文杰 周書東 劉正剛 麥鎮(zhèn)東 韓笑

(1. 中國(guó)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(duì)于地下管網(wǎng)、 管廊、 渠道等帶狀溝槽， 垂直開(kāi)挖是其常見(jiàn)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(kāi)挖深度較大時(shí)， 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(guó)內(nèi)常見(jiàn)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(chǎng)地條件和需對(duì)擾動(dòng)土處理， 鋼板樁支護(hù)施工對(duì)周邊振動(dòng)和環(huán)境影響大， 撐板支撐無(wú)法滿足較大深度要求的溝槽支護(hù)且對(duì)資源耗費(fèi)高， 這些方法普遍存在造價(jià)高、 適用范圍受限、 施工時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。

隨著國(guó)內(nèi)市政管網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷加大， 越來(lái)越多的城市管道開(kāi)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(huì)行為活動(dòng)等因素影響無(wú)法采用常規(guī)支護(hù)方式開(kāi)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(jì)要求， 采取不放坡無(wú)支護(hù)開(kāi)挖施工， 冒險(xiǎn)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(jiàn)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(guó)內(nèi)關(guān)于“先挖后撐”類型的開(kāi)挖方式(以下簡(jiǎn)稱“后支護(hù)”)在溝槽開(kāi)挖施工中的應(yīng)用較少， 而國(guó)外雖然已將后支護(hù)作為一種溝槽開(kāi)挖施工安全強(qiáng)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(duì)于埋深大于2m 的開(kāi)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(wú)法實(shí)現(xiàn)基坑內(nèi)部移動(dòng)且難以滿足不同截面溝槽的開(kāi)挖支護(hù)要求。

雖然已開(kāi)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(guò)往對(duì)后支護(hù)研究所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)分析， 開(kāi)展新的研究方向和研究范圍: 結(jié)合溝槽開(kāi)挖特點(diǎn)和施工適用性設(shè)計(jì)要求， 確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)造參數(shù)， 除實(shí)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(shí)現(xiàn)裝配化安裝和體量輕質(zhì)化， 功能方面圍繞實(shí)現(xiàn)在溝槽方向內(nèi)部水平移動(dòng)和有較強(qiáng)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(jì)與驗(yàn)算

2.1 功能性構(gòu)件設(shè)計(jì)

本文所述溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)， 如圖3 所示， 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為4m， 可實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(dòng)與滑動(dòng)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(guò)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(dòng)與滑動(dòng)支座系統(tǒng)由定向輪、 矩型鋼托梁和定位插銷組成， 滑動(dòng)部位可采用四氟板或不銹鋼作為滑動(dòng)面[5]。 可移動(dòng)與滑動(dòng)支座系統(tǒng)可實(shí)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(lái)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(dòng)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)坑槽方向水平移動(dòng)。

圖4 可移動(dòng)與滑動(dòng)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(shí)現(xiàn)構(gòu)件的輕量化， 構(gòu)件高度方向長(zhǎng)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(guò)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(kāi)放式肋梁板， 與主體立柱通過(guò)高強(qiáng)抗剪螺栓連接， 旨在高強(qiáng)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(jì)， 可以實(shí)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(guò)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(shí)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(diǎn)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(yàn)算

采用通用有限元軟件ABAQUS 對(duì)初步設(shè)計(jì)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(yàn)算， 計(jì)算模型如圖7 所示， 旨在根據(jù)計(jì)算結(jié)果針對(duì)薄弱點(diǎn)、 應(yīng)力集中點(diǎn)或關(guān)鍵使用功能位置進(jìn)行加強(qiáng)。 依據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工運(yùn)作使用情況， 可分為工況一: 吊運(yùn)過(guò)程、 工況二: 溝槽支護(hù)和工況三: 提升過(guò)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(yùn)過(guò)程。 溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)抵基坑邊坡時(shí)， 使用吊裝設(shè)備通過(guò)鋼絲繩鉤掛結(jié)構(gòu)吊耳進(jìn)行起重吊運(yùn)， 計(jì)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(diǎn)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(guò)程結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

圖8 吊運(yùn)過(guò)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(guò)程。 技術(shù)所依托應(yīng)用項(xiàng)目以截污管網(wǎng)開(kāi)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(jì)算便捷和結(jié)果更為可靠， 土體自穩(wěn)計(jì)算時(shí)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(jì)算時(shí)所處地層皆為無(wú)粘性砂土(土重度γ為18kN/m3、 內(nèi)摩擦角φk為35°)， 并同時(shí)考慮10kN/m2的頂部堆載。 由主動(dòng)土壓力理論計(jì)算可知， 開(kāi)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(kāi)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(duì)支護(hù)體系水平位移的控制量； 應(yīng)力最大點(diǎn)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(guò)程滿足強(qiáng)度要求。 依據(jù)受力計(jì)算結(jié)果，加勁腋板位置應(yīng)力比為0.76， 此處會(huì)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(guò)程結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度情況Fig.9 Stiffness and strength in support process

工況三: 提升過(guò)程。 溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)提升主要依靠滑動(dòng)系統(tǒng)和輪子作為支座， 配合液壓油缸進(jìn)行提升， 整個(gè)過(guò)程結(jié)構(gòu)所受作用效應(yīng)為自重和土體對(duì)II 型側(cè)壁護(hù)板的摩阻力作用， 為便于計(jì)算，本工況計(jì)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(dòng)與滑動(dòng)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(jì)規(guī)范》(GB50017 -2014)對(duì)受彎構(gòu)件的許用撓度要求； 可移動(dòng)與滑動(dòng)支座連接處會(huì)受到較大的彎剪效應(yīng)， 應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在可移動(dòng)與滑動(dòng)支座連接處， 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力σmax＝143.9MPa ＜σs＝310MPa， 故提升過(guò)程滿足強(qiáng)度要求。

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

3 工程應(yīng)用

本次應(yīng)用項(xiàng)目為“東莞市水生態(tài)建設(shè)項(xiàng)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(kāi)挖段施工總長(zhǎng)約為79.9km。 考慮該施工段為粉質(zhì)粘性土層條件下的開(kāi)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(duì)傳統(tǒng)鋼板樁支護(hù)施工過(guò)程中振動(dòng)沉樁對(duì)周邊環(huán)境影響較大、 靜壓沉樁工效慢且造價(jià)高等情況， 本工程應(yīng)用溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)， 其實(shí)用性與適應(yīng)性均較強(qiáng)。

相關(guān)部品部件工廠預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)安裝， 通過(guò)一系列結(jié)構(gòu)功能部件和操作方法(圖11)實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)、 溝槽支護(hù)、 型體伸縮、 提升與降落、 移動(dòng)的預(yù)設(shè)功能， 溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)施工應(yīng)用見(jiàn)圖12。 所解決的技術(shù)問(wèn)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(kāi)挖提供條件、 實(shí)現(xiàn)全標(biāo)段溝槽開(kāi)挖作業(yè)支護(hù)和最終實(shí)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(chǎng)應(yīng)用情況Fig.12 Field application of trench box

4 適用范圍及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

可移動(dòng)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(zhǎng)條形基坑開(kāi)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(shì)如下:

1. 散件運(yùn)輸和裝配功能， 解決整體運(yùn)輸體量限制問(wèn)題。 部品工廠加工生產(chǎn)、 散件運(yùn)輸和施工現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)便。

2. 型體伸縮功能， 有利于下降與提升過(guò)程減小溝槽側(cè)壁土摩擦和為土體提供預(yù)壓力。 通過(guò)人工操作可調(diào)節(jié)支撐實(shí)現(xiàn)本結(jié)構(gòu)在溝槽截面方向的水平伸縮， 支護(hù)時(shí)伸長(zhǎng)以調(diào)整適應(yīng)槽寬或變換作業(yè)面前收縮(避免土體對(duì)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(shí)現(xiàn)逐級(jí)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(shí)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(jí)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(dòng)(避免土體對(duì)刃腳的摩擦， 以致于難于移動(dòng))和跨越所變化溝槽作業(yè)面的基底高低差。

4. 移動(dòng)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(wèn)題。 采用可調(diào)移動(dòng)系統(tǒng)實(shí)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(lái)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(zhǎng)以頂緊托梁，以很好地實(shí)現(xiàn)坑槽方向水平移動(dòng)。

5. 體量輕質(zhì)化， 規(guī)避人工無(wú)法操作和安裝困難的問(wèn)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(shí)現(xiàn)構(gòu)件的輕量化。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合溝槽開(kāi)挖特點(diǎn)及其施工技術(shù)要求，提出了一種可移動(dòng)式的溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)， 除實(shí)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(duì)不同工況荷載作用下， 驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)， 最后通過(guò)技術(shù)實(shí)踐， 總結(jié)其適用范圍和技術(shù)重點(diǎn)。 本技術(shù)具有良好的研究和應(yīng)用價(jià)值， 為溝槽開(kāi)挖施工提供新的支護(hù)方式選擇。