何江，劉聽移
(廣州市自來水工程公司，廣東廣州510160)

　　摘　要：通過兩個工程實例，針對在飽和淤泥類土質條件下管道施工的溝槽支護整體失穩(wěn)和基底隆起現(xiàn)象，分析了其成因并介紹了相應的施工措施和處理辦法。
　　關鍵詞：支護；淤泥類土；抗剪強度
　　中圖分類號：TU991.36
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)12-0079-03

　　在室外管道施工中，直槽開挖是一種常見的開挖方式。但是當溝槽土質較差、開挖深度較大時，易出現(xiàn)槽壁失穩(wěn)現(xiàn)象，引發(fā)塌方、滑坡等影響施工甚至威脅人身安全的事故，因此必須對溝槽兩側進行有效支護，加固兩側槽壁土的穩(wěn)定性。常用的支護形式有撐板支護、鋼板樁支護等。
　　在濱湖相、濱海相等地區(qū)進行直槽開挖時，經(jīng)常遇到飽和淤泥類土(包括淤泥和淤泥質土)，這類土屬于軟弱土，力學性能差，主要力學特征為：①天然含水量大于液限；②孔隙比e＞1，且變化幅度大；③壓縮性高，壓縮性系數(shù)a1-2=0.7～1.5MPa^-1；④抗剪強度低且變化幅度大，為1.0～2.7；⑤透水性差；⑥具有顯著的結構性，靈敏度達4～10。由于淤泥類土具有一定連結作用，在未受到擾動時常處于軟塑狀態(tài)，有一定的結構性。但一經(jīng)開挖擾動，其結構就會被完全破壞，呈現(xiàn)流動狀態(tài)，類似于“芝麻糊”狀，從而導致溝槽失穩(wěn)、基底隆起，引發(fā)安全事故或返工，造成較大經(jīng)濟損失。因此，預先做好溝槽支護對施工安全及成本控制等具有極為重要的意義。

1　溝槽支護整體失穩(wěn)現(xiàn)象

　　某市DN2400原水輸水管道工程的管頂覆土厚度為1.0m，施工環(huán)境為農田，淤泥質土，開挖時余泥堆于溝槽兩側。溝槽支護采用鋼制半圓形護管(其作用同鋼板樁)，橫向支撐采用槽鋼，與護管焊接為一體。當開挖安裝第一條鋼管時，溝槽支護突然出現(xiàn)整體失穩(wěn)現(xiàn)象，槽鋼端焊接被拉斷，護管被擠壓傾斜，槽底土及鋼管被頂起，如圖1所示。

　　按照設計規(guī)范，給水管道管頂覆土厚度通常不小于0.7m，一般為0.8～1.2m，開挖深度相對較淺，施工時只能在管頂上設置一道橫向支撐(一般采用方木、鋼制撐桿、工字型鋼等)，它只承受壓力，不承受拉力。
　　有時為了加強支護結構的整體性，通常將橫向支撐、橫梁與兩側鋼板樁焊接起來，使其拉結牢固。當支護結構發(fā)生整體滑動時，撐杠的抗拉能力很小，在桿端處會被拉脫或剪斷，因此可完全忽略由撐杠的豎向剪力所產生的抵抗力矩。
　　此時的支護體系為懸臂式支護結構，其穩(wěn)定性主要與樁身入土部分的長度、基底土的抗剪強度、施工動荷載、堆土荷載等有關。由于安裝鋼管口徑大，開挖一般較深，故護管打設土層的深度有限(護管長度通常為5m)。而此時的地基土為軟弱淤泥質土，強度很低，所以當溝槽兩側堆土較多時將對支護產生較大側壓力，土壓力過大，支護結構就會發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象。
　　因此，在給水管道工程中需要對支護結構的整體穩(wěn)定性進行詳細分析。其計算方法是圓弧滑動法，通過對各溝槽兩側分割的土條進行具體分析，得出其整體穩(wěn)定安全系數(shù)值。
　　支護整體穩(wěn)定安全系數(shù)K需滿足下式：?
　　　?K=［∑Ci·Li+∑(qi·bi+Wi)·cosa i·tgφi］／［∑(qi·bi+Wi)·sina_i］≥1.25　　　　(1)?
　　式中?Ci——第i條土條滑動面上的粘聚力，kPa
?　　　　Li——第i條土條的弧長，m?
?　　　　qi——第i條土條頂面的作用荷載，kPa
?　　　　bi——第i條土條的寬度，m?
?　　　　Wi——第i條土條自重，kN，不計滲透力時，坑底地下水位以上取天然重度計算；計滲透力時，在計算滑動力矩時取飽和重度，在計算抗滑力矩時取浮重度
?　　　　ai——第i條滑弧中點的切線與水平線的夾角
?　　　　φi——第i條土條內摩擦角
　　由式(1)可知，提高支護整體穩(wěn)定安全系數(shù)K值的可行方法是減小頂面荷載qi值和土條自重Wi值。故當實例工程發(fā)生溝槽支護整體失穩(wěn)后，結合實際情況采取了以下處理措施：
　　①將開挖的泥土外運，遠離溝槽，以減小臨時堆土分布荷載qi值。
　　②溝槽支護外側土適當降坡以減輕土條自重Wi值。
　　③管道安裝完畢應及時回填以防止空槽時間過長，淤泥蠕變破壞而導致溝槽支護失穩(wěn)。
　　一般排水管道埋設較深，溝槽支護時設置多層橫向支撐，屬于多點支護結構。只要支護及橫向支撐選擇合理并具有足夠的強度和剛度，那么支護結構就不會發(fā)生整體穩(wěn)定破壞，因此無需作支護整體穩(wěn)定性的驗算。

2　溝槽基底隆起現(xiàn)象

　　當排水管道埋設較深時，如基底剛好處于淤泥等軟弱土層，那么隨著溝槽深度增大，作用在支護外側水平面上的荷載也相應增大。當外側水平面底部軟弱土的承載力不足、上部土體質量超過其承載力時，將導致支護外側土體流動而發(fā)生槽底軟土隆起現(xiàn)象，造成返工。因此，溝槽支護時需驗算槽底軟弱土的承載力。
　　在給水管道工程中，埋設深度一般較淺，基底隆起現(xiàn)象相對較少。但是，當管徑大、開挖較深、槽側堆土較多且基底淤泥抗剪強度低、含水量過大、淤泥結構完全破壞時，同樣會發(fā)生溝槽基底隆起現(xiàn)象，破壞槽底基礎，此時也需要驗算槽底軟弱土的承載力。
　　在某市DN1200輸水管道工程中，管頂覆土厚度為1.0m。施工環(huán)境是農田，土質為淤泥并夾有沙層，含水量極大。淤泥結構完全被坡壞，呈流動狀態(tài)，且施工期處于雨季。開挖余泥堆于溝槽一側，溝槽支護采用鋼制半圓形護管。施工至0+944里程時，出現(xiàn)溝槽基底隆起現(xiàn)象，淤泥淹沒焊接工作位，致使無法施焊。
　　采用圖2所示的滑動模式進行基底抗隆起穩(wěn)定性分析。

　　假設此時溝槽開挖深度為H，溝槽一側地面有臨時堆土，其分布荷載大小為q，槽底隆起時支護不發(fā)生移動。
　　以O點為圓心，以OB為半徑作圓，與槽底水平線相交于A和C點。再由C點作垂直線交地面線于D點。假設滑動面為ABCD，土體OCDE將下滑。此時在滑動面CD上有抗剪力，大小為C₁H(C1為土的抗剪強度)。那么槽底外平面OC段上有壓應力為：
?　　　　　PV=q+γ·H?　　　　　　(2)?
　　式中?q——溝槽側地面臨時堆土的分布荷載大小，kPa
?　　　　γ——各層土的重度(地下水位以下取浮重度)，kN/m³
?　　　　H——各層土的厚度，m
　　滑動驗算時以O點為矩心。兩個扇形土體OBA與OBC左右對稱，其土體質量對于O點的力矩大小相等、方向相反，故作用效果抵消。而在滑動面ABC圓弧上還作用有抗剪力，大小為C₂πOB。此時，整個土體的抗滑安全系數(shù)K為：
　　K=[(C₁HOB+C₂πOB²)]／(1/2)(q+γ·H)OB²?=2(C₁H+C₂πOB)／(q+γ·H)OB　　　(3)?
　　式中?C₁H——各層土的抗剪強度與其厚度的乘積之和
?　　　　C₂πOB——各層土的抗剪強度與其弧長的乘積之和
　　當安全系數(shù)K≥1.2時，不會發(fā)生溝槽基底隆起的現(xiàn)象，而當K＜1.2時則會發(fā)生溝槽基底隆起。由式(3)可知，要提高整個土體的抗滑動安全系數(shù)K值，可行的方法是：①減小q值和H值以提高抗滑動安全系數(shù)K值；②增大OB值至大于溝槽寬度B，以切斷滑動面，防止基底隆起。
　　當實例工程發(fā)生溝槽支護整體失穩(wěn)后，結合實際情況采取了以下處理措施：
　　①增加一臺挖掘機，將余泥及時清散以減小臨時堆土分布荷載q值以適當降坡減小H值以提高抗滑安全系數(shù)K值。
　　②兩臺挖掘機同時作用打設護管，增大護管入土深度OB，切斷滑動面。
　　③針對淤泥淹沒焊接工作位的情況，制作并使用“底焊焊接專用護艇”，確保有效的工作空間。
　　④管道安裝完畢應及時回填以防止因空槽時間過長而導致淤泥結構蠕變發(fā)生基底隆起。

3　結語

　　在兩項工程實例中，針對溝槽失穩(wěn)、隆起現(xiàn)象進行了認真的計算分析并采取了相應的處理措施，取得了良好效果，避免了再次發(fā)生失穩(wěn)、隆起現(xiàn)象，減少了經(jīng)濟損失。在直槽開挖安裝管道時，應預先對管線的地質資料進行研究并對溝槽各層土進行系統(tǒng)分析和計算以合理評估其受力狀況，為選擇一種經(jīng)濟、合理的支護結構提供理論依據(jù)。與此同時，施工時還要采取相應的事故預防措施，關鍵是減輕土壓、深入打樁。

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　　收稿日期：2002-06-03