溝槽支護結(jié)構(gòu)設計及應用

楊 林，馬 帥，高 旭

(北京金河水務建設集團有限公司，北京 102206)

支護結(jié)構(gòu)選型時，應綜合考慮基坑深度、管道埋深、土的性狀及地下水條件、支護結(jié)構(gòu)施工工藝的可行性、施工場地條件及施工季節(jié)、經(jīng)濟指標、環(huán)保性能以及施工工期等因素。街道支護設計根據(jù)地質(zhì)水文、空間環(huán)境、開槽深度等選擇采用直槽+支護方式施工，包括鋼板樁支護、鋼木樁支護等。本文針對昌平區(qū)2017年“城鎮(zhèn)帶村”污水管網(wǎng)工程的施工進行闡述。

1 工程概況

1.1 概 況

《昌平區(qū)2017年“城鎮(zhèn)帶村”污水管網(wǎng)工程》項目涉及昌平區(qū)南口鎮(zhèn)、馬池口鎮(zhèn)、南邵鎮(zhèn)、流村鎮(zhèn)、小湯山鎮(zhèn)、興壽鎮(zhèn)、崔村鎮(zhèn)及百善鎮(zhèn)共8鎮(zhèn)55村，項目建設污水管網(wǎng)總長55 059 m。

管道埋深基本在3.0 m左右，最深位置管道埋深為4.5 m。由于工程主要位于村莊民房之間，施工空間狹小，不具備放坡條件，施工時需采取必要的防護措施。根據(jù)實際場地工程地質(zhì)情況、施工空間分布條件及農(nóng)村管網(wǎng)工程經(jīng)驗，選擇適合的坑槽開挖防護體系，綜合考慮坑槽兩側(cè)建筑物環(huán)境、開挖地段地勘報告和工程地質(zhì)條件特點，依據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)有關規(guī)定，溝槽開挖支護結(jié)構(gòu)安全等級按不低于三級考慮。

1.2 工程特點

農(nóng)村污水處理工程施工的一個顯著特點就是整個施工項目置于鄉(xiāng)村街道環(huán)境中，大部分村落街道較窄，溝槽不具備開挖放坡的條件，給開挖及管道安裝增加了難度。如果遇到開挖深度較深且地質(zhì)條件差的地段，溝槽內(nèi)施工安全需要重點關注，鑒于農(nóng)村管網(wǎng)工程的顯著特點，施工前對溝槽支護結(jié)構(gòu)設計尤為重要。

2 考慮因素

2.1 安全性

管道溝槽開挖安全性是保證開挖作業(yè)時對臨近建筑物、構(gòu)筑物、路面的運行安全和使用；保證溝槽管道結(jié)構(gòu)的安全施工空間[1]。確保溝槽開挖施工安全是支護結(jié)構(gòu)設計的前提，也是溝槽工程施工安全進行的保障。施工前首先要了解掌握施工部位的水文地質(zhì)條件，地下水壓力、土壓力等強度變化情況，根據(jù)不同壓力變化和分類布置不同的支護形式。支護形式的安全保障程度要以確保指導現(xiàn)場安全施工為前提，太高的安全保障系數(shù)可以增加施工的安全性，但是相應的支護成本也會增加，施工進度也會減慢；太低的安全保障系數(shù)可以降低施工的支護成本，加快施工整體進度，但是對施工的安全保護性就會降低，發(fā)生事故的后果會很嚴重，衍生的其他損失會很大，整體評價確得不償失。針對此種不同的方向，我們必須針對不同的條件采取不同的保障系數(shù)，以達到即能保障施工的安全系數(shù)，又能適當降低施工成本，加快施工速度，確定最優(yōu)方案。

2.2 可行性

好的支護方案不但要安全可靠、經(jīng)濟性好，而且在施工現(xiàn)場要具備可行性。例如，板樁的支護很穩(wěn)定，但在農(nóng)村污水治理過程中，由于街巷較窄，機械無法施展，且打樁的振動也對周圍的建筑物產(chǎn)生影響，致使方案無法進行。因此，可行性是檢驗支護方案的重要因素之一，設計前必須考慮。

2.3 經(jīng)濟性

經(jīng)濟性是項目管理的重要指標，在保證支護體系安全的前提下，必須考慮經(jīng)濟性。即將各支護方案按照基于成本的估算方法求出各種方案的優(yōu)劣，然后對各方案進行比較分析，最終給出各備選方案的優(yōu)劣[2]。

2.4 施工進度

支護體系的好壞制約著施工進度，施工進度是目標控制的重要指標之一，選擇經(jīng)濟、合理、安全、可靠的支護體系是施工進度的保障。另外，不同時段的施工進度安排，對施工體系的設計也有影響，主要體現(xiàn)在氣候和自然條件對支護體系的影響。例如，在雨季施工會比其他季節(jié)更為困難，所以盡量把支護施工安排在有利季節(jié)施工，以利于降低安全系數(shù)，從而降低成本。但無論如何，支護體系都要考慮外界條件的變化，以保證支護體系的有效性。

3 計算方法

受空間影響的溝槽開挖支護體系主要采用直槽+支護方式施工，包括鋼板樁支護、鋼木樁支護等。

為了計算簡便，盡量用計算機和相關軟件進行計算，這樣可以進行多次計算、調(diào)試，進而選擇最優(yōu)方案。計算軟件要選擇成熟、正版、可靠性強的軟件，計算軟件要具備針對性、可操作性、數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)化、計算結(jié)果準確性等特點。

3.1 設計流程

調(diào)查現(xiàn)場實際情況→資料準備(地質(zhì)、水文、材料型號等)→參數(shù)設定→土壓力初步計算→支護體系適配→結(jié)果輸出→多次調(diào)整比選→校核→確定最優(yōu)方案。

3.2 準備工作

1)準備地質(zhì)水文資料巖土工程勘察報告(詳勘階段)。通過支護區(qū)域的地質(zhì)剖面圖(以區(qū)域內(nèi)的鉆孔最為適宜)，可以掌握土層變化情況；查閱水文資料，可以了解水位變化情況；通過《地層巖性及土的物理力學性質(zhì)綜合統(tǒng)計表》《土工試驗成果報告》，可以獲得土的重度、內(nèi)摩擦角、黏聚力等參數(shù)，用以求得土壓力及其壓力作用點，并繪出壓力分布圖，進而進行支護設計。地質(zhì)資料選取時，與相鄰孔位地質(zhì)情況進行對比，查看變換情況和差異。當實際地質(zhì)條件與報告差別較大時，要重新補充勘探，以便獲得更精確的地質(zhì)資料。見圖1。

圖1 本區(qū)域地質(zhì)剖面圖

2)支護材料參數(shù)的獲取。材料主要有木材、鋼材等，材料的相關參數(shù)可以通過相關手冊進行查詢。

3.3 支護設計

根據(jù)工程設計的縱斷面圖，判別溝槽開挖的深度，然后讀取《勘探點平面布置圖》，找到相關聯(lián)的工程地質(zhì)剖面圖，判讀地層分情況，獲取相關的計算參數(shù)，計算土壓力，初步判斷支護類型。

管道溝槽開挖支護型擋土板分為兩種型式：第一種是豎直型；第二種是橫平型。支護型擋土板可垂直放置，在施工時根據(jù)具體工程地質(zhì)條件不同，使用時可分為連續(xù)支護或間隙支護。主要適用于溝槽位置砂性土、較松散土、濕度較高土等，地下水很少、深度為3～5 m。

3.3.1 基本參數(shù)

支護體系材料的選型應首先考慮庫存材料。支護體系設計基本參數(shù)主要為：擋土板鋪設方式為垂直鋪設，擋土板間距100 mm，水平方向橫撐間距1 000 mm，基坑開挖深度4.5 m，基坑開挖寬度1.5 m，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0.9(三級)，綜合分項系數(shù)0.9(三級)，支撐設計按多次計算確定最優(yōu)結(jié)果為豎向4道支撐，背楞距溝底距離為300、1 000、2 200和3 600。見表1。

表1 底層參數(shù)

3.3.2 主動土壓力強度計算

Ka1=tan2(45°-φ1/2)= tan2(45-0/2)=1

Ka2=tan2(45°-φ2/2)= tan2(45-15/2)=0.589

Ka3=tan2(45°-φ3/2)= tan2(45-16.3/2)=0.562

Ka4=tan2(45°-φ4/2)= tan2(45-0/2)=1

第1層土：0～0.6 m

H1′=[∑γ0h0]/γ1=0/20=0(m)

Pak1下=γ1(hi+H1′)Ka1-2c1Ka10.5=20×(0.6+0)×1-2×8×10.5=-4(kN/m2)

第2層土：0.6～1.8 m

H2′=[∑γ1h1]/γ2=12/19.6=0.612(m)

Pak2下=γ2(hi+H2′)Ka2-2c2Ka20.5=19.6×(1.2+0.612)×0.589-2×10×0.5890.5=5.569(kN/m2)

第3層土：1.8～3 m

H3′=[∑γ2h2]/γ3=35.52/19.8=1.794(m)

Pak3下=γ3(hi+H3′)Ka3-2c3Ka30.5=19.8×(1.2+1.794)×0.562-2×34.8×0.5620.5=-18.861(kN/m2)

第4層土：3～4.5 m

H4′=[∑γ3h3]/γ4=59.28/20=2.964(m)

Pak4下=γ4(hi+H4′)Ka4-2c4Ka40.5=20×(1.5+2.964)×1-2×30×10.5=29.28(kN/m2)

3.3.3 擋土板強度計算

見表2。

表2 材料參數(shù)(擋土板)

臨界土層的計算見圖2-圖4。

圖2 計算簡圖

圖3 彎矩圖(單位：kN·m)

圖4 剪力圖(單位：kN)

臨界深度：

Z0=Pak2上h2/(Pak2上+Pak2下)+∑hi-1=8.284×1.2/(8.284+5.569)+1=1.718(m)

q1上=γ0γFPak1上l1=0.9×0.9×(-16)×0.1=-1.296(kN/m)

q1下=γ0γFPak1下l1=0.9×0.9×(-4)×0.1=-0.324(kN/m)

q2上=γ0γFPak2上l1=0.9×0.9×(-8.284)×0.1=-0.671(kN/m)

q2下=γ0γFPak2下l1=0.9×0.9×5.569×0.1=0.451(kN/m)

q3上=γ0γFPak3上l1=0.9×0.9×(-32.214)×0.1=-2.609(kN/m)

q3下=γ0γFPak3下l1=0.9×0.9×(-18.861)×0.1=-1.528(kN/m)

q4上=γ0γFPak4上l1=0.9×0.9×(-0.72)×0.1=-0.058(kN/m)

q4下=γ0γFPak4下l1=0.9×0.9×29.28×0.1=2.372(kN/m)

Mk=0.187 kN·m

Rmax=1.074 kNσ=M/W=0.187×106/15 000

=12.467 N/mm2≤f=17 N/mm2

滿足要求。

Vk=1.014 kN

τmax=3Vmax/(2bh0) =3×1.014×1 000/(2×100×30)=0.507 N/mm2≤[τ]=1.7 N/mm2

滿足要求。

3.3.4 背楞計算

1)材料參數(shù)。見表3。

表3 材料參數(shù)(背楞)

2) 荷載計算。各背楞對擋土板作用的最大支座反力Rmax=1.074 kN，所以背楞的線荷載按以下公式計算：

q=Rmax/l1=1.074/0.1=10.74 kN/m

3) 背楞按照三跨連續(xù)梁計算最大彎矩，計算公式如下：

Mmax=0.1×q×l22=0.1×10.74×12=1.074 kN·m

σ=M/W=1.074×106/64 000=16.781 N/mm2≤f=17 N/mm2

滿足要求。

4) 最大支座反力按以下公式計算：

R=1.1×q×l2=1.1×10.74×1=11.814 kN

3.3.5 橫撐桿計算

1) 材料參數(shù)。見表4。

表4 材料參數(shù)(橫撐桿)

2) 強度計算。公式如下：

l0=l-b1×2-h1×2=1 500-80×2-30×2=1 280 mm

λ=l0/i=1 280/15.8=81.013

查《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》(GB 50017-2017)，得φ=0.681

N/(φA)=11.814×103/(0.681×489)=35.477 N/mm2≤[fc]=205 N/mm2

滿足要求。

3.4 結(jié)果檢查

結(jié)果檢查是確保設計結(jié)果準確的重要環(huán)節(jié)，主要內(nèi)容有基本參數(shù)、擋土板參數(shù)、背楞參數(shù)、橫撐參數(shù)、土層參數(shù)、數(shù)據(jù)驗算等。

1) 基本參數(shù)。主要有擋板鋪設方式、擋土板間距、管溝開挖寬度、管溝開挖深度、背楞至溝底距離、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0、綜合分項系數(shù)γF、豎直方向背楞根數(shù)等。

2) 材料參數(shù)。主要有擋土板參數(shù)、背楞參數(shù)、橫撐參數(shù)等。

3) 土層參數(shù)。主要有土層名稱、土層厚度(m)、土層內(nèi)摩擦角φ(°)、土層重度γ(kN/m3)、黏聚力c(kPa)。

4) 數(shù)據(jù)驗算。主要有擋土板驗算(受彎應力、抗剪計算)、背楞驗算(強度計算)、橫撐驗算(強度計算)。

4 現(xiàn)場施工

4.1 基本要求

管道溝槽開挖施工時，必須按照已批準的施工方案或?qū)ｍ検┕し桨高M行施工。施工前，根據(jù)已批準的施工方案或施工組織設計對所有參建人員進行紙質(zhì)交底，然后根據(jù)交底內(nèi)容指導現(xiàn)場施工。專項施工方案必須指定專人對專項施工方案實施現(xiàn)場監(jiān)督，并按規(guī)定進行相應監(jiān)測[3]。

4.2 施工方法

管道溝槽開挖支護主要有兩種形式：一種是開挖后支護；一種是邊開挖邊支護。開挖后支護方式主要是針對溝槽開挖深度較淺、地質(zhì)條件良好的條件；邊開挖邊支護形式主要針對溝槽開挖深度較大或溝槽開挖深度不大但是開挖處地質(zhì)條件差時采用的支護方式。施工時，根據(jù)現(xiàn)場實際條件選擇采取適合的加固措施。下面就第二種(邊開挖邊支護形式)情形的施工工程進行闡述。

4.3 工藝流程

測量放線定位→溝槽挖槽土并及時下設擋土板→安裝第一層橫向支撐及水平支撐→挖槽土并及時下設擋土板→安裝第二層橫向支撐及水平支撐→監(jiān)測→……直至設計標高→墊層施工→管道施工→土方分層回填→分層逐步拆除支撐。

4.4 安全監(jiān)測

4.4.1 土方開挖的監(jiān)控

溝槽開挖時，現(xiàn)場必須有技術(shù)人員和安全人員監(jiān)督指揮，及時對溝槽開挖的深度、坡度、邊坡坑壁進行監(jiān)控量測，嚴禁出現(xiàn)超挖、擴挖。溝槽開挖時，支護工作緊跟其后，嚴禁在上一段支護工作未完成情況下提前進行下一階段開挖工作，以免發(fā)生坍塌危險。

4.4.2 支護結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的監(jiān)控

支護材料主要采用腳手架鋼管和模板。對鋼管腳手架和模板原材料及半成品應遵照相關要求的驗收標準進行檢驗，主要內(nèi)容有：①材料出廠合格證檢查；②材料現(xiàn)場抽檢；③強度等級檢驗。

4.4.3 支護結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測

溝槽開挖支護結(jié)構(gòu)是否能達到防止溝槽變形、防止土坡坍塌作用，是保證安全施工的主要監(jiān)測手段。安全監(jiān)測主要監(jiān)測支護結(jié)構(gòu)變形、路面水平變形、路面垂直變形、臨近建筑物變形等。當監(jiān)測值超過報警值時應立即通知相關單位，分析原因，采取措施，防止事故的發(fā)生。

5 結(jié) 語

本文針對溝槽開挖的施工特點、支護設計應考慮的因素、支護設計的計算方法以及現(xiàn)場施工流程等進行了闡述。支護設計主要是根據(jù)施工開挖設計圖紙所對應的地質(zhì)情況進行設計，本文對地質(zhì)參數(shù)的判讀、選用、支護材料的選擇與配置、安全指標的計算等通過實例進行了詳細說明，也對現(xiàn)場施工方法進行了介紹，能夠保證現(xiàn)場安全、降低成本，并取得了很好的實效。研究結(jié)果可為類似工程提供借鑒。