和側(cè)壁護(hù)板體系五種類型部件， 相關(guān)構(gòu)部件通過工廠加工制作并采用焊接或螺栓連接的方式組拼成型。

圖3 溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Trench box

可移動與滑動支座系統(tǒng)由定向輪、 矩型鋼托梁和定位插銷組成， 滑動部位可采用四氟板或不銹鋼作為滑動面[5]。 可移動與滑動支座系統(tǒng)可實現(xiàn)溝槽作業(yè)面的改變(圖4): 變換作業(yè)面前依據(jù)基坑地坪高度和行走地坪地面情況來改變插銷插承位置(輪子落地)和托梁鋼套的位置(輪子水平方向移動調(diào)整)， 使得輪子處于著地狀態(tài)， 然后緊擰調(diào)節(jié)螺栓使得螺栓桿伸長以頂緊托梁(托梁套較托梁的截面大， 配合調(diào)節(jié)螺栓即具有一定上下微調(diào)空間以適應(yīng)不同插銷的插口高度)， 能夠很好地實現(xiàn)坑槽方向水平移動。

圖4 可移動與滑動支座操作示意Fig.4 Movable and sliding support operation diagram

側(cè)壁護(hù)板體系分為I 型和II 型兩種， 可采用輕質(zhì)材料， 如鋁合金、 FRP 材料， 以實現(xiàn)構(gòu)件的輕量化， 構(gòu)件高度方向長度以500mm 為模數(shù)。 I型側(cè)壁護(hù)板為封閉式肋梁板且與主體立柱通過卡槽導(dǎo)軌進(jìn)行嵌卡式連接， 旨在加大截面抗彎性能和避免肋梁積土； II 型側(cè)壁護(hù)板為開放式肋梁板， 與主體立柱通過高強抗剪螺栓連接， 旨在高強抗剪螺栓連接有利于承受基底較大土壓力效應(yīng)和便于立柱之間的牢固連接。 側(cè)壁護(hù)板體系采用模塊化和裝配化設(shè)計， 可以實現(xiàn)受損易于替換，從而避免整體更換。

立柱系統(tǒng)由上部帶通孔的矩型鋼柱、 吊耳、液壓連接耳板和卡槽導(dǎo)軌組成， 如圖5 所示。 矩型鋼柱為鋼板焊拼而成， 鋼柱內(nèi)部位于支撐軸力作用位置， 設(shè)有加勁板以承受可調(diào)支撐的軸心集中反力， 并且內(nèi)設(shè)螺母以供其他構(gòu)件的螺栓連接； 卡槽高度方向均勻設(shè)置加勁腋板以承受側(cè)壁護(hù)板傳遞的壓力， 柱底預(yù)設(shè)刃腳以便于溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)下沉和起拔。

可調(diào)節(jié)支撐系統(tǒng)通過螺栓連接立柱， 支撐桿件伸縮部位分別設(shè)有相匹配的正反粗牙螺紋， 如圖6 所示， 利用支撐桿的可調(diào)節(jié)性， 人工操作即可實現(xiàn)溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)的型體伸縮功能。

圖5 立柱關(guān)鍵性節(jié)點Fig.5 Key nodes of column

圖6 可調(diào)節(jié)支撐Fig.6 Adjustable support

2.2 結(jié)構(gòu)有限元模擬驗算

采用通用有限元軟件ABAQUS 對初步設(shè)計的溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在典型工況條件中進(jìn)行模擬驗算， 計算模型如圖7 所示， 旨在根據(jù)計算結(jié)果針對薄弱點、 應(yīng)力集中點或關(guān)鍵使用功能位置進(jìn)行加強。 依據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工運作使用情況， 可分為工況一: 吊運過程、 工況二: 溝槽支護(hù)和工況三: 提升過程。

圖7 溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.7 Finite element model of trench box

工況一: 吊運過程。 溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)運抵基坑邊坡時， 使用吊裝設(shè)備通過鋼絲繩鉤掛結(jié)構(gòu)吊耳進(jìn)行起重吊運， 計算作用效應(yīng)考慮為其自重。 模擬結(jié)果如圖8 所示， 應(yīng)力最大點出現(xiàn)在吊耳內(nèi)孔上方， 20mm 厚的吊耳最大應(yīng)力σmax＝38.9MPa＜σs＝295MPa， 故起吊過程結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

圖8 吊運過程結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力云圖(單位： MPa)Fig.8 Local stress nephogram during lifting(unit: MPa)

工況二: 溝槽支護(hù)過程。 技術(shù)所依托應(yīng)用項目以截污管網(wǎng)開挖埋管施工為主， 最大適用深度為3m， 所處土層為填土層和粉質(zhì)粘土， 為計算便捷和結(jié)果更為可靠， 土體自穩(wěn)計算時假設(shè)所處地層皆為粉質(zhì)粘土(土重度γ為17.5kN/m3、 內(nèi)摩擦角φk為14°、 粘聚力c為27kPa)， 溝槽支護(hù)工況計算時所處地層皆為無粘性砂土(土重度γ為18kN/m3、 內(nèi)摩擦角φk為35°)， 并同時考慮10kN/m2的頂部堆載。 由主動土壓力理論計算可知， 開挖土體自穩(wěn)臨界高度為2.38m， 因此處于粉質(zhì)粘性土層條件下的溝槽開挖施工， 其邊坡具備一定的自持能力， 滿足后支護(hù)要求。 模擬結(jié)果如圖9 所示， 最大變形位置出現(xiàn)在II 型側(cè)壁護(hù)板跨中肋板， 最大形變量δmax＝18mm ＜δd＝30mm，滿足一般基坑對支護(hù)體系水平位移的控制量； 應(yīng)力最大點出現(xiàn)在可調(diào)節(jié)支撐與立柱交匯處的加勁腋板， 最大應(yīng)力σmax＝237.0MPa ＜σs＝310MPa，故支護(hù)過程滿足強度要求。 依據(jù)受力計算結(jié)果，加勁腋板位置應(yīng)力比為0.76， 此處會受到較大的彎剪效應(yīng)， 從安全的角度出發(fā)， 本支護(hù)卡槽高度方向應(yīng)均勻設(shè)置加勁腋板， 在可調(diào)節(jié)支撐與立柱交匯處進(jìn)行加密且立柱內(nèi)部焊接加勁板。

圖9 支護(hù)過程結(jié)構(gòu)剛度與強度情況Fig.9 Stiffness and strength in support process

工況三: 提升過程。 溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)提升主要依靠滑動系統(tǒng)和輪子作為支座， 配合液壓油缸進(jìn)行提升， 整個過程結(jié)構(gòu)所受作用效應(yīng)為自重和土體對II 型側(cè)壁護(hù)板的摩阻力作用， 為便于計算，本工況計算作用效應(yīng)考慮為1.5 倍的自重。 模擬結(jié)果如圖10 所示， 最大變形位置出現(xiàn)在可移動與滑動支座橫梁處(最大位移為II 型側(cè)壁護(hù)板跨中肋板)， 最大位移δmax＝0.4mm ＜δd＝4mm(L/750)， 滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017 -2014)對受彎構(gòu)件的許用撓度要求； 可移動與滑動支座連接處會受到較大的彎剪效應(yīng)， 應(yīng)力最大點出現(xiàn)在可移動與滑動支座連接處， 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力σmax＝143.9MPa ＜σs＝310MPa， 故提升過程滿足強度要求。

圖10 提升過程結(jié)構(gòu)剛度與強度情況Fig.10 Stiffness and strength in lifting process

3 工程應(yīng)用

本次應(yīng)用項目為“東莞市水生態(tài)建設(shè)項目五期”工程， 是鳳崗鎮(zhèn)已建污水管網(wǎng)基礎(chǔ)上， 進(jìn)一步建設(shè)截污次支管網(wǎng)， 本工程主要以明挖埋管施工為主， 管道埋深為0.5m ～5.0m， 開挖段施工總長約為79.9km。 考慮該施工段為粉質(zhì)粘性土層條件下的開挖埋管施工， 溝槽具有一定的自穩(wěn)能力， 滿足后支護(hù)要求， 針對傳統(tǒng)鋼板樁支護(hù)施工過程中振動沉樁對周邊環(huán)境影響較大、 靜壓沉樁工效慢且造價高等情況， 本工程應(yīng)用溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)， 其實用性與適應(yīng)性均較強。

相關(guān)部品部件工廠預(yù)制和現(xiàn)場安裝， 通過一系列結(jié)構(gòu)功能部件和操作方法(圖11)實現(xiàn)安全防護(hù)、 溝槽支護(hù)、 型體伸縮、 提升與降落、 移動的預(yù)設(shè)功能， 溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)施工應(yīng)用見圖12。 所解決的技術(shù)問題: 為施工人員提供安全可靠的作業(yè)環(huán)境、 為溝槽垂直開挖提供條件、 實現(xiàn)全標(biāo)段溝槽開挖作業(yè)支護(hù)和最終實現(xiàn)回收以重復(fù)利用。

圖11 溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)操作流程Fig.11 Operation process of trench box

圖12 溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場應(yīng)用情況Fig.12 Field application of trench box

4 適用范圍及技術(shù)優(yōu)勢

可移動溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于不具備放坡作業(yè)、 常規(guī)鋼板樁支護(hù)和地質(zhì)條件較好的地下管線、 管廊、 渠道等長條形基坑開挖支護(hù)， 且適用于作為土方坍塌事故的救援工具器械[6]， 但不適合地下水位較高的砂層與淤泥質(zhì)土。 其技術(shù)優(yōu)勢如下:

1. 散件運輸和裝配功能， 解決整體運輸體量限制問題。 部品工廠加工生產(chǎn)、 散件運輸和施工現(xiàn)場人工組裝， 組裝連接方式采用螺栓連接和卡槽連接， 安裝工作量少， 相關(guān)輔助設(shè)備常用， 裝配與拆卸快捷簡便。

2. 型體伸縮功能， 有利于下降與提升過程減小溝槽側(cè)壁土摩擦和為土體提供預(yù)壓力。 通過人工操作可調(diào)節(jié)支撐實現(xiàn)本結(jié)構(gòu)在溝槽截面方向的水平伸縮， 支護(hù)時伸長以調(diào)整適應(yīng)槽寬或變換作業(yè)面前收縮(避免土體對側(cè)壁護(hù)板的摩擦， 以致于難以提升)以便于整體提升。

3. 提升與降落功能， 實現(xiàn)逐級覆土、 避免刃腳摩擦和跨越不同溝槽基底高低差。 采用液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)本結(jié)構(gòu)在變換作業(yè)面前進(jìn)行短行程距離的整體提升， 便于逐級覆土以恢復(fù)側(cè)壁土體穩(wěn)定性、 整體溝槽方向的水平移動(避免土體對刃腳的摩擦， 以致于難于移動)和跨越所變化溝槽作業(yè)面的基底高低差。

4. 移動功能， 解決支護(hù)結(jié)構(gòu)位于溝槽內(nèi)部固定位置和有限空間支護(hù)的問題。 采用可調(diào)移動系統(tǒng)實現(xiàn)溝槽作業(yè)面的改變， 變換作業(yè)面前依據(jù)基坑地坪高度和行走地坪地面情況來改變插銷插承位置和托梁鋼套位置， 使得輪子處于著地狀態(tài)，然后緊擰調(diào)節(jié)螺栓使得螺栓桿伸長以頂緊托梁，以很好地實現(xiàn)坑槽方向水平移動。

5. 體量輕質(zhì)化， 規(guī)避人工無法操作和安裝困難的問題。 溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)壁護(hù)板可采用輕質(zhì)材料實現(xiàn)構(gòu)件的輕量化。

5 結(jié)語

本文結(jié)合溝槽開挖特點及其施工技術(shù)要求，提出了一種可移動式的溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)， 除實現(xiàn)常規(guī)支護(hù)功能外， 在結(jié)構(gòu)和功能方面有較好突破，并對不同工況荷載作用下， 驗算結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)， 最后通過技術(shù)實踐， 總結(jié)其適用范圍和技術(shù)重點。 本技術(shù)具有良好的研究和應(yīng)用價值， 為溝槽開挖施工提供新的支護(hù)方式選擇。