基槽自動擋板的發(fā)明探析

鄒進(jìn)昭 張芝

摘要：文章簡述了基槽自動擋板的發(fā)明過程，詳細(xì)講解了自動擋板的設(shè)計原理、組裝和使用方法，介紹了基本參數(shù)的計算方法和設(shè)計參數(shù)的驗算以及自動擋板的適用范圍、優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：排水管道；基槽；自動擋板；支護(hù)

中圖分類號：TU62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0012-03

經(jīng)多年在阿爾及利亞從事城市排水施工項目的管理與技術(shù)工作，在施工中總結(jié)濱海城市工程地質(zhì)與水文地質(zhì)的施工特點的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新使用了基槽自動擋板技術(shù)，并在多個項目中實施、改進(jìn)完善。

自動擋板主要適用于城市排水管道安裝施工；施工場地?zé)o障礙或較少時，可采用自動整體擋板。適用于松散土層及淤泥等易發(fā)生流沙、坍塌的軟土地層，地下水位以下尤其適用，特別是解決了城市舊有管線復(fù)雜的難題。該工藝節(jié)省了大量人工，提高了施工效率，減少了材料損耗，從多方面降低了成本。

1 設(shè)計原理及使用方法

1.1 設(shè)計原理

針對城市管道施工的特點，要求自動擋板具有以下特點：結(jié)構(gòu)簡單，制造加工容易，造價低；體積不是特別大，可現(xiàn)場組裝，滿足在城市街道施工的條件，符合管道施工的快速轉(zhuǎn)移的特點；支擋板組合安裝方便、靈活，滿足遇障礙物時調(diào)整位置；設(shè)計靈活，可根據(jù)不同施工條件制造不同型號。

綜合考慮管道施工與隧道施工有其相同性與差異性，因此著重考慮了盾構(gòu)機(jī)的工作原理，并結(jié)合組合模板的施工特點，設(shè)計了自動組合擋板。盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進(jìn)邊對土壤進(jìn)行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時支撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。組合鋼模板適用于各種現(xiàn)澆鋼筋混凝土工程，可事先按設(shè)計要求組拼成大型模板，整體吊裝就位，也可采用散裝散拆方法，施工方便，通用性強(qiáng)，易拼裝，周轉(zhuǎn)次數(shù)多。

自動擋板相較于盾構(gòu)機(jī)具有以下不同點：體積小得多，動力小；斷面形狀為方形而不為圓形，頂面敞開，不具有封閉性；掘進(jìn)與排土系統(tǒng)也是分開的，由地面挖掘機(jī)完成掘進(jìn)。主要功能是穩(wěn)定開挖面。

1.2 組裝方法

自動擋板主要由整體部分、組裝板、橫梁、雙絲桿內(nèi)支撐、液壓推進(jìn)裝置五部分組成。整體部分處于擋板下部，兩側(cè)擋板與支撐連接成整體，高度由場地主要障礙物埋深情況確定。上部用組裝板拼裝，便于遇障礙物時拆除、轉(zhuǎn)用。整體部分與組裝板連接采用插槽，便于快速拆除與安裝。內(nèi)支撐采用雙螺旋絲桿（或液壓缸）。推進(jìn)裝置由墊板、液壓缸、液壓泵組成。

根據(jù)施工場地條件，自動擋板可設(shè)計為整體式或現(xiàn)場組裝兩種模式。根據(jù)工程地質(zhì)條件，當(dāng)?shù)貙泳哂幸欢ㄗ苑€(wěn)能力時，開挖至設(shè)計深度后安裝自動擋板整體部分；當(dāng)?shù)貙油耆痪哂凶苑€(wěn)能力時，開挖1～2m后放入整體部分，然后邊挖邊沉入，直至設(shè)計深度。整體部分安裝完畢后，根據(jù)上部障礙物情況，將上部組裝板排列安裝在下部整體部分的插槽內(nèi)；組裝板安裝完畢后，在卡槽內(nèi)安裝橫梁、內(nèi)支撐桿，根據(jù)基槽寬度調(diào)整雙絲內(nèi)支撐長度。最后安裝伸縮液壓缸，液壓缸一端連接在整體部分隔板，活動端頂住已安裝的管道口墊板。

1.3 使用方法

基槽開挖一定長度后安裝自動擋板，清理基槽至設(shè)計要求后安裝管道，第1根管道安裝后，夯實回填到要求標(biāo)高，用開挖機(jī)械牽引移動支擋板；當(dāng)安裝2～3根管道后，管道外表面與填土具有較大抗摩擦阻力時，活動端支承在已安裝的管口端，管口安裝專用墊板。此后隨基槽開挖方向，依靠液壓缸頂進(jìn)擋板，跟進(jìn)開挖支護(hù)基槽兩側(cè)土壁，保持短時土壁穩(wěn)定，保證管道安裝質(zhì)量與施工安全；掘進(jìn)空間滿足單根管子的長度后，縮進(jìn)液壓缸，安裝管子；然后再重復(fù)前面操作，周而復(fù)始，直至一線段結(jié)束后轉(zhuǎn)移至下一施工面。如推進(jìn)阻力較大、推進(jìn)動力不足時，可部分拆除上部組合擋板，或在擋板與土壁接觸面涂抹黃油，減小摩擦阻力。當(dāng)遇到較小障礙物橫穿基槽時，可拆除上部前方組合擋板，隨著推進(jìn)轉(zhuǎn)至障礙物后方繼續(xù)使用。

2 基本參數(shù)計算

2.1 擋板側(cè)向土壓力

由于管道施工速度較快，短時間內(nèi)，土體總有一定自穩(wěn)能力，并不是立即處于極限平衡狀態(tài)或失穩(wěn)狀態(tài)，擋板所受土壓力小于主動土壓力，按郎肯主動土壓理論計算，并取0.5～0.8的折減系數(shù)。

計算公式：

E=×H2×γ×ka×β

式中：

H——基槽開挖深度

γ——土天然重度

ka——郎肯主動土壓力系數(shù)

β——折減系數(shù)

2.2 內(nèi)支撐軸向壓力

實際為超靜定平衡條件，為簡化計算，將支撐桿視為支座，土壓力視為線性非均布荷載的簡支梁，按靜力平衡與彎矩等值法計算。

2.3 擋板彎矩

實際受力較為復(fù)雜，為簡化計算，將支撐桿視為支座，土壓力視為線性非均布荷載的簡支梁。

計算公式：

M=q0×l×-q0×x3×

式中：

M——任一截面處彎矩值

q0——兩支撐之間土壓力最大值，取正值

l——支座之間長度

x——距支座反力較小端的距離

2.4 推進(jìn)阻力

推進(jìn)阻力主要來自側(cè)向土壓力對擋板產(chǎn)生的摩擦阻力。

計算公式：

F=2×L×E×μ

式中：

μ——擋板與土壁之間摩擦系數(shù)，通過現(xiàn)場實驗統(tǒng)計，取0.1～0.2

2.5 管道接觸面抗壓承載力

鋼筋混凝土管材強(qiáng)度等級達(dá)到C20以上時，管道端口能滿足頂進(jìn)承壓要求。執(zhí)行《混凝土和鋼筋混凝土排水管》（GB/T11836-19999）的管材，常用的Ⅰ、Ⅱ鋼筋混凝土管的抗壓強(qiáng)度達(dá)到C20，已具有足夠的強(qiáng)度，通常不需要進(jìn)行驗算，當(dāng)單管長度超過4m時，可根據(jù)需要驗算。

計算公式：

F=P×S

式中：

P——管材標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度，通常大于C20，即大于20N/mm2

S——承壓面積，取管壁截面積

3 設(shè)計參數(shù)

3.1 自動擋板尺寸確定

3.1.1 長度確定，根據(jù)單根管長確定：

L=L1+L2+L3+L4

式中：

L——整體部分總長，不宜大于7.0mL

L1——保護(hù)段長度，通常取0.8mL

L2——安裝段長度，通常取單根管長加適當(dāng)安裝，一般不大于4.0mL

L3——液壓推進(jìn)裝置長度，通常取0.5～0.8mL

L4——掘進(jìn)端擋板長度，通常取1.5mL

3.1.2 高度確定，根據(jù)開挖基槽確定：組合擋板高度，通常采用2.0～2.5m；固定部分高度通常取2.0m；總高不大于4.5m。

3.1.3 寬度確定，根據(jù)管道直徑確定：

B=D+2×b

式中：

B——擋板間凈寬

D——管道外徑

b——施工工作寬度，取30～40cm

3.2 擋板、支撐桿截面驗算

3.2.1 擋板截面抗彎驗算：

W≥Mmax/[δ]

式中：

W——抗彎截面模量

Mmax——彎矩最大值

[δ]——材料許用應(yīng)力

3.2.2 支撐桿穩(wěn)定驗算：

臨界荷載：

Pcr=π2EI/（μl）2（歐拉公式）

式中：

E——彈性模量

I——慣性矩

μ——長度系數(shù)，參考材料力學(xué)取值，兩端固定時取0.5

l——長度

穩(wěn)定條件：

P≤Pcr/nst

式中：

P——撐桿軸向壓力

Pcr——臨界荷載

nst——穩(wěn)定安全系數(shù)，參考材料力學(xué)，取1.8～3

3.3 推進(jìn)裝置參數(shù)選擇

液壓缸壓力，根據(jù)計算的推進(jìn)阻力，選擇相應(yīng)的液壓推力設(shè)備，并取1.3～1.5的系數(shù)。通常不小于300t。

4 設(shè)計說明

設(shè)計以深度為4.5m作為計算依據(jù)，具體工程可根據(jù)前面給定的計算及驗算公式，自行調(diào)整。

（1）結(jié)構(gòu)材料除絲杠外均為普通鋼。

（2）整體部分面板厚3mm，豎向加勁肋10×50mm，間距250mm。

（3）組裝板面板厚3mm，豎向加勁肋6×50mm，間距250mm；組裝板下部插入端用20mm加厚鋼板。

（4）橫梁用“工”型鋼、6×12mm兩道。

（5）內(nèi)支撐采用Φ68mm雙絲杠（或液壓缸），支撐墊板厚20mm，有利于靈活調(diào)節(jié)寬度，充分利用，節(jié)省材料與成本，提高工作效率；同時，當(dāng)發(fā)生土壓力特別大，造成推進(jìn)困難時，可以適當(dāng)調(diào)小寬度，減小土壓力。

（6）液壓缸與液壓泵推力不小于300t；固定端墊板厚30mm；支撐架由工字鋼焊接而成；管口端墊板保護(hù)套由8mm鋼板制成。

5 解決的問題

自動擋板有效解決了在松散土層及淤泥等易發(fā)生流沙、坍塌的軟土地層的城市排水管道施工的基槽臨時支護(hù)高成本的問題，且方便易行、效率高。由于基槽自動擋板其結(jié)構(gòu)的下部是整體，有效解決了擋板法封閉性差的問題，同時也提高了支護(hù)的穩(wěn)定性，減少了施工安全隱患；由于其依靠液壓裝置自動推進(jìn)，有效解決了組合擋板的費時費工、施工速度較慢的問題。

參考文獻(xiàn)

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[3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007.

作者簡介：鄒進(jìn)昭（1976—），男（仡佬族），貴州務(wù)川人，河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院工程師，研究方向：礦山地質(zhì)環(huán)境治理；張芝（1983—），女，山西平遙人，供職于河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，研究方向：環(huán)境治理工程技術(shù)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）