沟槽支护结构设计及应用

杨 林，马 帅，高 旭

(北京金河水务建设集团有限公司，北京 102206)

支护结构选型时，应综合考虑基坑深度、管道埋深、土的性状及地下水条件、支护结构施工工艺的可行性、施工场地条件及施工季节、经济指标、环保性能以及施工工期等因素。街道支护设计根据地质水文、空间环境、开槽深度等选择采用直槽+支护方式施工，包括钢板桩支护、钢木桩支护等。本文针对昌平区2017年“城镇带村”污水管网工程的施工进行阐述。

1 工程概况

1.1 概 况

《昌平区2017年“城镇带村”污水管网工程》项目涉及昌平区南口镇、马池口镇、南邵镇、流村镇、小汤山镇、兴寿镇、崔村镇及百善镇共8镇55村，项目建设污水管网总长55 059 m。

管道埋深基本在3.0 m左右，最深位置管道埋深为4.5 m。由于工程主要位于村庄民房之间，施工空间狭小，不具备放坡条件，施工时需采取必要的防护措施。根据实际场地工程地质情况、施工空间分布条件及农村管网工程经验，选择适合的坑槽开挖防护体系，综合考虑坑槽两侧建筑物环境、开挖地段地勘报告和工程地质条件特点，依据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)有关规定，沟槽开挖支护结构安全等级按不低于三级考虑。

1.2 工程特点

农村污水处理工程施工的一个显著特点就是整个施工项目置于乡村街道环境中，大部分村落街道较窄，沟槽不具备开挖放坡的条件，给开挖及管道安装增加了难度。如果遇到开挖深度较深且地质条件差的地段，沟槽内施工安全需要重点关注，鉴于农村管网工程的显著特点，施工前对沟槽支护结构设计尤为重要。

2 考虑因素

2.1 安全性

管道沟槽开挖安全性是保证开挖作业时对临近建筑物、构筑物、路面的运行安全和使用；保证沟槽管道结构的安全施工空间[1]。确保沟槽开挖施工安全是支护结构设计的前提，也是沟槽工程施工安全进行的保障。施工前首先要了解掌握施工部位的水文地质条件，地下水压力、土压力等强度变化情况，根据不同压力变化和分类布置不同的支护形式。支护形式的安全保障程度要以确保指导现场安全施工为前提，太高的安全保障系数可以增加施工的安全性，但是相应的支护成本也会增加，施工进度也会减慢；太低的安全保障系数可以降低施工的支护成本，加快施工整体进度，但是对施工的安全保护性就会降低，发生事故的后果会很严重，衍生的其他损失会很大，整体评价确得不偿失。针对此种不同的方向，我们必须针对不同的条件采取不同的保障系数，以达到即能保障施工的安全系数，又能适当降低施工成本，加快施工速度，确定最优方案。

2.2 可行性

好的支护方案不但要安全可靠、经济性好，而且在施工现场要具备可行性。例如，板桩的支护很稳定，但在农村污水治理过程中，由于街巷较窄，机械无法施展，且打桩的振动也对周围的建筑物产生影响，致使方案无法进行。因此，可行性是检验支护方案的重要因素之一，设计前必须考虑。

2.3 经济性

经济性是项目管理的重要指标，在保证支护体系安全的前提下，必须考虑经济性。即将各支护方案按照基于成本的估算方法求出各种方案的优劣，然后对各方案进行比较分析，最终给出各备选方案的优劣[2]。

2.4 施工进度

支护体系的好坏制约着施工进度，施工进度是目标控制的重要指标之一，选择经济、合理、安全、可靠的支护体系是施工进度的保障。另外，不同时段的施工进度安排，对施工体系的设计也有影响，主要体现在气候和自然条件对支护体系的影响。例如，在雨季施工会比其他季节更为困难，所以尽量把支护施工安排在有利季节施工，以利于降低安全系数，从而降低成本。但无论如何，支护体系都要考虑外界条件的变化，以保证支护体系的有效性。

3 计算方法

受空间影响的沟槽开挖支护体系主要采用直槽+支护方式施工，包括钢板桩支护、钢木桩支护等。

为了计算简便，尽量用计算机和相关软件进行计算，这样可以进行多次计算、调试，进而选择最优方案。计算软件要选择成熟、正版、可靠性强的软件，计算软件要具备针对性、可操作性、数据传输与转化、计算结果准确性等特点。

3.1 设计流程

调查现场实际情况→资料准备(地质、水文、材料型号等)→参数设定→土压力初步计算→支护体系适配→结果输出→多次调整比选→校核→确定最优方案。

3.2 准备工作

1)准备地质水文资料岩土工程勘察报告(详勘阶段)。通过支护区域的地质剖面图(以区域内的钻孔最为适宜)，可以掌握土层变化情况；查阅水文资料，可以了解水位变化情况；通过《地层岩性及土的物理力学性质综合统计表》《土工试验成果报告》，可以获得土的重度、内摩擦角、黏聚力等参数，用以求得土压力及其压力作用点，并绘出压力分布图，进而进行支护设计。地质资料选取时，与相邻孔位地质情况进行对比，查看变换情况和差异。当实际地质条件与报告差别较大时，要重新补充勘探，以便获得更精确的地质资料。见图1。

图1 本区域地质剖面图

2)支护材料参数的获取。材料主要有木材、钢材等，材料的相关参数可以通过相关手册进行查询。

3.3 支护设计

根据工程设计的纵断面图，判别沟槽开挖的深度，然后读取《勘探点平面布置图》，找到相关联的工程地质剖面图，判读地层分情况，获取相关的计算参数，计算土压力，初步判断支护类型。

管道沟槽开挖支护型挡土板分为两种型式：第一种是竖直型；第二种是横平型。支护型挡土板可垂直放置，在施工时根据具体工程地质条件不同，使用时可分为连续支护或间隙支护。主要适用于沟槽位置砂性土、较松散土、湿度较高土等，地下水很少、深度为3～5 m。

3.3.1 基本参数

支护体系材料的选型应首先考虑库存材料。支护体系设计基本参数主要为：挡土板铺设方式为垂直铺设，挡土板间距100 mm，水平方向横撑间距1 000 mm，基坑开挖深度4.5 m，基坑开挖宽度1.5 m，结构重要性系数0.9(三级)，综合分项系数0.9(三级)，支撑设计按多次计算确定最优结果为竖向4道支撑，背楞距沟底距离为300、1 000、2 200和3 600。见表1。

表1 底层参数

3.3.2 主动土压力强度计算

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层土：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层土：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层土：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层土：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 挡土板强度计算

见表2。

表2 材料参数(挡土板)

临界土层的计算见图2-图4。

图2 计算简图

图3 弯矩图(单位：kN·m)

图4 剪力图(单位：kN)

临界深度：

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

满足要求。

Vk=1.014 kN

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

满足要求。

3.3.4 背楞计算

1)材料参数。见表3。

表3 材料参数(背楞)

2) 荷载计算。各背楞对挡土板作用的最大支座反力Rmax=1.074 kN，所以背楞的线荷载按以下公式计算：

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

3) 背楞按照三跨连续梁计算最大弯矩，计算公式如下：

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

满足要求。

4) 最大支座反力按以下公式计算：

R=1.1×q×l2=1.1×10.74×1=11.814 kN

3.3.5 横撑杆计算

1) 材料参数。见表4。

表4 材料参数(横撑杆)

2) 强度计算。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《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)，得φ=0.681

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

满足要求。

3.4 结果检查

结果检查是确保设计结果准确的重要环节，主要内容有基本参数、挡土板参数、背楞参数、横撑参数、土层参数、数据验算等。

1) 基本参数。主要有挡板铺设方式、挡土板间距、管沟开挖宽度、管沟开挖深度、背楞至沟底距离、结构重要性系数γ0、综合分项系数γF、竖直方向背楞根数等。

2) 材料参数。主要有挡土板参数、背楞参数、横撑参数等。

3) 土层参数。主要有土层名称、土层厚度(m)、土层内摩擦角φ(°)、土层重度γ(kN/m3)、黏聚力c(kPa)。

4) 数据验算。主要有挡土板验算(受弯应力、抗剪计算)、背楞验算(强度计算)、横撑验算(强度计算)。

4 现场施工

4.1 基本要求

管道沟槽开挖施工时，必须按照已批准的施工方案或专项施工方案进行施工。施工前，根据已批准的施工方案或施工组织设计对所有参建人员进行纸质交底，然后根据交底内容指导现场施工。专项施工方案必须指定专人对专项施工方案实施现场监督，并按规定进行相应监测[3]。

4.2 施工方法

管道沟槽开挖支护主要有两种形式：一种是开挖后支护；一种是边开挖边支护。开挖后支护方式主要是针对沟槽开挖深度较浅、地质条件良好的条件；边开挖边支护形式主要针对沟槽开挖深度较大或沟槽开挖深度不大但是开挖处地质条件差时采用的支护方式。施工时，根据现场实际条件选择采取适合的加固措施。下面就第二种(边开挖边支护形式)情形的施工工程进行阐述。

4.3 工艺流程

测量放线定位→沟槽挖槽土并及时下设挡土板→安装第一层横向支撑及水平支撑→挖槽土并及时下设挡土板→安装第二层横向支撑及水平支撑→监测→……直至设计标高→垫层施工→管道施工→土方分层回填→分层逐步拆除支撑。

4.4 安全监测

4.4.1 土方开挖的监控

沟槽开挖时，现场必须有技术人员和安全人员监督指挥，及时对沟槽开挖的深度、坡度、边坡坑壁进行监控量测，严禁出现超挖、扩挖。沟槽开挖时，支护工作紧跟其后，严禁在上一段支护工作未完成情况下提前进行下一阶段开挖工作，以免发生坍塌危险。

4.4.2 支护结构施工质量的监控

支护材料主要采用脚手架钢管和模板。对钢管脚手架和模板原材料及半成品应遵照相关要求的验收标准进行检验，主要内容有：①材料出厂合格证检查；②材料现场抽检；③强度等级检验。

4.4.3 支护结构的现场监测

沟槽开挖支护结构是否能达到防止沟槽变形、防止土坡坍塌作用，是保证安全施工的主要监测手段。安全监测主要监测支护结构变形、路面水平变形、路面垂直变形、临近建筑物变形等。当监测值超过报警值时应立即通知相关单位，分析原因，采取措施，防止事故的发生。

5 结 语

本文针对沟槽开挖的施工特点、支护设计应考虑的因素、支护设计的计算方法以及现场施工流程等进行了阐述。支护设计主要是根据施工开挖设计图纸所对应的地质情况进行设计，本文对地质参数的判读、选用、支护材料的选择与配置、安全指标的计算等通过实例进行了详细说明，也对现场施工方法进行了介绍，能够保证现场安全、降低成本，并取得了很好的实效。研究结果可为类似工程提供借鉴。