沟槽箱在管道沟槽支护中的应用（二） | ​ 沟槽箱的应用...

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前言：沟槽箱在国内埋地管道的沟槽施工中几乎没有使用。国内某管道安装施工企业中标泰国一城市管道的安装工程，施工要求采用沟槽箱，在城市道路一侧的管道施工中使用了自己焊制的简易沟槽箱，并成功地消除了一次安全事故，一肇事车辆冲过围栏，卡在了沟槽箱上，对沟底的安装人员没有造成人身伤害。

沟槽箱是一种沟槽支护系统，也是埋地管道安装施工的安全装置，在欧美国家已应用五十多年，如能将其引入国内的管道施工，可以有效解决沟槽开挖占地面积大，时间长，影响沟槽回填质量等诸多问题，为埋地管道施工人员提供了一个更加可靠的安全保障。

沟槽箱在管道沟槽支护中的应用（二）

沟槽箱的应用及钢板桩支护对埋地管道结构的影响

2. 沟槽箱的形式及现场安装

沟槽箱是依据开挖的沟槽土体结构强度和开挖深度来决定其结构，它有多种形式和尺寸，可以应对各种沟槽的支撑和支护要求。在欧美国家有许多专业的沟槽箱设计和制造公司向建筑市场提供有针对性的解决方案，这些专业的沟槽箱和深基坑支护装备生产企业有自己的系列产品供用户选择。小型建筑公司也可以在沟槽箱租赁市场上租借使用。


2.1 沟槽箱的形式


沟槽箱的形式有许多种，可以根据不同的工况条件和地质状况进行选择，沟槽箱的主要形式有以下种：


1) 沟槽壁支撑器


这是一种主要用于城镇道路下方埋管安装施工的沟槽支护装置，主要是考虑到沟槽的宽度和深度不大，路面下的土体密实，设置这种沟槽壁支撑器可以保持沟槽侧壁结构的完整（见图10a）。如果沟槽的土质呈粉砂状，容易脱落，可以在沟槽侧壁和支撑之间放置纤维板或刨花板做为沟槽箱的侧板（见图10b）。

图10a沟槽壁支撑                            图10b 纤维板沟槽壁支撑

2) 标准沟槽箱


通用型的标准沟槽箱由两块侧板和中间两档支撑组成，如果沟槽深度较深，可以拼接第二个沟槽箱，沟槽箱上沿四周设有围栏以防护人员跌落，这种沟槽箱还配有上下爬梯供施工人员进出（参见图11）。

图11标准沟槽箱的三维视图

3) 高净空沟槽箱


a） π型支撑沟槽箱
这种沟槽箱的特点是贴近管道的支撑横梁为π型结构，使沟槽箱的支撑点下移，支撑结构更加稳定，并且有效地避让了浅埋大直径管道的干涉（参见图12a）。

图12a大直径管道浅埋沟槽箱

b）箱顶支撑沟槽箱
这种沟槽箱的结构形式如图12b所示，它的特点是主支撑结构在沟槽箱侧板的上方，主要适用于大直径管道的安装，其侧护板长度可达12m，可以满足沟槽全支护系统的要求。


这种沟槽支护系统在美国使用比较普遍。

图12b 高净空箱顶支撑沟槽箱

4) 深基坑沟槽箱


这种沟槽箱主要用于深基坑的地下穿管和顶管施工，有些非开挖工程中的工作井施工完成后需要回填，在这种情况下沟槽箱是一种较好的选择（参见图13）。

图13深基坑沟槽箱

5) 钢板桩液压支撑器


这种钢板桩液压支撑器主要用于深基坑大开挖施工中，钢板桩液压支撑器是单节支撑杆和锁件拼装组成，拼接的支撑杆一端带有液压缸，在钢板桩液压支撑器拼装后进行长度调整和施加推紧力，每个转弯处需加装肋板以增强杆件的抗弯能力，图14显示了三种典型的钢板桩液压支撑器加装方式。

图14钢板桩液压支撑器

当然，沟槽箱和沟槽和基坑支护的种类远远不止上述几种类型。


2.1 沟槽箱的现场组装和使用


施工设计方案内容需包括现场地质情况，沟槽壁的强度等级，沟槽深度和宽度，选用的沟槽箱类型等。


沟槽箱的拼装件运到现场后，应先由施工技术人员进行检查和测试，然后指导施工人员按照技术说明进行拼装。可伸缩横撑的长度调节方式主要有三种，套筒伸缩销孔定位，螺杆式调节和液压缸调节。除了土体压力不大时采用套筒伸缩调整外，其它场合一般都采用液压缸调整，便携式小型手动液压泵设备简单，液压调节杆的打压压力范围为5~10 MPa。当一个工位施工完成后，施工人员需先将液压缸泄压，保留锁件和固定，用吊车整体运往下一个工位。安装工程结束后，需将沟槽箱整体拆解运回。典型的沟槽箱拼装、拆解如图15所示。

图15 典型的沟槽箱拼装、拆解示意图

有些开挖施工需要边开挖边调整和拼装沟槽箱，因为开挖过程中需要沟槽箱的支护，使整个开挖过程都不会发生沟槽侧壁的坍塌和滑坡。这种沟槽箱配合开挖的方式在埋地管道的沟槽开挖中也很常见，对于土层不稳定的，易产生滑坡的土壤情况下，采用这种方法可以开挖出直壁沟槽，或者先放坡开挖，在管道埋设段采用这种沟槽箱配合开挖的方式（参见图16）。

图16 沟槽箱配合开挖

沟槽箱是一种施工安全的强制措施，对加快开挖和施工安装速度也能起到一定的促进作用。近年来，有许多机构和企业正在研究各种形式的沟槽箱，以满足不同工况条件下开挖和支护的要求，小型的支护结构以铝合金为主，大型结构的沟槽箱通常为钢结构制成，下一代沟槽箱的开发和研究方向是在满足施工安全的前提下加快施工进度，降低施工成本，减小场地面积和材料的经济循环利用。


3. 钢板桩提取时的埋地柔性管道力学行为分析


国内沟槽支护的施工方法受日本的影响比较多，在日本通常也采用钢板桩法进行大直径管道的埋地安装。然而，这种方法在提取钢板桩后会留下空隙，因此，埋管周围的地面迅速变形，作用在管道上的土压力也随之发生变化。针对这个问题，有日本学者专门对桩底提取过程中埋管的力学行为进行了研究，采用离散元法进行二维分析。在此分析中，安装了三种嵌入长度的板桩，将直径为1.0 m的柔性管道模拟并回填在砂土或粘性土壤中。分析结果表明，板桩提取导致了地面松散面积的发展，松动的区域导致柔性管的沉降和挠曲，特别是在粘性土的情况下，沉降和挠度大于预期。


采用钢板桩是为了抵抗来自侧面的水平土压力，以防止地面在开挖后造成塌陷。然而，提取钢板桩后会使得埋地管道周围的土壤迅速变形，作用在管道上的土压力发生变化，有报道称提取钢板桩后对埋地管道造成了破坏。


在钢板桩提取期间，由于不存在管顶土拱作用，地层压力集中在柔性管道的顶部，并且管道的水平环变形显着增加，对于刚性管道，管道顶部和底部的弯曲变形增加。日本灌溉管道设计标准中采用版桩法埋设管道的环变形计算的土体模量并不完全反映诸如板桩厚度或嵌入长度的施工条件。


为了研究桩底提取过程中埋地柔性管道的力学行为，通常采用离散元素法（DEM）模拟土壤和结构之间的滑移和分离。通过分析模拟由粘土组成的沙土和软土组成的地面板桩提取。分析结果表明了以下几个论点：

• 在地上提取板桩会产生空隙，空隙导致地面应力的转变和再分配。
• 埋管的沉降是由于管道的斜下方的位置发生松动的区域而产生的。
• 嵌入长度越长，埋管沉降越大。
  

4.  结语


沟槽箱是配合直壁沟槽开挖实现沟槽支护的，采用直壁沟槽的设计可以实现最佳的管侧支撑，直壁窄沟槽也意味着施工土方量，回填和占地面积显著减少，施工和安装速度大大加快。在引进和推广沟槽箱管应用的同时，应当配合使用碎石或流填料进行管侧的回填埋置，其特点是抗变形模量大，回填速度快和不需要夯实处理。


沟槽箱是一种沟槽支护系统，也是埋地管道安装施工的安全装置，在欧美国家已应用五十多年，如能将其引入国内的管道施工，可以有效解决沟槽开挖占地面积大，时间长，影响沟槽回填质量等诸多问题，为埋地管道施工人员提供了一个更加可靠的安全保障。

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