基槽自動擋板的發明探析

鄒進昭 張芝

摘要：文章簡述了基槽自動擋板的發明過程，詳細講解了自動擋板的設計原理、組裝和使用方法，介紹了基本參數的計算方法和設計參數的驗算以及自動擋板的適用范圍、優點。

關鍵詞：排水管道；基槽；自動擋板；支護

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

經多年在阿爾及利亞從事城市排水施工項目的管理與技術工作，在施工中總結濱海城市工程地質與水文地質的施工特點的基礎上，創新使用了基槽自動擋板技術，并在多個項目中實施、改進完善。

自動擋板主要適用于城市排水管道安裝施工；施工場地無障礙或較少時，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雜的難題。該工藝節省了大量人工，提高了施工效率，減少了材料損耗，從多方面降低了成本。

1 設計原理及使用方法

1.1 設計原理

針對城市管道施工的特點，要求自動擋板具有以下特點：結構簡單，制造加工容易，造價低；體積不是特別大，可現場組裝，滿足在城市街道施工的條件，符合管道施工的快速轉移的特點；支擋板組合安裝方便、靈活，滿足遇障礙物時調整位置；設計靈活，可根據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機的工作原理，并結合組合模板的施工特點，設計了自動組合擋板。盾構機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邊對土壤進行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護盾，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、襯砌等作業在護盾的掩護下進行。組合鋼模板適用于各種現澆鋼筋混凝土工程，可事先按設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，易拼裝，周轉次數多。

自動擋板相較于盾構機具有以下不同點：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；掘進與排土系統也是分開的，由地面挖掘機完成掘進。主要功能是穩定開挖面。

1.2 組裝方法

自動擋板主要由整體部分、組裝板、橫梁、雙絲桿內支撐、液壓推進裝置五部分組成。整體部分處于擋板下部，兩側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。內支撐采用雙螺旋絲桿（或液壓缸）。推進裝置由墊板、液壓缸、液壓泵組成。

根據施工場地條件，自動擋板可設計為整體式或現場組裝兩種模式。根據工程地質條件，當地層具有一定自穩能力時，開挖至設計深度后安裝自動擋板整體部分；當地層完全不具有自穩能力時，開挖1～2m后放入整體部分，然后邊挖邊沉入，直至設計深度。整體部分安裝完畢后，根據上部障礙物情況，將上部組裝板排列安裝在下部整體部分的插槽內；組裝板安裝完畢后，在卡槽內安裝橫梁、內支撐桿，根據基槽寬度調整雙絲內支撐長度。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，清理基槽至設計要求后安裝管道，第1根管道安裝后，夯實回填到要求標高，用開挖機械牽引移動支擋板；當安裝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，依靠液壓缸頂進擋板，跟進開挖支護基槽兩側土壁，保持短時土壁穩定，保證管道安裝質量與施工安全；掘進空間滿足單根管子的長度后，縮進液壓缸，安裝管子；然后再重復前面操作，周而復始，直至一線段結束后轉移至下一施工面。如推進阻力較大、推進動力不足時，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，隨著推進轉至障礙物后方繼續使用。

2 基本參數計算

2.1 擋板側向土壓力

由于管道施工速度較快，短時間內，土體總有一定自穩能力，并不是立即處于極限平衡狀態或失穩狀態，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。

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

β——折減系數

2.2 內支撐軸向壓力

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 推進阻力

推進阻力主要來自側向土壓力對擋板產生的摩擦阻力。

計算公式：

F=2×L×E×μ

式中：

μ——擋板與土壁之間摩擦系數，通過現場實驗統計，取0.1～0.2

2.5 管道接觸面抗壓承載力

鋼筋混凝土管材強度等級達到C20以上時，管道端口能滿足頂進承壓要求。執行《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度達到C20，已具有足夠的強度，通常不需要進行驗算，當單管長度超過4m時，可根據需要驗算。

計算公式：

F=P×S

式中：

P——管材標準對應的鋼筋混凝土抗壓強度，通常大于C20，即大于20N/mm2

S——承壓面積，取管壁截面積

3 設計參數

3.1 自動擋板尺寸確定

3.1.1 長度確定，根據單根管長確定：

L=L1+L2+L3+L4

式中：

L——整體部分總長，不宜大于7.0mL

L1——保護段長度，通常取0.8mL

L2——安裝段長度，通常取單根管長加適當安裝，一般不大于4.0mL

L3——液壓推進裝置長度，通常取0.5～0.8mL

L4——掘進端擋板長度，通常取1.5mL

3.1.2 高度確定，根據開挖基槽確定：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]——材料許用應力

3.2.2 支撐桿穩定驗算：

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，參考材料力學取值，兩端固定時取0.5

l——長度

穩定條件：

P≤Pcr/nst

式中：

P——撐桿軸向壓力

Pcr——臨界荷載

nst——穩定安全系數，參考材料力學，取1.8～3

3.3 推進裝置參數選擇

液壓缸壓力，根據計算的推進阻力，選擇相應的液壓推力設備，并取1.3～1.5的系數。通常不小于300t。

4 設計說明

設計以深度為4.5m作為計算依據，具體工程可根據前面給定的計算及驗算公式，自行調整。

（1）結構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）內支撐采用Φ68mm雙絲杠（或液壓缸），支撐墊板厚20mm，有利于靈活調節寬度，充分利用，節省材料與成本，提高工作效率；同時，當發生土壓力特別大，造成推進困難時，可以適當調小寬度，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高成本的問題，且方便易行、效率高。由于基槽自動擋板其結構的下部是整體，有效解決了擋板法封閉性差的問題，同時也提高了支護的穩定性，減少了施工安全隱患；由于其依靠液壓裝置自動推進，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

[1]林宗元.巖土工程施工治理手冊[M].沈陽：遼寧科學

技術出版社，1993.

[2]陳仲頤，等.土力學[M].北京：清華大學出版社，

2008.

[3]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2007.

作者簡介：鄒進昭（1976—），男（仡佬族），貴州務川人，河南省水文地質工程地質勘察院工程師，研究方向：礦山地質環境治理；張芝（1983—），女，山西平遙人，供職于河南省水文地質工程地質勘察院，研究方向：環境治理工程技術。

（責任編輯：黃銀芳）