市政管網(wǎng)溝槽支護中智能土釘應(yīng)用研究

【摘要】文章對市政管網(wǎng)中的溝槽工程項目進行深度分析，以提高支護技術(shù)的安全性和高效性為目標，對溝槽工程的主要危險性進行調(diào)查研究，并利用危險性評價及安全指數(shù)對基坑工程進行評價。對各種支護工藝進行研究，對施工工藝進行優(yōu)化，并以實例進行驗證。研究結(jié)果表明，在市政網(wǎng)溝槽開挖的工程項目中，采用合理的支護方式和施工工藝可有效提高掘進的安全性和效率。

【關(guān)鍵詞】市政管網(wǎng)；溝槽工程；支護技術(shù)；施工優(yōu)化

【中圖分類號】TU991.3 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）09-0140-03

0 引言

溝槽工程是地下管道施工的重要環(huán)節(jié)，其安全、高效的施工將對工程的順利實施和對周邊環(huán)境的安全產(chǎn)生重要影響[1]?，F(xiàn)有的溝槽開挖方法和應(yīng)用的支護技術(shù)雖已取得一定的進展，但仍存在諸多不足，如傳統(tǒng)支護方式對復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性不強、施工效率低下等問題。本研究集中于分析溝槽開挖的主要危險性，探討和評價不同支護工藝，優(yōu)化施工流程，并通過實際工程案例驗證提出的技術(shù)和方法的有效性。

1 安全性分析

1.1 溝槽開挖的主要風險

1.1.1 土壤坍塌風險

土壤坍塌是城市管網(wǎng)基坑開挖過程中最普遍、最具危險性的問題。土壤坍塌一般由下列因素造成[2]。

1）土壤類型和結(jié)構(gòu)。不同類型和結(jié)構(gòu)的土壤具有不同的穩(wěn)定性，例如，沙質(zhì)土壤比較易于挖掘但穩(wěn)定性差，而黏土雖然穩(wěn)定性好但不易挖掘。土壤的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角也會影響其在開挖過程中的穩(wěn)定性。

2）水分影響。雨水滲透、地下水位變化或管道泄漏等因素會增加土壤的濕度，降低土壤粒子間的黏結(jié)力，從而增加坍塌的風險。

3）開挖深度和溝槽尺寸。更深或更寬的溝槽需要更復(fù)雜的支護結(jié)構(gòu)來防止土壤坍塌，開挖深度增加時，周邊土壤的壓力也隨之增大，增加了坍塌的潛在風險。

4）施工方法。施工操作不當，如開挖速度過快、支護不及時或不充分等，也可導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)受損，增加坍塌風險。

5）鄰近建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施。鄰近的建筑物或其他結(jié)構(gòu)物可能影響溝槽的穩(wěn)定性，其重量和負荷可能導(dǎo)致土壤下沉或移位，進一步引發(fā)坍塌。

1.1.2 周邊建筑物影響

在進行市政管網(wǎng)溝槽開挖時，周邊建筑物對開挖工程的安全性具有重要影響[3]。這種影響主要包括建筑物對開挖區(qū)域的壓力變化、振動和地基穩(wěn)定性的干擾，對周邊建筑物的影響如表1所示。

在基坑施工前開展地質(zhì)勘察、建筑物評價，以盡量減少此類風險；建立監(jiān)測點，對建筑物及地面的位移進行監(jiān)控；選用低振動施工工藝；為可能出現(xiàn)的危險做好準備。采取這些有效的措施，可以確保工程的安全性，降低對周圍環(huán)境的影響。

1.2 安全性評價方法

1.2.1 風險評估模型

應(yīng)用AHP方法[4]可以把復(fù)雜的思想過程化為簡單、量化的問題。溝槽建設(shè)過程中的風險因素很多，相互關(guān)聯(lián)又很復(fù)雜，在不能用數(shù)量關(guān)系來量化的情況下，需要多名專家進行綜合評判。在應(yīng)用專家調(diào)查法對各指標的重要程度進行評價時，要注意評判的模糊性。與AHP方法相比，模糊AHP能更好地反映出各因子對風險事件的影響程度。

在市政管網(wǎng)溝槽開挖工程中，為了確保施工的安全性和效率，采用綜合的風險評估模型是至關(guān)重要的。以下是該風險評估模型的建立。

1）單一準則下計算元素指標權(quán)重。

使用加權(quán)法對專家打分進行信息匯總計算，如式（1）所示。

（1）

式中：m為評分專家的個數(shù)；aij為第i個專家對第j項指標的最終評分；為與地基穩(wěn)定性的變量；uij為振動影響的變量；vij為荷載變化的變量。

計算第k層指標i的模糊程度值H kj，同理可以計算出第k層指標j的模糊程度值H kj，如式（2）所示。

（2）

式中 ：H kj為第k層指標i的模糊程度值；n為指標的數(shù)量。

1.2.2 安全性指標體系

在市政管網(wǎng)溝槽開挖支護技術(shù)的研究中，建立一個全面的安全性指標體系是評估工程安全的關(guān)鍵。這一體系涵蓋從地質(zhì)條件、設(shè)計參數(shù)到施工操作等多個方面，可以確保對開挖工程全方位的安全性分析。以下是構(gòu)成安全性指標體系的主要組成部分及其指標[5]。

1）地質(zhì)與環(huán)境因素：土壤類型與穩(wěn)定性；地下水位及動態(tài)變化；鄰近建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施；環(huán)境敏感區(qū)域（如濕地、保護區(qū)等）。

2）設(shè)計與支護結(jié)構(gòu)：支護結(jié)構(gòu)選型合理性；設(shè)計方案的安全系數(shù)；臨時支護與永久性結(jié)構(gòu)的銜接；應(yīng)急排水系統(tǒng)的可靠性。

3）施工技術(shù)與管理：開挖方式與施工工藝；現(xiàn)場監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)；施工人員的安全培訓與意識；應(yīng)急預(yù)案的完善程度與響應(yīng)速度。

4）施工環(huán)境與周邊影響：施工噪聲與振動控制；塵埃與污染控制；對周邊交通的影響；居民生活質(zhì)量的影響[6]。

2 效率優(yōu)化

2.1 支護技術(shù)的選擇與應(yīng)用

2.1.1 常見支護技術(shù)分析

市政管網(wǎng)溝槽開挖工程中常見的支護技術(shù)包括鋼板樁、土釘墻、噴錨支護等。鋼板樁適用于多種土質(zhì)，安裝快速但成本較高；土釘墻穩(wěn)定性強，成本適中，但施工期較長；噴錨支護操作簡便，成本較低，但適用條件有限。選擇時須綜合考慮土質(zhì)、經(jīng)濟和技術(shù)可行性。

2.1.2 新型支護技術(shù)應(yīng)用

智能土釘作為現(xiàn)代溝槽支護領(lǐng)域的一項創(chuàng)新技術(shù)，正日益成為城市排水溝渠工程中的優(yōu)選方案，將傳統(tǒng)土釘墻支護的穩(wěn)固性與現(xiàn)代傳感技術(shù)的精準性融合，通過在土釘內(nèi)部精密嵌入微型傳感器，實現(xiàn)對基坑內(nèi)土體變形及受力狀態(tài)的全面、實時監(jiān)控?，F(xiàn)場采集的精確數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)迅速傳輸至監(jiān)測中心，為工程人員提供及時、詳盡的參考依據(jù)。

智能土釘支護技術(shù)的核心優(yōu)勢在于，能夠?qū)崟r監(jiān)測土釘墻的動態(tài)變化，包括其變形趨勢及受力狀態(tài)，從而實現(xiàn)對支護結(jié)構(gòu)全過程的精準監(jiān)控。一旦發(fā)現(xiàn)任何異常變形或受力不均的預(yù)警信號，系統(tǒng)能立即反饋，使工程團隊能夠迅速響應(yīng)，采取必要的調(diào)整措施，有效預(yù)防塌方等安全事故的發(fā)生，顯著提升支護結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。

2.2 施工效率提升方法

通過采用模塊化施工流程，將整個施工流程分為以下幾個模塊。

1）工程規(guī)劃與設(shè)計模塊化。根據(jù)項目需求制定綜合性的施工計劃，包括溝槽的尺寸、形狀和位置，以及支護結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計。設(shè)計工作被分解成獨立的模塊，每個模塊都有明確的任務(wù)和執(zhí)行標準，有助于并行處理任務(wù)，加快設(shè)計進程。

2）地質(zhì)勘察與分析模塊化。進行詳細的地質(zhì)勘察，包括土壤類型、地下水位等關(guān)鍵參數(shù)，并將勘察數(shù)據(jù)整理成模塊化的分析報告。這種模塊化確保了信息的準確傳遞和高效利用，使設(shè)計和施工決策更加精確。

3）溝槽開挖模塊化。在開挖過程中，將整個溝槽分為多個小段或單元，每個單元的開挖可以獨立進行。這種模塊化開挖方式可以提高挖掘效率，減少機械移動和調(diào)整的時間。

4）支護結(jié)構(gòu)預(yù)制模塊化。支護結(jié)構(gòu)如支撐板、鋼支撐及防護網(wǎng)等在工廠或現(xiàn)場外部預(yù)制成型。支護結(jié)構(gòu)按照模塊化要求編號并運輸?shù)浆F(xiàn)場，可以顯著提高制造效率和質(zhì)量。

5）現(xiàn)場裝配與安裝模塊化。預(yù)制的支護結(jié)構(gòu)運至現(xiàn)場后，根據(jù)順序快速組裝和安裝。這種模塊化裝配大幅縮短現(xiàn)場安裝時間，降低施工復(fù)雜性。

6）施工監(jiān)測與評估模塊化。實施實時監(jiān)控，關(guān)注溝槽穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)的安全性等問題，并進行風險評估，能夠確?？焖夙憫?yīng)和及時調(diào)整施工方案，提升整體安全性和效率。

7）完成與驗收模塊化。完成后的模塊化驗收過程中，對支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和施工質(zhì)量等方面進行檢查，確保所有環(huán)節(jié)均滿足設(shè)計要求。模塊化驗收使得最終審核更加高效和系統(tǒng)化。

通過這些措施，施工項目能夠?qū)崿F(xiàn)更快的進度和更低的成本，同時提高工程質(zhì)量和安全保障。

3 項目分析

以某供水管道完善工程項目為例，從安全與效率的角度進行優(yōu)化分析，項目主要是對供水管網(wǎng)進行改造，以保證地區(qū)供水安全穩(wěn)定。在工程建設(shè)過程中，根據(jù)實際情況，首先對溝槽開挖工程進行詳細的風險模型建立，然后進行針對性分析。如表2所示。在溝槽開挖工程中，為了保證工程的順利進行，在基坑支護的基礎(chǔ)上，采取了鋼架支護、智能土釘支護等措施，保證溝槽的穩(wěn)定，防止了塌方，以確保施工人員及周圍群眾的安全。

1）在工程規(guī)劃階段，設(shè)計團隊對整個項目的管網(wǎng)溝槽進行了模塊化劃分。每個模塊代表一段特定長度和深度的溝槽，并根據(jù)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境因素（如鄰近建筑物、地下管線等）進行詳細設(shè)計。這種模塊化的設(shè)計方法使得每個溝槽模塊都能夠根據(jù)實際情況進行個性化的支護設(shè)計，確保施工的安全性和效率。地質(zhì)勘察團隊對每個模塊的地質(zhì)條件進行單獨的勘察和分析。通過收集土壤樣本、進行地下水位測量和土壤力學性能測試，團隊能夠為每個模塊提供詳細的地質(zhì)報告。這些報告為后續(xù)的溝槽設(shè)計和支護方案的選擇提供科學依據(jù)。

2）在開挖階段，施工團隊按照模塊化的劃分進行作業(yè)。每個模塊的開挖工作都根據(jù)其特定的設(shè)計要求和地質(zhì)條件進行，確保開挖工作的精確性和安全性。模塊化開挖還使得施工團隊能夠更靈活地調(diào)整工作計劃，以應(yīng)對不可預(yù)見的地質(zhì)變化或施工挑戰(zhàn)。

3）在支護結(jié)構(gòu)預(yù)制方面，施工團隊采用新型智能土釘技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測土釘?shù)膽?yīng)力、變形等參數(shù)，為施工安全提供實時數(shù)據(jù)支持。這些智能土釘和其他支護結(jié)構(gòu)（如預(yù)制混凝土板、鋼支撐等）在工廠預(yù)制完成后，被運至現(xiàn)場并根據(jù)每個模塊的實際情況進行快速裝配和安裝。

4）在各個模塊的現(xiàn)場裝配和安裝階段，施工團隊將復(fù)雜的工程劃分為多個獨立模塊，并根據(jù)具體情況進行個性化設(shè)計。通過預(yù)制包括智能土釘在內(nèi)的支護結(jié)構(gòu)，顯著減少現(xiàn)場加工時間并實現(xiàn)迅速安裝，大幅提升施工效率。智能土釘技術(shù)不僅具備傳統(tǒng)加固功能，還融入了實時監(jiān)測技術(shù)，能夠?qū)崟r反饋土體的應(yīng)力、變形等關(guān)鍵數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心，為施工團隊提供即時、準確的施工指導(dǎo)，避免盲目施工導(dǎo)致的返工和延誤。其實時監(jiān)測與預(yù)警功能持續(xù)監(jiān)測土體的穩(wěn)定性，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即發(fā)出警報，使施工團隊能夠迅速響應(yīng)并采取必要的加固措施，有效防止了塌方等安全事故的發(fā)生?；谀K化設(shè)計與地質(zhì)勘察的詳細報告，每個溝槽模塊都采用了個性化的支護設(shè)計方案，確保支護結(jié)構(gòu)能夠充分適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，有效提升了溝槽的穩(wěn)定性。預(yù)制支護結(jié)構(gòu)的快速安裝減少了現(xiàn)場作業(yè)人員的暴露時間，并降低了因人為因素導(dǎo)致的安全風險。

5）每個模塊施工完成后，都會進行獨立驗收。通過對比設(shè)計要求和實際施工結(jié)果，確保每個模塊的施工質(zhì)量符合標準。這種模塊化的驗收流程使得整個項目的質(zhì)量管理更加精細和高效。

通過以上幾方面的實施，使案例供水管線改擴建工程在確保安全的前提下，提高了進度，縮短了工期，為同類城市建設(shè)積累了可借鑒經(jīng)驗。

4 結(jié)語

本文以城市管網(wǎng)溝槽開挖施工為研究對象，以提高施工的安全高效性及施工工藝優(yōu)化為目標，對其支撐技術(shù)進行深入研究。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合安全指標對工程進行風險評估，并給出相應(yīng)的改善措施，采取合理的支撐方法，優(yōu)化施工技術(shù)，使之適應(yīng)多種復(fù)雜的地質(zhì)、環(huán)境條件。通過實例分析，文中提出的方法能夠有效地改善基坑工程的安全隱患，并提高市政管網(wǎng)工程的施工效率和工期。因此，從工程實際出發(fā)，結(jié)合具體情況，采取科學、合理的支護與施工措施，是保證市政工程安全高效的關(guān)鍵。

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[作者簡介]裴智敏（1989—），男，河南?？h人，本科，工程師，研究方向：建筑施工安全。