可移动沟槽支护结构设计与应用

文杰 周书东 刘正刚 麦镇东 韩笑

(1. 中国水利水电第七工程局有限公司 成都610213； 2. 东莞市建筑科学研究所 523076)

引言

对于地下管网、 管廊、 渠道等带状沟槽， 垂直开挖是其常见的施工方式， 不可避免地需要施工人员下到直壁基坑内进行操作， 当开挖深度较大时， 易出现槽壁失稳引发的塌方、 滑坡事故[1]， 影响安全施工作业。 为保护施工人员免受槽壁滑坡或坍塌的伤害， 基坑工作面需要安全适用的支护体系， 目前， 国内常见的沟槽支护有自然放坡、 钢板桩支护、 撑板支撑等方式[2]， 自然放坡往往受限于场地条件和需对扰动土处理， 钢板桩支护施工对周边振动和环境影响大， 撑板支撑无法满足较大深度要求的沟槽支护且对资源耗费高， 这些方法普遍存在造价高、 适用范围受限、 施工时间长等问题。

随着国内市政管网建设规模不断加大， 越来越多的城市管道开挖作业受周围建筑物、 道路及生命线、 复杂地下管线、 不良地质、 社会行为活动等因素影响无法采用常规支护方式开挖； 另一方面， 施工人员心存侥幸， 在看似地质条件良好的情况下， 不按设计要求， 采取不放坡无支护开挖施工， 冒险在沟槽作业， 间接导致土体坍塌造成人员伤亡的事故屡见不鲜[3]。 研发一种便捷安全的新型支护方式俨然成为沟槽工程施工中提高施工效率、 克服复杂外部环境影响和规避把控安全隐患的发展方向。

1 研究现状

与上述常规的钢板桩、 撑板等“先撑后挖”支护不同， 目前， 国内关于“先挖后撑”类型的开挖方式(以下简称“后支护”)在沟槽开挖施工中的应用较少， 而国外虽然已将后支护作为一种沟槽开挖施工安全强制措施[4]， 但其应用范围只是空间有限和位置固定的基坑支护， 对于埋深大于2m 的开挖施工， 支护方式还是以钢板桩等常用支护方式为主， 功能上无法实现基坑内部移动且难以满足不同截面沟槽的开挖支护要求。

虽然已开展了后支护结构相关应用研究(图1 和图2)， 但从适用性和可操作性而言所研制的后支护结构均未能达到工程推广应用的水平。 依据过往对后支护研究所发现的问题和经验分析， 开展新的研究方向和研究范围: 结合沟槽开挖特点和施工适用性设计要求， 确定支护结构的主要构造参数， 除实现常规支护功能外， 还从结构和功能方面进行突破， 结构方面围绕实现装配化安装和体量轻质化， 功能方面围绕实现在沟槽方向内部水平移动和有较强的沟槽宽度与深度适用范围。

图1 第一代后支护结构Fig.1 First generation rear support structure

图2 第二代后支护结构Fig.2 Second generation rear support structure

2 结构设计与验算

2.1 功能性构件设计

本文所述沟槽支护结构， 如图3 所示， 结构长度为4m， 可实现开挖截面宽度方向1.3m ～2.5m 伸 缩， 最 大 适 用 深 度 为3m， 材 质 为Q345B， 整体重量约为2t。 功能性构件包括立柱、 可调节支撑、 可移动与滑动支座系统、 液压控制系统和侧壁护板体系五种类型部件， 相关构部件通过工厂加工制作并采用焊接或螺栓连接的方式组拼成型。

图3 沟槽支护结构Fig.3 Trench box

可移动与滑动支座系统由定向轮、 矩型钢托梁和定位插销组成， 滑动部位可采用四氟板或不锈钢作为滑动面[5]。 可移动与滑动支座系统可实现沟槽作业面的改变(图4): 变换作业面前依据基坑地坪高度和行走地坪地面情况来改变插销插承位置(轮子落地)和托梁钢套的位置(轮子水平方向移动调整)， 使得轮子处于着地状态， 然后紧拧调节螺栓使得螺栓杆伸长以顶紧托梁(托梁套较托梁的截面大， 配合调节螺栓即具有一定上下微调空间以适应不同插销的插口高度)， 能够很好地实现坑槽方向水平移动。

图4 可移动与滑动支座操作示意Fig.4 Movable and sliding support operation diagram

侧壁护板体系分为I 型和II 型两种， 可采用轻质材料， 如铝合金、 FRP 材料， 以实现构件的轻量化， 构件高度方向长度以500mm 为模数。 I型侧壁护板为封闭式肋梁板且与主体立柱通过卡槽导轨进行嵌卡式连接， 旨在加大截面抗弯性能和避免肋梁积土； II 型侧壁护板为开放式肋梁板， 与主体立柱通过高强抗剪螺栓连接， 旨在高强抗剪螺栓连接有利于承受基底较大土压力效应和便于立柱之间的牢固连接。 侧壁护板体系采用模块化和装配化设计， 可以实现受损易于替换，从而避免整体更换。

立柱系统由上部带通孔的矩型钢柱、 吊耳、液压连接耳板和卡槽导轨组成， 如图5 所示。 矩型钢柱为钢板焊拼而成， 钢柱内部位于支撑轴力作用位置， 设有加劲板以承受可调支撑的轴心集中反力， 并且内设螺母以供其他构件的螺栓连接； 卡槽高度方向均匀设置加劲腋板以承受侧壁护板传递的压力， 柱底预设刃脚以便于沟槽支护结构下沉和起拔。

可调节支撑系统通过螺栓连接立柱， 支撑杆件伸缩部位分别设有相匹配的正反粗牙螺纹， 如图6 所示， 利用支撑杆的可调节性， 人工操作即可实现沟槽支护结构的型体伸缩功能。

图5 立柱关键性节点Fig.5 Key nodes of column

图6 可调节支撑Fig.6 Adjustable support

2.2 结构有限元模拟验算

采用通用有限元软件ABAQUS 对初步设计的沟槽支护结构体系在典型工况条件中进行模拟验算， 计算模型如图7 所示， 旨在根据计算结果针对薄弱点、 应力集中点或关键使用功能位置进行加强。 依据支护结构的施工运作使用情况， 可分为工况一: 吊运过程、 工况二: 沟槽支护和工况三: 提升过程。

图7 沟槽支护结构有限元模型Fig.7 Finite element model of trench box

工况一: 吊运过程。 沟槽支护结构运抵基坑边坡时， 使用吊装设备通过钢丝绳钩挂结构吊耳进行起重吊运， 计算作用效应考虑为其自重。 模拟结果如图8 所示， 应力最大点出现在吊耳内孔上方， 20mm 厚的吊耳最大应力σmax＝38.9MPa＜σs＝295MPa， 故起吊过程结构满足强度要求。

图8 吊运过程结构局部应力云图(单位： MPa)Fig.8 Local stress nephogram during lifting(unit: MPa)

工况二: 沟槽支护过程。 技术所依托应用项目以截污管网开挖埋管施工为主， 最大适用深度为3m， 所处土层为填土层和粉质粘土， 为计算便捷和结果更为可靠， 土体自稳计算时假设所处地层皆为粉质粘土(土重度γ为17.5kN/m3、 内摩擦角φk为14°、 粘聚力c为27kPa)， 沟槽支护工况计算时所处地层皆为无粘性砂土(土重度γ为18kN/m3、 内摩擦角φk为35°)， 并同时考虑10kN/m2的顶部堆载。 由主动土压力理论计算可知， 开挖土体自稳临界高度为2.38m， 因此处于粉质粘性土层条件下的沟槽开挖施工， 其边坡具备一定的自持能力， 满足后支护要求。 模拟结果如图9 所示， 最大变形位置出现在II 型侧壁护板跨中肋板， 最大形变量δmax＝18mm ＜δd＝30mm，满足一般基坑对支护体系水平位移的控制量； 应力最大点出现在可调节支撑与立柱交汇处的加劲腋板， 最大应力σmax＝237.0MPa ＜σs＝310MPa，故支护过程满足强度要求。 依据受力计算结果，加劲腋板位置应力比为0.76， 此处会受到较大的弯剪效应， 从安全的角度出发， 本支护卡槽高度方向应均匀设置加劲腋板， 在可调节支撑与立柱交汇处进行加密且立柱内部焊接加劲板。

图9 支护过程结构刚度与强度情况Fig.9 Stiffness and strength in support process

工况三: 提升过程。 沟槽支护结构提升主要依靠滑动系统和轮子作为支座， 配合液压油缸进行提升， 整个过程结构所受作用效应为自重和土体对II 型侧壁护板的摩阻力作用， 为便于计算，本工况计算作用效应考虑为1.5 倍的自重。 模拟结果如图10 所示， 最大变形位置出现在可移动与滑动支座横梁处(最大位移为II 型侧壁护板跨中肋板)， 最大位移δmax＝0.4mm ＜δd＝4mm(L/750)， 满足《钢结构设计规范》(GB50017 -2014)对受弯构件的许用挠度要求； 可移动与滑动支座连接处会受到较大的弯剪效应， 应力最大点出现在可移动与滑动支座连接处， 结构最大应力σmax＝143.9MPa ＜σs＝310MPa， 故提升过程满足强度要求。

图10 提升过程结构刚度与强度情况Fig.10 Stiffness and strength in lifting process

3 工程应用

本次应用项目为“东莞市水生态建设项目五期”工程， 是凤岗镇已建污水管网基础上， 进一步建设截污次支管网， 本工程主要以明挖埋管施工为主， 管道埋深为0.5m ～5.0m， 开挖段施工总长约为79.9km。 考虑该施工段为粉质粘性土层条件下的开挖埋管施工， 沟槽具有一定的自稳能力， 满足后支护要求， 针对传统钢板桩支护施工过程中振动沉桩对周边环境影响较大、 静压沉桩工效慢且造价高等情况， 本工程应用沟槽支护结构， 其实用性与适应性均较强。

相关部品部件工厂预制和现场安装， 通过一系列结构功能部件和操作方法(图11)实现安全防护、 沟槽支护、 型体伸缩、 提升与降落、 移动的预设功能， 沟槽支护结构施工应用见图12。 所解决的技术问题: 为施工人员提供安全可靠的作业环境、 为沟槽垂直开挖提供条件、 实现全标段沟槽开挖作业支护和最终实现回收以重复利用。

图11 沟槽支护结构操作流程Fig.11 Operation process of trench box

图12 沟槽支护结构现场应用情况Fig.12 Field application of trench box

4 适用范围及技术优势

可移动沟槽支护结构适用于不具备放坡作业、 常规钢板桩支护和地质条件较好的地下管线、 管廊、 渠道等长条形基坑开挖支护， 且适用于作为土方坍塌事故的救援工具器械[6]， 但不适合地下水位较高的砂层与淤泥质土。 其技术优势如下:

1. 散件运输和装配功能， 解决整体运输体量限制问题。 部品工厂加工生产、 散件运输和施工现场人工组装， 组装连接方式采用螺栓连接和卡槽连接， 安装工作量少， 相关辅助设备常用， 装配与拆卸快捷简便。

2. 型体伸缩功能， 有利于下降与提升过程减小沟槽侧壁土摩擦和为土体提供预压力。 通过人工操作可调节支撑实现本结构在沟槽截面方向的水平伸缩， 支护时伸长以调整适应槽宽或变换作业面前收缩(避免土体对侧壁护板的摩擦， 以致于难以提升)以便于整体提升。

3. 提升与降落功能， 实现逐级覆土、 避免刃脚摩擦和跨越不同沟槽基底高低差。 采用液压控制系统实现本结构在变换作业面前进行短行程距离的整体提升， 便于逐级覆土以恢复侧壁土体稳定性、 整体沟槽方向的水平移动(避免土体对刃脚的摩擦， 以致于难于移动)和跨越所变化沟槽作业面的基底高低差。

4. 移动功能， 解决支护结构位于沟槽内部固定位置和有限空间支护的问题。 采用可调移动系统实现沟槽作业面的改变， 变换作业面前依据基坑地坪高度和行走地坪地面情况来改变插销插承位置和托梁钢套位置， 使得轮子处于着地状态，然后紧拧调节螺栓使得螺栓杆伸长以顶紧托梁，以很好地实现坑槽方向水平移动。

5. 体量轻质化， 规避人工无法操作和安装困难的问题。 沟槽支护结构的侧壁护板可采用轻质材料实现构件的轻量化。

5 结语

本文结合沟槽开挖特点及其施工技术要求，提出了一种可移动式的沟槽支护结构， 除实现常规支护功能外， 在结构和功能方面有较好突破，并对不同工况荷载作用下， 验算结构的作用效应， 最后通过技术实践， 总结其适用范围和技术重点。 本技术具有良好的研究和应用价值， 为沟槽开挖施工提供新的支护方式选择。