溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊 林，馬 帥，高 旭

(北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206)

支護(hù)結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)綜合考慮基坑深度、管道埋深、土的性狀及地下水條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝的可行性、施工場(chǎng)地條件及施工季節(jié)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)保性能以及施工工期等因素。街道支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)地質(zhì)水文、空間環(huán)境、開(kāi)槽深度等選擇采用直槽+支護(hù)方式施工，包括鋼板樁支護(hù)、鋼木樁支護(hù)等。本文針對(duì)昌平區(qū)2017年“城鎮(zhèn)帶村”污水管網(wǎng)工程的施工進(jìn)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(xiàng)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(xiàng)目建設(shè)污水管網(wǎng)總長(zhǎng)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(shí)需采取必要的防護(hù)措施。根據(jù)實(shí)際場(chǎng)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(yàn)，選擇適合的坑槽開(kāi)挖防護(hù)體系，綜合考慮坑槽兩側(cè)建筑物環(huán)境、開(kāi)挖地段地勘報(bào)告和工程地質(zhì)條件特點(diǎn)，依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)有關(guān)規(guī)定，溝槽開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)按不低于三級(jí)考慮。

1.2 工程特點(diǎn)

農(nóng)村污水處理工程施工的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是整個(gè)施工項(xiàng)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(kāi)挖放坡的條件，給開(kāi)挖及管道安裝增加了難度。如果遇到開(kāi)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(diǎn)關(guān)注，鑒于農(nóng)村管網(wǎng)工程的顯著特點(diǎn)，施工前對(duì)溝槽支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

2 考慮因素

2.1 安全性

管道溝槽開(kāi)挖安全性是保證開(kāi)挖作業(yè)時(shí)對(duì)臨近建筑物、構(gòu)筑物、路面的運(yùn)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(kāi)挖施工安全是支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，也是溝槽工程施工安全進(jìn)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(qiáng)度變化情況，根據(jù)不同壓力變化和分類布置不同的支護(hù)形式。支護(hù)形式的安全保障程度要以確保指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)的支護(hù)成本也會(huì)增加，施工進(jìn)度也會(huì)減慢；太低的安全保障系數(shù)可以降低施工的支護(hù)成本，加快施工整體進(jìn)度，但是對(duì)施工的安全保護(hù)性就會(huì)降低，發(fā)生事故的后果會(huì)很?chē)?yán)重，衍生的其他損失會(huì)很大，整體評(píng)價(jià)確得不償失。針對(duì)此種不同的方向，我們必須針對(duì)不同的條件采取不同的保障系數(shù)，以達(dá)到即能保障施工的安全系數(shù)，又能適當(dāng)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(hù)方案不但要安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好，而且在施工現(xiàn)場(chǎng)要具備可行性。例如，板樁的支護(hù)很穩(wěn)定，但在農(nóng)村污水治理過(guò)程中，由于街巷較窄，機(jī)械無(wú)法施展，且打樁的振動(dòng)也對(duì)周?chē)慕ㄖ锂a(chǎn)生影響，致使方案無(wú)法進(jìn)行。因此，可行性是檢驗(yàn)支護(hù)方案的重要因素之一，設(shè)計(jì)前必須考慮。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性是項(xiàng)目管理的重要指標(biāo)，在保證支護(hù)體系安全的前提下，必須考慮經(jīng)濟(jì)性。即將各支護(hù)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(duì)各方案進(jìn)行比較分析，最終給出各備選方案的優(yōu)劣[2]。

2.4 施工進(jìn)度

支護(hù)體系的好壞制約著施工進(jìn)度，施工進(jìn)度是目標(biāo)控制的重要指標(biāo)之一，選擇經(jīng)濟(jì)、合理、安全、可靠的支護(hù)體系是施工進(jìn)度的保障。另外，不同時(shí)段的施工進(jìn)度安排，對(duì)施工體系的設(shè)計(jì)也有影響，主要體現(xiàn)在氣候和自然條件對(duì)支護(hù)體系的影響。例如，在雨季施工會(huì)比其他季節(jié)更為困難，所以盡量把支護(hù)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(wú)論如何，支護(hù)體系都要考慮外界條件的變化，以保證支護(hù)體系的有效性。

3 計(jì)算方法

受空間影響的溝槽開(kāi)挖支護(hù)體系主要采用直槽+支護(hù)方式施工，包括鋼板樁支護(hù)、鋼木樁支護(hù)等。

為了計(jì)算簡(jiǎn)便，盡量用計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算，這樣可以進(jìn)行多次計(jì)算、調(diào)試，進(jìn)而選擇最優(yōu)方案。計(jì)算軟件要選擇成熟、正版、可靠性強(qiáng)的軟件，計(jì)算軟件要具備針對(duì)性、可操作性、數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)化、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性等特點(diǎn)。

3.1 設(shè)計(jì)流程

調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況→資料準(zhǔn)備(地質(zhì)、水文、材料型號(hào)等)→參數(shù)設(shè)定→土壓力初步計(jì)算→支護(hù)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(zhǔn)備工作

1)準(zhǔn)備地質(zhì)水文資料巖土工程勘察報(bào)告(詳勘階段)。通過(guò)支護(hù)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(guò)《地層巖性及土的物理力學(xué)性質(zhì)綜合統(tǒng)計(jì)表》《土工試驗(yàn)成果報(bào)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(diǎn)，并繪出壓力分布圖，進(jìn)而進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。地質(zhì)資料選取時(shí)，與相鄰孔位地質(zhì)情況進(jìn)行對(duì)比，查看變換情況和差異。當(dāng)實(shí)際地質(zhì)條件與報(bào)告差別較大時(shí)，要重新補(bǔ)充勘探，以便獲得更精確的地質(zhì)資料。見(jiàn)圖1。

圖1 本區(qū)域地質(zhì)剖面圖

2)支護(hù)材料參數(shù)的獲取。材料主要有木材、鋼材等，材料的相關(guān)參數(shù)可以通過(guò)相關(guān)手冊(cè)進(jìn)行查詢。

3.3 支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程設(shè)計(jì)的縱斷面圖，判別溝槽開(kāi)挖的深度，然后讀取《勘探點(diǎn)平面布置圖》，找到相關(guān)聯(lián)的工程地質(zhì)剖面圖，判讀地層分情況，獲取相關(guān)的計(jì)算參數(shù)，計(jì)算土壓力，初步判斷支護(hù)類型。

管道溝槽開(kāi)挖支護(hù)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(hù)型擋土板可垂直放置，在施工時(shí)根據(jù)具體工程地質(zhì)條件不同，使用時(shí)可分為連續(xù)支護(hù)或間隙支護(hù)。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(hù)體系材料的選型應(yīng)首先考慮庫(kù)存材料。支護(hù)體系設(shè)計(jì)基本參數(shù)主要為：擋土板鋪設(shè)方式為垂直鋪設(shè)，擋土板間距100 mm，水平方向橫撐間距1 000 mm，基坑開(kāi)挖深度4.5 m，基坑開(kāi)挖寬度1.5 m，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0.9(三級(jí))，綜合分項(xiàng)系數(shù)0.9(三級(jí))，支撐設(shè)計(jì)按多次計(jì)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(jiàn)表1。

表1 底層參數(shù)

3.3.2 主動(dòng)土壓力強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度計(jì)算

見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)(擋土板)

臨界土層的計(jì)算見(jiàn)圖2-圖4。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)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(jì)算

1)材料參數(shù)。見(jiàn)表3。

表3 材料參數(shù)(背楞)

2) 荷載計(jì)算。各背楞對(duì)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(jì)算：

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

3) 背楞按照三跨連續(xù)梁計(jì)算最大彎矩，計(jì)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(jì)算：

R=1.1×q×l2=1.1×10.74×1=11.814 kN

3.3.5 橫撐桿計(jì)算

1) 材料參數(shù)。見(jiàn)表4。

表4 材料參數(shù)(橫撐桿)

2) 強(qiáng)度計(jì)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(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(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)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(yàn)算等。

1) 基本參數(shù)。主要有擋板鋪設(shè)方式、擋土板間距、管溝開(kāi)挖寬度、管溝開(kāi)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(xiàng)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(yàn)算。主要有擋土板驗(yàn)算(受彎應(yīng)力、抗剪計(jì)算)、背楞驗(yàn)算(強(qiáng)度計(jì)算)、橫撐驗(yàn)算(強(qiáng)度計(jì)算)。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工

4.1 基本要求

管道溝槽開(kāi)挖施工時(shí)，必須按照已批準(zhǔn)的施工方案或?qū)ｍ?xiàng)施工方案進(jìn)行施工。施工前，根據(jù)已批準(zhǔn)的施工方案或施工組織設(shè)計(jì)對(duì)所有參建人員進(jìn)行紙質(zhì)交底，然后根據(jù)交底內(nèi)容指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。專項(xiàng)施工方案必須指定專人對(duì)專項(xiàng)施工方案實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，并按規(guī)定進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)測(cè)[3]。

4.2 施工方法

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

4.3 工藝流程

測(cè)量放線定位→溝槽挖槽土并及時(shí)下設(shè)擋土板→安裝第一層橫向支撐及水平支撐→挖槽土并及時(shí)下設(shè)擋土板→安裝第二層橫向支撐及水平支撐→監(jiān)測(cè)→……直至設(shè)計(jì)標(biāo)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(cè)

4.4.1 土方開(kāi)挖的監(jiān)控

溝槽開(kāi)挖時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)必須有技術(shù)人員和安全人員監(jiān)督指揮，及時(shí)對(duì)溝槽開(kāi)挖的深度、坡度、邊坡坑壁進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，嚴(yán)禁出現(xiàn)超挖、擴(kuò)挖。溝槽開(kāi)挖時(shí)，支護(hù)工作緊跟其后，嚴(yán)禁在上一段支護(hù)工作未完成情況下提前進(jìn)行下一階段開(kāi)挖工作，以免發(fā)生坍塌危險(xiǎn)。

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

支護(hù)材料主要采用腳手架鋼管和模板。對(duì)鋼管腳手架和模板原材料及半成品應(yīng)遵照相關(guān)要求的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，主要內(nèi)容有：①材料出廠合格證檢查；②材料現(xiàn)場(chǎng)抽檢；③強(qiáng)度等級(jí)檢驗(yàn)。

4.4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

溝槽開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)是否能達(dá)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(cè)手段。安全監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)支護(hù)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(dāng)監(jiān)測(cè)值超過(guò)報(bào)警值時(shí)應(yīng)立即通知相關(guān)單位，分析原因，采取措施，防止事故的發(fā)生。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)溝槽開(kāi)挖的施工特點(diǎn)、支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素、支護(hù)設(shè)計(jì)的計(jì)算方法以及現(xiàn)場(chǎng)施工流程等進(jìn)行了闡述。支護(hù)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)施工開(kāi)挖設(shè)計(jì)圖紙所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文對(duì)地質(zhì)參數(shù)的判讀、選用、支護(hù)材料的選擇與配置、安全指標(biāo)的計(jì)算等通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，也對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工方法進(jìn)行了介紹，能夠保證現(xiàn)場(chǎng)安全、降低成本，并取得了很好的實(shí)效。研究結(jié)果可為類似工程提供借鑒。