頂管工作坑可拆卸支護(hù)型式設(shè)計(jì)研究

王東會，馬孝春

(中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京100083)

1 概述

近年來，隨著頂管施工技術(shù)在地鐵施工、管道鋪設(shè)等非開挖工程中的廣泛應(yīng)用，工作坑作為頂管施工必不可少的組成部分，直接影響著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，其支護(hù)型式仍然集中在沉井、噴錨、鋼筋混凝土護(hù)壁、鉆孔灌注樁、鋼支撐等傳統(tǒng)的、大型基坑的支護(hù)型式上。而傳統(tǒng)支護(hù)型式存在很多局限性，應(yīng)用于市政工程中的小型工作坑勢必會提高工程成本、降低施工效率，并且其支護(hù)型式長存地下，還會對后續(xù)施工造成很大影響。為了解決這一難題，一種可拆卸的支護(hù)型式成為了科研工作者們追逐的核心，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)與北京隆科興非開挖工程有限公司采用了螺旋形預(yù)制鋼板拼接的方法組建了圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，該體系主要用于井深為5 m左右的工作井中，達(dá)到了拼接與拆裝的效果，實(shí)現(xiàn)了快速施工，節(jié)約工程成本的目的［1－2］。后來，黃學(xué)剛等在此基礎(chǔ)上，利用伸縮器連接研發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼接技術(shù)，使支護(hù)型式與坑內(nèi)土體進(jìn)一步接觸，避免了支護(hù)型式與土體間接觸不良的弊端［3］。雖然對于圓形工作坑可拆卸支護(hù)型式已有了一定的研究成果，但是對于矩形工作坑相應(yīng)的研究還很少，現(xiàn)存的支護(hù)型式大都建立在傳統(tǒng)支護(hù)型式的基礎(chǔ)上，回收率低［4－5］。因此，開發(fā)一套可拆卸支護(hù)型式，不但可以避免傳統(tǒng)施工工藝復(fù)雜的現(xiàn)狀，還可以節(jié)約材料、縮短工期、提高支護(hù)效率、弘揚(yáng)綠色支護(hù)的環(huán)境友好型支護(hù)理念，達(dá)到降低施工成本的目的。

本文介紹了一套可拆卸支護(hù)型式，力求拆裝方便快捷、安全可靠、通用性強(qiáng)。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1 基本原理

如圖1所示，該套支護(hù)型式主要由2部分組成，即空心立柱和背部帶有凸起的板材。其工作原理是先開挖0.5 m，然后用真空抽吸取土設(shè)備預(yù)先成孔，進(jìn)而將立柱通過傳力裝置和氣錘沉至設(shè)計(jì)深度。隨后隨挖隨支，每當(dāng)工作坑豎向作業(yè)空間達(dá)到0.6 m時(shí)，便將特制板材通過螺絲固定在立柱上，其連接方式如圖2所示。在拼裝過程中，特制板材背部凸起可刺入土體中與其形成統(tǒng)一體，增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中工作坑頂部0.5 m根據(jù)工程實(shí)際條件決定是否鋪設(shè)板材。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

圖2 連接方式

2．2 施工工藝

2．2．1 立柱的加工

立柱由帶有螺栓孔的空心棱柱和尖端焊接而成，如圖3所示。立柱采用Q235碳素鋼結(jié)構(gòu)，其空心棱柱外部結(jié)構(gòu)的截面尺寸為300 mm×300 mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的截面尺寸為150 mm×150 mm，高度為5000 mm;為便于支護(hù)體系的拼裝，其兩側(cè)交叉開孔，數(shù)量分別為20和30，直徑為52 mm;下端為長300 mm、寬300 mm、高150 mm的實(shí)心正八棱錐，其與空心棱柱通過焊接的方式連接而成，設(shè)計(jì)成尖端便于立柱的下沉，實(shí)心可有效防止立柱下沉過程中土體進(jìn)去空心棱柱中。該立柱可根據(jù)實(shí)際施工情況合理變化支護(hù)尺寸。

2．2．2 傳力裝置加工

傳力裝置由2個(gè)旋轉(zhuǎn)扣件和長約1 m的鋼管組成。將傳力鋼管扣到旋轉(zhuǎn)扣件的一端，將立柱扣到扣件的另一端，兩扣件間距0.2 m左右，如圖4所示。

圖3 立柱

圖4 傳力裝置

2．2．3 特制板材的加工

特制板材由螺栓孔、焊接在背部的螺母和背部凸起構(gòu)成，如圖5所示，支撐板材本身采用Q235碳素鋼結(jié)構(gòu)，尺寸為5000 mm×500 mm×20 mm。為便于連接開孔分為2種型式，分別為兩孔和三孔。兩孔板材孔間距為200 mm，三孔板材孔間距為100 mm。支撐板材背部螺栓孔處預(yù)先將起連接作用的M52螺母用焊接的方式固定，M52螺母的尺寸應(yīng)用國家標(biāo)準(zhǔn)——《六角螺母C級》統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。背部設(shè)有錐形尖端，頂部為40 mm的圓外接正六邊形，底部為80mm的圓外接正六邊形，凸起高為100 mm，5個(gè)凸起呈正弦曲線均勻排列于板材上。

圖5 特制板材

2．2．4 工作坑開挖0.5 m

對于小型工作坑，由于其開挖面積小，開挖過程中引起土體的應(yīng)力釋放對土體自立能力影響較小，對于0.5 m以內(nèi)的工作坑一般不需要支護(hù)。

2．2．5 立柱沉入到設(shè)計(jì)深度

(1)將傳力裝置扣到立柱上，距離開挖面1 m左右的位置。

(2)用氣錘錘擊傳力鋼管頂端，使立柱沉入土層。在錘擊過程中，應(yīng)時(shí)刻觀察傳力鋼管與地面的角度，確保立柱的豎直下沉。

(3)當(dāng)傳力裝置接近開挖面時(shí)，停止錘擊，松開扣在立柱一側(cè)的扣件，將傳力裝置上移。

(4)重復(fù)步驟(1)～(3)，直至將立柱沉入到設(shè)計(jì)深度。

按上述方法將其余3根立柱沉入到相應(yīng)位置。

2．2．6 鋪設(shè)圈梁，固定4根立柱

2．2．7 開挖

沿開挖面繼續(xù)開挖，每開挖0.5 m將相應(yīng)特制板材固定到立柱的相應(yīng)位置上，直至設(shè)計(jì)深度。

2．2．8 頂管進(jìn)出洞口設(shè)計(jì)

(1)穿墻出坑。管道軸線方向控制和頂進(jìn)受工具管方向的影響，施工過程中需要考慮穿墻管強(qiáng)度、剛度、施工方便快捷等因素。

(2)進(jìn)出洞口措施。進(jìn)出洞過程中，需要依據(jù)洞口的土質(zhì)情況采取相應(yīng)的加固措施。加固的方式可采取高壓旋噴樁、攪拌樁、壓密注漿、凍結(jié)等技術(shù)措施。

為順利實(shí)施進(jìn)出洞口工序，需根據(jù)土質(zhì)條件或工具管的形式選擇洞口的封門樣式。在使用工具管的手掘式頂管或全斷面切削的掘進(jìn)機(jī)中，可采用低強(qiáng)度等級混凝土對洞口砌一堵磚封門。當(dāng)出洞時(shí)，可用工具管直接把磚封門擠倒或用刀盤慢慢地將磚封門切削掉。進(jìn)洞時(shí)也同樣把接收坑中的磚封門擠倒或切削掉。必要時(shí)也可使用鋼封門輔助出洞。

其具體施工工藝流程如圖6所示，其在工作坑中的應(yīng)用效果如圖7所示。

圖6 施工工藝流程圖

2．3 尺寸設(shè)計(jì)

頂管施工反力需后座墻承受，施工過程中需單獨(dú)進(jìn)行后座擋墻的設(shè)計(jì)，此過程不考慮其作用［3］。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

2．3．1 立柱截面尺寸

在工作坑開挖過程中，立柱不斷暴露出來，其受力形式和護(hù)坡樁有相似之處，在尺寸設(shè)計(jì)過程中將其簡化為懸臂樁。使用簡化等值梁法［6］計(jì)算其所承受的最大彎矩，其基本計(jì)算原理如圖8所示。

圖8 簡化等值梁法計(jì)算原理

(1)反彎點(diǎn)(接近土壓力為零的點(diǎn)):

式中:ea——立柱所受主動土壓力，kN;ep——立柱所受被動土壓力，kN。

即:

式中:eb——值為(q+ γh)Ka。

(2)圈梁受力Ra和剪力Q0為:

(3)有效嵌固深度為:

(4)求最大彎矩:

最大彎矩點(diǎn)即剪力為零點(diǎn):

立柱的截面如圖9所示，其截面最大正應(yīng)力為:

式中:I——截面慣性矩，I=(BH3－ bh3)/12，m4;B、H——分別為立柱外邊長、高，m;b、h——分別為立柱內(nèi)邊長、高，m;ymax——立柱中心到上表面的距離，其值為 H/2，m。

其截面慣性矩為:

立柱截面尺寸可根據(jù)式(13)確定。

圖9 立柱截面

2．3．2 板材厚度

如圖10所示，假設(shè)支護(hù)型式與土的接觸面直立、光滑，填土面水平。支護(hù)結(jié)構(gòu)在土壓力的作用下背離填土向外移動，這時(shí)土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)，即朗肯主動狀態(tài)。

圖10 朗肯主動土壓力計(jì)算

在墻后土體表面下深度Z處，朗肯主動土壓力強(qiáng)度理論計(jì)算公式［7］為:

式中:q——填土表面作用的荷載，kPa;γ——土的重度，kN/m3;c——土的粘聚力，kPa;φ——土的內(nèi)摩擦角，(°);Z——計(jì)算點(diǎn)深度，m;Ka——主動土壓力系數(shù)，Ka=tan2(45°－φ/2)。

主動土壓力pa沿深度Z呈直線分布(如圖10所示)，作用在支護(hù)型式上單位長度的主動土壓力Ea即為pa分布圖形的面積，其作用點(diǎn)位置在分布圖形的形心處，即:

當(dāng)Z=0時(shí):

計(jì)算支護(hù)型式的主動土壓力時(shí)，不考慮拉力區(qū)的作用，即:

其中，Eai作用于距工作坑底面的高度:

當(dāng)Z=Zi時(shí)，即第i層支護(hù)型式受到的土壓力:

作用點(diǎn)距支護(hù)型式頂端的距離:

特制板材兩端固定在立柱上，其受力形式以簡支梁的理論進(jìn)行計(jì)算，如圖11所示，第i層板材受到的最大彎矩為:

式中:l——板材的長度，m。

圖11 土壓力作用下的特制板材

最大彎曲正應(yīng)力:

式中:［σ］——材料的允許彎曲正應(yīng)力，kPa。

因此，確定板材的厚度h為:

3 算例分析

3．1 工程概況

某工作坑平面尺寸為5 m×5 m，開挖深度為5 m，地下水位距地面10.1 m，各層土的物理參數(shù)如表1所示。路面荷載折算系數(shù)等效均布荷載取為20 kPa。特制板材使用Q235的鋼板，［σ］=150 MPa。其中立柱的允許正應(yīng)力值取為板材允許正應(yīng)力值的80%。土體的彈性模量EX1=5 GPa，泊松比PRXY1為0.4，膨脹角φf取為20°。其中立柱的彈性模量EX2=220 GPa，泊松比PRXY2=0.3，上部作用荷載為500 MPa。

表1 垂直土壓力地層各物理指標(biāo)

3．2 側(cè)向荷載計(jì)算

施工過程中地下水位埋藏較深，對工作坑實(shí)際影響可以忽略不計(jì)。為簡化計(jì)算，采用土壓力的加權(quán)平均值。

各層土的平均重度:

各層土的平均內(nèi)摩擦角:

各層土的平均粘聚力:

由于中粗砂層土的粘聚力和其他3層相差較大，因此在此過程中對平均粘聚力的計(jì)算值進(jìn)行修正，取為20 kPa。

其土壓力計(jì)算值及其作用點(diǎn)的位置如表2所示。

3．3 立柱尺寸的確定

根據(jù)公式(2)有:

被動土壓力系數(shù):

表2 側(cè)向土壓力及其作用位置匯總

主動側(cè)土壓力:

主動土壓力為零的點(diǎn)距工作坑頂部的距離h0:

主動土壓力作用點(diǎn)的位置距離工作坑頂部的距離ha:

對O點(diǎn)取距，得圈梁受力為:

對立柱頂點(diǎn)取距:

對立柱底端取距:

立柱長度:

剪力為零的點(diǎn)距工作坑頂部距離為l0:

每延米上的彎矩為:

最大彎矩為:

其截面慣性矩為:

結(jié)合上述計(jì)算值，立柱可選為設(shè)計(jì)尺寸，即邊長300 mm，壁厚為75 mm。

3．4 板材尺寸的確定

根據(jù)表2土壓力及其作用位置的計(jì)算值，代入公式(18)～(22)，確定對應(yīng)土層的板材厚度，其計(jì)算值如表3所示。

表3 特制板材尺寸計(jì)算統(tǒng)計(jì)

板材尺寸設(shè)計(jì)可以根據(jù)計(jì)算值逐層確定，確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最大限度的節(jié)省工程材料，節(jié)約工程造價(jià)。

綜上，在板材及立柱尺寸設(shè)計(jì)過程中，其截面尺寸無過大等不符合實(shí)際的情形，因此可以驗(yàn)證該套支護(hù)型式的實(shí)際可操作性。

4 結(jié)語

該套可拆卸支護(hù)型式能夠很好彌補(bǔ)傳統(tǒng)工作坑支護(hù)型式的不足，具有廣闊的應(yīng)用前景。但其理論研究及工程應(yīng)用還處于初級階段。本文對于該套支護(hù)型式的設(shè)計(jì)流程、施工工藝、理論研究等方面進(jìn)行了初探，旨在拋磚引玉，得到的主要結(jié)論有:

(1)該套支護(hù)型式主要包括立柱和特制板材兩部分，立柱的沉入可根據(jù)實(shí)際工程條件選擇合適的沉入方式。傳力裝置的引進(jìn)簡化了施工工序，立柱的分段沉入，可以很好的控制立柱的垂直度，提高了施工質(zhì)量。

(2)工作坑開挖過程中，立柱逐漸露出土層，計(jì)算立柱尺寸時(shí)可將其計(jì)算理論簡化為懸臂樁，計(jì)算過程簡便，容易操作。

(3)特制板材背部凸起刺入土體，可與周圍土體形成統(tǒng)一體，在支擋工作坑周圍土體的同時(shí)，周圍土體對板材可起到固定的作用，可避免其上下及左右移動。

(4)通過工程實(shí)例驗(yàn)算，可以確定其板材厚度在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該套支護(hù)型式在小型工作坑應(yīng)用中的可操作性。

(5)該套支護(hù)型式設(shè)計(jì)簡單，裝拆過程中無需大型的施工設(shè)備，避免了傳統(tǒng)施工工藝的復(fù)雜性，施工方便快捷，施工周期短;板材的選取采取分層計(jì)算的方式逐步確定板材厚度，節(jié)約工程材料，有效地避免了工程材料的浪費(fèi)，降低了工程成本，對周圍環(huán)境影響小，在小型工作坑的支護(hù)應(yīng)用中具有廣闊的前景。

［1］ 孫景軍．可重復(fù)利用工作井支護(hù)技術(shù)研究［D］．北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2012．

［2］ YANG Yuyou，LU Jianguo，HUANG Xuegang，et al．Sensor monitoring of a newly designed foundation pit supporting［J］．J．Cent．South Univ．，2013，(20):1064 －1070．

［3］ 黃學(xué)剛．小直徑圓形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能分析［D］．北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2013．

［4］ 李錫銀．定閾式可回收錨索在基坑支護(hù)中的應(yīng)用［J］．中國水運(yùn)(下半月)，2008，(9):93．

［5］ 劉全林．可回收旋噴攪拌加勁樁錨固件設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．施工技術(shù)，2013，(13):18 －23．

［6］ 張駿．橋梁深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰受力分析與應(yīng)用［J］．橋梁建設(shè)，2012，42(5):74 －81．

［7］ 韓立業(yè)，陳道政．對粘性土朗肯主動土壓力理論中一個(gè)應(yīng)力的釋疑［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(12):1901 －1902．

［8］ 楊轉(zhuǎn)運(yùn)．超淺層頂管工作井建井技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(11):71－73．