基于溝槽新型箱式橫列板支護施工技術(shù)

基金項目：本文系長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司自主科研項目“給排水管道溝槽箱式支護體系研究及應(yīng)用”（項目編號：NBZZ202200526）

0 引言

隨著長江大保護項目在長江沿線多省市的實施，城市水環(huán)境治理進程不斷加快，管網(wǎng)建設(shè)投資力度不斷提高，施工項目越來越多。支護作為管網(wǎng)施工中重要的一環(huán)，用于保證開挖作業(yè)時臨近建筑物和路面的安全，是保證溝槽管道結(jié)構(gòu)的安全施工空間[1]。

目前，國內(nèi)3m以內(nèi)深度的垂直溝槽多采用單桿件拼裝式橫列板（傳統(tǒng)橫列板）進行支護。而傳統(tǒng)橫列板存在很多弊端，如材質(zhì)易變形、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、拆裝復(fù)雜，且在安裝時需要人員在支護體系未建立起來時下溝槽作業(yè)，大大增加了作業(yè)人員風(fēng)險，故探索研究和實施一種模塊化、輕量化、適用3m以內(nèi)不同管徑溝槽的新型橫列板支護結(jié)構(gòu)體系顯得至關(guān)重要。

箱式橫列板將支護結(jié)構(gòu)做成一個整體，不需在溝槽內(nèi)部進行拼裝，主要材料采用鋼制框架與聚丙烯材料相結(jié)合，在保證結(jié)構(gòu)強度的同時減輕了整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，實現(xiàn)輕量化設(shè)計，滿足現(xiàn)場小型挖機整體吊裝和轉(zhuǎn)運的要求。

1傳統(tǒng)橫列板支護結(jié)構(gòu)不足

市政管道施工作業(yè)面大多位于城市中心區(qū)域，常存在周邊建筑多、車流人流大、場地狹小、地下管線復(fù)雜等不利因素。橫列板支護適用于深度小于3m的工況，工藝簡單、造價低廉，是目前采用最多的支護方式。

傳統(tǒng)橫列板適用“先開挖后支護”的工況，具體是先使用挖掘機開挖至設(shè)計深度和寬度，然后工人下溝槽拼裝傳統(tǒng)橫列板進行支護。傳統(tǒng)橫列板支護結(jié)構(gòu)包括鋼豎楞、鋼撐桿、鋼質(zhì)擋土板等受力組件，擋土板緊貼兩邊土體，起到擋土作用。鋼豎楞緊貼擋土板，撐桿固定于對應(yīng)的兩根豎楞。傳統(tǒng)橫列板現(xiàn)場施工如圖1所示。

傳統(tǒng)橫列板支護存在很多不足，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：一是對于部分土質(zhì)松軟或不穩(wěn)定的土層，傳統(tǒng)橫列板支護開挖無法成槽，施工過程中容易坍塌，造成事故。二是傳統(tǒng)橫列板的鋼豎楞和撐桿是散件，需要工人下溝槽逐件進行安裝和拆除，施工效率低。三是傳統(tǒng)橫列板在溝槽內(nèi)拼裝作業(yè)時，溝槽的支護體系并未形成，溝槽處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對工人的生命安全造成潛在威脅。以上問題導(dǎo)致溝槽支護事故頻發(fā)，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，溝槽坍塌事故在所有市政溝槽施工中傷亡事故最多、頻率最高。

2對新型箱式橫列板要求

根據(jù)上述問題分析，迫切需要研究形成一種新的可靠安全的支護體系和施工工法，用來解決溝槽施工安全問題，實現(xiàn)溝槽施工時一邊支護一邊開挖，或開挖完成后支護體系隨即形成的安全工況。

新型箱式橫列板在功能上需要實現(xiàn)以下功能：一是能在各類地質(zhì)情況下（填土、粉土、砂土、黏土、淤泥等）快速完成支護，實現(xiàn)人不下溝槽便能完成支護的目標。二是對于淤泥、填土、砂土等條件較差、邊挖開坍塌的土質(zhì)，能應(yīng)用“隨挖隨支”的施工工法。三是支護結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以實現(xiàn)標準化、模塊化組裝，便于現(xiàn)場拼裝。四是具備足夠的強度和剛度，可有效保證邊坡的穩(wěn)定性。五是支護結(jié)構(gòu)總質(zhì)量要輕，采用20t級以下挖掘機吊裝，能夠?qū)崿F(xiàn)快速拼裝、整體吊入或吊出溝槽。五是保證應(yīng)用材料在施工現(xiàn)場環(huán)境不易腐蝕或老化，能長久循環(huán)應(yīng)用。

3基于工程實例的箱式橫列板的設(shè)計

3.1工程概況

本研究依托九江市水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理工程。該工程管徑 400～800mm 的管道占較大比例，考慮兩側(cè)需要留400mm 的操作空間，橫列板寬度要覆蓋 1200～1600mm 范圍。2.5m左右深度的溝槽相對數(shù)量較多，橫列板需按照高度2.5m設(shè)計。

道路上的管網(wǎng)施工主要采用小噸位挖掘機作為現(xiàn)場施工設(shè)備，箱式橫列板的質(zhì)量要求限制在1t以內(nèi)。質(zhì)量越輕，挖機操作起來越靈活，挖機操作的安全性也有保障。管道長度為6m，在6m的縱向長度范圍內(nèi)，要盡量減少吊裝次數(shù)和中間橫撐的數(shù)量。該項目大部分的地質(zhì)條件良好，少部分地質(zhì)條件較差，橫列板既需要適用“先挖后支”，也能滿足“隨挖隨支”的功能。

3.2箱式橫列板結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)需求分析，采取兩側(cè)面板、中部可調(diào)節(jié)撐桿的結(jié)構(gòu)形式，組成箱式結(jié)構(gòu)，設(shè)計出如圖2所示一種用于溝槽施工支護的輕量化箱式橫列板。箱式橫列板縱向長度 3m ，兩個為一組，滿足6m管道的使用，高度2.5m，可調(diào)節(jié)總體寬度范圍為 1.2～1.8m ，總質(zhì)量為 850kg.

箱式橫列板由面板框架、PP板（擋土板）、連接銷、滑槽、滑靴、鉸銷和螺紋撐桿等組成。鋼制框架由Q355型材焊接而成。擋土板采用聚丙烯（PP）板，通過錨栓與鋼制框架固定。滑槽焊接在鋼制框架上，滑靴通過連接銷與滑槽連接，并根據(jù)需要在滑槽內(nèi)滑動，以調(diào)整上下位置。螺紋撐桿采用正反螺紋的形式實現(xiàn)長度調(diào)整，通過鉸銷與滑槽固定，并可根據(jù)現(xiàn)場需要調(diào)整整體的寬度。

在本設(shè)計中面板的主要材料為PP板，其密度一般在0.90～0.91g/cm³ 之間，是一種輕質(zhì)材料，具有較好的韌性，能夠吸收一定的沖擊能，并具有良好的防腐及抗老化性能，對比鋼板、木板或鋁合金等材料，具有顯著的性價比優(yōu)勢。

面板底部采用靴刀結(jié)構(gòu)，該設(shè)計能使其輕松插入土中，支護結(jié)構(gòu)能夠快速、穩(wěn)固地與土體結(jié)合。面板內(nèi)側(cè)采用平滑設(shè)計，一方面在溝槽內(nèi)回填土后便于將橫列板拔出，另一方面也可避免在隨挖隨支工況時鏟斗勾住面板。

3.3 仿真計算

采用有限元分析軟件，對初步設(shè)計的箱式橫列板進行模擬計算。本仿真采用水密度的1/3進行等效施壓。箱式橫列板應(yīng)力計算結(jié)果如圖3所示。箱式橫列板結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果如圖4所示。從圖3、圖4可以看出，鋼制框架上最大應(yīng)力112MPa，PP板最大應(yīng)力約為3MPa。箱式橫列板最大變形不超過6mm。計算結(jié)果處于合理范圍之內(nèi)，所有部件均處于安全狀態(tài)。

4箱式橫列板應(yīng)用

開槽埋管施工主要工藝流程如下：測量放樣→探坑開挖→路面切割及破除→溝槽開挖及支護 $$ 鋪設(shè)墊層→下管穩(wěn)管→管道安裝 $$ 井室端部管道包封 $$ 閉水試驗→回填壓實→CCTV檢測 $$ 路面恢復(fù)。本文重點介紹與箱式橫列板相關(guān)聯(lián)的施工步驟。

4.1 隨挖隨支操作步驟

隨挖隨支適用于土質(zhì)較差或地下水豐富等容易坍塌的地質(zhì)情況，如松散填土、軟土（軟黏性土、淤泥質(zhì)土、淤泥等）、流砂，或周邊存在原有管道施工形成的局部回填砂土層，溝槽開挖深度內(nèi)存在向內(nèi)傾斜的土巖交界面和轉(zhuǎn)弱夾層等。采用“隨挖隨支”的施工方式，具體步驟如下：

在地面將橫列板裝配好，并調(diào)節(jié)好寬度，將溝槽開挖至安全深度。挖掘機通過鋼絲繩將裝配好的橫列板吊起，橫列板下方吊孔穿過麻繩，由人工控制進行橫列板的姿態(tài)。挖掘機吊裝橫列板下降至溝槽內(nèi)，形成支護，之后挖掘機繼續(xù)往下挖。

隨著溝槽深度增加，使用鏟斗按壓橫列板兩側(cè)擋土板，使之嵌入土層中，確保按壓過程中兩側(cè)高度差不超過 30cm 。將溝槽挖到設(shè)計深度后，繼續(xù)按壓橫列板的兩側(cè)擋土板，使靴刀結(jié)構(gòu)插入土體，形成最終支護，兩個橫列板為一組，為下一個作業(yè)流程做準備。隨挖隨支作業(yè)示意如圖5所示。

4.2先挖后支操作步驟

先挖后支適用于土質(zhì)自立性較好的地質(zhì)情況，如黏王、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、砂土等。采用先挖后支的施工方式，具體步驟如下：

在地面將橫列板裝配好，并調(diào)節(jié)好寬度，在確保安全前提下，將溝槽開挖至設(shè)計深度。挖掘機通過鋼絲繩將裝配好的橫列板吊起，橫列板下方吊孔穿過麻繩，由人工控制進行橫列板的姿態(tài)。挖掘機吊裝橫列板下降溝槽底部，采用挖掘機鏟斗輕輕按壓兩側(cè)擋土板，使靴刀結(jié)構(gòu)能插入土體，形成最終支護，兩個橫列板為一組，為下一個作業(yè)流程做準備。

4.3支護后的作業(yè)

支護完成后，人員即可在溝槽內(nèi)進行安全作業(yè)，完成鋪設(shè)墊層、裝管、管頂回填夯實等作業(yè)。管頂回填至管道以上 500mm 時，可采用挖掘機將箱式橫列板整體垂直吊裝出槽。當(dāng)遇到不良地質(zhì)情況時，應(yīng)繼續(xù)回填確保溝槽穩(wěn)定后，方可吊出支護并進行后續(xù)作業(yè)。箱式橫列板現(xiàn)場實際應(yīng)用如圖6所示。

5結(jié)束語

經(jīng)過現(xiàn)場的大規(guī)模應(yīng)用實踐證實，該類型箱式橫列板可適用于作業(yè)面深度在 1.5～3m 范圍內(nèi)市政管道溝槽開槽埋管施工支護。相對傳統(tǒng)式的橫列板，其結(jié)構(gòu)設(shè)計充分考慮了土體壓力、水壓力、施工荷載等因素，具有較高的安全性和可靠性。

在現(xiàn)場采用小噸位挖機即可將箱式橫列板整體吊裝，所以完成支護僅需一次吊裝轉(zhuǎn)運，無需在溝槽內(nèi)拼裝。在支護完成后，仍可通過挖掘機將其整體吊出，支護耗時短，現(xiàn)場作業(yè)整體效率得到較大提升，相比傳統(tǒng)橫列板提高工效1/3以上。

該類型箱式橫列板可根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，采取“隨挖隨支”或“先挖后支”的工藝工法，特別是遇到地質(zhì)情況較差，挖掘機一邊挖、溝槽一邊塌這種情況，可采用“隨挖隨支”的施工方式。該類型箱式橫列板材料具有防腐、不易老化的特點，所以其可在室外條件下反復(fù)周轉(zhuǎn)使用。采用箱式橫列板支護，現(xiàn)場整齊美觀，施工操作簡便，容易實現(xiàn)標準化施工，有利于實現(xiàn)安全文明施工。

參考文獻

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