沟槽箱在管道沟槽支护中的应用（一） | 国内外沟槽形状对比及沟槽箱的设置 ...

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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（一）

国内外沟槽形状对比及沟槽箱的设置

引言
埋地管道的安装需要施工人员下到沟地进行承插对接、焊接、接口处的防腐修补（术语称为“补口”）等的沟底作业，这种情况下沟槽工作区需要完备的沟槽支护，以保护施工人员免受沟壁滑坡货坍塌的伤害，这也是国家对职业健康安全管理的要求（GB/T 28001《职业健康安全管理体系 要求》）。国内沟槽支护通常采用槽钢或钢板桩，而国外主要使用沟槽箱进行沟槽支护，沟槽箱的特点除了可拆卸、拼装外，它的支撑结构更加稳定，施工更加安全，快速，便捷和经济。


1. 沟槽箱

沟槽箱（也称为沟槽护板）由钢或铝合金等金属结构组成，用于保护施工人员在沟槽内的安全。它们通常由不同厚度可拆卸组装的侧壁护板组成。支护组件可以互换和拼装以匹配沟槽的宽度，根据不同的土质情况和沟槽设计选用不同深度的护板，深沟槽护板可承受土方塌陷而不会屈曲变形，参见图1。沟槽箱在欧美国家有50多年的使用历史，美国OSHA（职业安全与健康管理局）29 CFR规范第1926.650～652部分P章节的开挖条文中明确要求埋地管道安装时使用沟槽箱对施工人员进行安全保护。

图1 沟槽箱在埋地管道安装中的应用，左图为沟槽箱安置在管道对接工位，右图所示管道对接完成后沟槽箱吊往下一个工位。


面对不断增加的施工成本问题，工程技术人员研发出越来越多的沟槽支护箱努力将费用降到最低，而不是牺牲施工质量和工人的安全，成功的方法是使用金
属沟槽箱代替槽钢或钢板桩进行沟槽支护。沟槽箱的宽度必须满足施工人员铺设不同管径的管道，并能在沟槽中移动，因此，沟槽箱的尺寸须考虑不同沟槽的设计，沟槽箱侧板的厚度要保证足够支撑各种沟槽侧壁的挤压，沟槽箱设计有不同的尺寸来满足不同地质情况，沟槽深度和宽度的要求，沟槽箱由液压金属横撑杆支撑，横撑杆可以伸长来适应沟槽宽度的变化。沟槽箱是沟槽支护的最佳选择，它的出现也改变了沟槽形状的设计，将斜沟壁变为直沟壁，直沟壁的设计更加有利于管道侧面的支撑，减小了大直径柔性管道的环变形。


1.1 国内的沟槽形状

沟槽开挖国内通常采用一次性放坡开挖，沟槽挖土的边坡系数根据土质及挖深确定，遇到边坡土质为液塑性较差地段，可适当将其边坡加大至1：1，以保证开挖稳定，详见图2。如果管道埋深大于2.5m，深基坑边坡将分成两段的阶梯形，进行二次放坡开挖，具体要求参见GB50268–2008《给水排水管道工程施工及验收规范》。

图2 国内常用沟槽断面图

这种沟槽形状的特点是占地面积较大，通常适用于较开阔的地带和工期较长的管道安装工程。如果在城镇区域进行管道安装施工势必会影响城市交通和居民生活，由于受制于场地狭小的限制，其沟槽形状不得不采用直壁的箱型结构，在这种情况下，沟槽必须要考虑支护措施，国内的直壁沟槽支护通常采用钢板桩或槽钢（参见图3），需将钢板桩插入基坑底部以下很长一段，这是深基坑支护普遍使用的一种方法，这种钢板桩连续搭接的支护方式除了费用较高以外，用于管道安装施工会带来一些致命的问题，例如,做为挡土墙的钢板桩在拔桩后会带来管基土扰动，管侧压实土的压实密度将随之发生变化，土质较差时拔桩带来的扰动会严重影响管周土对管道的支撑作用[2]，这个问题将在第3节做详细论述。

图3 直壁沟槽开挖支护剖面图

1.2 国外的沟槽形状

典型的沟槽断面结构形式如图4所示[3]，为了区分各分层材料的性质和作用，沟槽图层自下而上定义为：①管底 150mm 压缩层称作垫层，可以是原位土或其它材料；②管侧 0.7OD 压缩层称为埋置土（材料），③管上方直接覆盖的0.3OD+300mm 的非压缩层为原位素填土或砂；④它的上方为原位素填土，覆土深度随管道埋深而变化；⑤在铺设路面之前，使用凸轮振动压实机对 300mm 顶覆土层进行捣实，防止今后的路面塌陷。

图4 典型沟槽断面图

以往，经过处理的原位土在大多数情况下可以作为管侧埋置土，能够满足管
环变形的设计要求。但现今城镇施工环境和地下土壤结构往往不能满足管侧埋置土的压缩率要求，对于薄壁柔性管道，较高的压缩率也会间接导致管道起拱，开裂和局部变形。


比较严格精确的方法是根据沟槽土质的等级设计不同形状的沟槽，先对沟槽土质进行检测，根据测得的沟槽壁刚度模量，1级最高，3级最低（参见表1）。使用便携式土壤刚度模量测试仪可以现场快速检测土壤的刚度／模量。同时，也可辅助使用普氏贯入仪（又称填土密实度检测仪）对原位土进行土壤压缩密度的检测。

表1 沟槽壁原位土刚度模量E’n (MPa)

根据沟槽壁钢度等级确定流填料埋设沟槽的形状。土质好的沟槽相应的流填料用量较少，反之，土刚度不高的沟槽需在管侧增加流填料的用量。


对于1级土质的沟槽，开挖断面如图5所示，尽量减小管侧间隙（通常为80mm左右），流填料应充满间隙，管壁通过流填料与土壤完全接触。抵抗变形的管侧支撑完全依靠沟壁土，而不是流填料。由于流填料厚度薄，不能提供管侧支撑，计算时应选取原位土的反力模量E’。需要注意的是，当开挖遇到岩石需开凿、爆破处理时，其最小间隙应大于150mm。

图5 流填料沟槽1级土质断面示意图

7天的CLSM抗压强度一般在0.34～1.03MPa之间（最大值应小于管道工作压力）。这个压缩强度与E’不同，当CLSM的压缩强度为0.34MPa时，相当于20 680kPa的E’。


如图6所示，沟槽断面形状适用于2级土质，可以在管腰部埋置流填料或压缩的埋置材料，高度位置在1/4～3/4管外径区域内。管环起拱线至沟槽壁的最小距离应大于300mm（大管径的距离为450mm）。

图6 流填料沟槽2级土质断面示意图

3级土质的条件下也可采用CLSM的安装方法，但需要将CLSM固定住，且成本较高。


1.3 沟槽箱在管道沟槽里的设置


沟槽里采用沟槽支护或沟槽箱时，希望沟槽箱与开挖的沟槽壁紧密配合，在沟槽壁土质强度较高时，通常使沟槽箱的底部边缘保持在管道顶部之上（见图7）。当移除沟槽箱时不会在管侧的埋置材料与沟壁之间留下间隙。

图7 沟槽箱位于管顶

当沟壁土质较差时，出于安全原因，沟槽箱底部边缘需要延伸到沟槽的底部，在提升移除沟槽箱之后留下的间隙会减弱管侧的支撑，必须对管侧埋置材料（或原位埋置土）进行压实，以消除可能产生的任何空隙（如图8所示）。

图8 沟槽箱位于管底

在放坡开挖时，依然希望底部沟槽壁为垂直箱形，直沟壁一方面对支撑管道、减小管环变形有利，另一方面还便于沟槽箱稳定插入。埋置材料或管侧回填土四周包裹土工布可以增强土体的抗拉强度和抗变形能力，增强结构的稳定性，以改善土体质量，同时还能够保持材料的整体结构和功能，加强管侧埋置材料载承能力，（见图9）。这是沟槽箱移除后维持土体抗力的一种方法。

图9沟槽箱在放坡开挖时的设置

无论沟槽箱在管道沟槽里是何种设置，当完成管道对接和管周回填埋置材料（如砾石或流填料）后，即可用吊车提取沟槽箱，而不是像钢板桩施工那样需要完成全部的回填，这是因为两种支护方式的作用和目的不同，沟槽箱在沟槽中的作用主要是为了安全，通常只设置在管道需要对接安装的区域，管道对接安装完成后的回填并不需要施工人员进入，因此也就不需要沟槽安全保护；而连续钢板桩连续搭接在一起才能起到支护作用，连续插桩后方可进行开挖，回填到地面压实后才能拔桩。

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未完待续

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