管道沟槽支护中常见的破坏现象及对策

何江，刘听移
(广州市自来水工程公司，广东广州510160)

　　摘　要：通过两个工程实例，针对在饱和淤泥类土质条件下管道施工的沟槽支护整体失稳和基底隆起现象，分析了其成因并介绍了相应的施工措施和处理办法。
　　关键词：支护；淤泥类土；抗剪强度
　　中图分类号：TU991.36
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)12-0079-03

　　在室外管道施工中，直槽开挖是一种常见的开挖方式。但是当沟槽土质较差、开挖深度较大时，易出现槽壁失稳现象，引发塌方、滑坡等影响施工甚至威胁人身安全的事故，因此必须对沟槽两侧进行有效支护，加固两侧槽壁土的稳定性。常用的支护形式有撑板支护、钢板桩支护等。
　　在滨湖相、滨海相等地区进行直槽开挖时，经常遇到饱和淤泥类土(包括淤泥和淤泥质土)，这类土属于软弱土，力学性能差，主要力学特征为：①天然含水量大于液限；②孔隙比e＞1，且变化幅度大；③压缩性高，压缩性系数a1-2=0.7～1.5MPa^-1；④抗剪强度低且变化幅度大，为1.0～2.7；⑤透水性差；⑥具有显著的结构性，灵敏度达4～10。由于淤泥类土具有一定连结作用，在未受到扰动时常处于软塑状态，有一定的结构性。但一经开挖扰动，其结构就会被完全破坏，呈现流动状态，类似于“芝麻糊”状，从而导致沟槽失稳、基底隆起，引发安全事故或返工，造成较大经济损失。因此，预先做好沟槽支护对施工安全及成本控制等具有极为重要的意义。

1　沟槽支护整体失稳现象

　　某市DN2400原水输水管道工程的管顶覆土厚度为1.0m，施工环境为农田，淤泥质土，开挖时余泥堆于沟槽两侧。沟槽支护采用钢制半圆形护管(其作用同钢板桩)，横向支撑采用槽钢，与护管焊接为一体。当开挖安装第一条钢管时，沟槽支护突然出现整体失稳现象，槽钢端焊接被拉断，护管被挤压倾斜，槽底土及钢管被顶起，如图1所示。

　　按照设计规范，给水管道管顶覆土厚度通常不小于0.7m，一般为0.8～1.2m，开挖深度相对较浅，施工时只能在管顶上设置一道横向支撑(一般采用方木、钢制撑杆、工字型钢等)，它只承受压力，不承受拉力。
　　有时为了加强支护结构的整体性，通常将横向支撑、横梁与两侧钢板桩焊接起来，使其拉结牢固。当支护结构发生整体滑动时，撑杠的抗拉能力很小，在杆端处会被拉脱或剪断，因此可完全忽略由撑杠的竖向剪力所产生的抵抗力矩。
　　此时的支护体系为悬臂式支护结构，其稳定性主要与桩身入土部分的长度、基底土的抗剪强度、施工动荷载、堆土荷载等有关。由于安装钢管口径大，开挖一般较深，故护管打设土层的深度有限(护管长度通常为5m)。而此时的地基土为软弱淤泥质土，强度很低，所以当沟槽两侧堆土较多时将对支护产生较大侧压力，土压力过大，支护结构就会发生整体失稳现象。
　　因此，在给水管道工程中需要对支护结构的整体稳定性进行详细分析。其计算方法是圆弧滑动法，通过对各沟槽两侧分割的土条进行具体分析，得出其整体稳定安全系数值。
　　支护整体稳定安全系数K需满足下式：?
　　　?K=［∑Ci·Li+∑(qi·bi+Wi)·cosa i·tgφi］／［∑(qi·bi+Wi)·sina_i］≥1.25　　　　(1)?
　　式中?Ci——第i条土条滑动面上的粘聚力，kPa
?　　　　Li——第i条土条的弧长，m?
?　　　　qi——第i条土条顶面的作用荷载，kPa
?　　　　bi——第i条土条的宽度，m?
?　　　　Wi——第i条土条自重，kN，不计渗透力时，坑底地下水位以上取天然重度计算；计渗透力时，在计算滑动力矩时取饱和重度，在计算抗滑力矩时取浮重度
?　　　　ai——第i条滑弧中点的切线与水平线的夹角
?　　　　φi——第i条土条内摩擦角
　　由式(1)可知，提高支护整体稳定安全系数K值的可行方法是减小顶面荷载qi值和土条自重Wi值。故当实例工程发生沟槽支护整体失稳后，结合实际情况采取了以下处理措施：
　　①将开挖的泥土外运，远离沟槽，以减小临时堆土分布荷载qi值。
　　②沟槽支护外侧土适当降坡以减轻土条自重Wi值。
　　③管道安装完毕应及时回填以防止空槽时间过长，淤泥蠕变破坏而导致沟槽支护失稳。
　　一般排水管道埋设较深，沟槽支护时设置多层横向支撑，属于多点支护结构。只要支护及横向支撑选择合理并具有足够的强度和刚度，那么支护结构就不会发生整体稳定破坏，因此无需作支护整体稳定性的验算。

2　沟槽基底隆起现象

　　当排水管道埋设较深时，如基底刚好处于淤泥等软弱土层，那么随着沟槽深度增大，作用在支护外侧水平面上的荷载也相应增大。当外侧水平面底部软弱土的承载力不足、上部土体质量超过其承载力时，将导致支护外侧土体流动而发生槽底软土隆起现象，造成返工。因此，沟槽支护时需验算槽底软弱土的承载力。
　　在给水管道工程中，埋设深度一般较浅，基底隆起现象相对较少。但是，当管径大、开挖较深、槽侧堆土较多且基底淤泥抗剪强度低、含水量过大、淤泥结构完全破坏时，同样会发生沟槽基底隆起现象，破坏槽底基础，此时也需要验算槽底软弱土的承载力。
　　在某市DN1200输水管道工程中，管顶覆土厚度为1.0m。施工环境是农田，土质为淤泥并夹有沙层，含水量极大。淤泥结构完全被坡坏，呈流动状态，且施工期处于雨季。开挖余泥堆于沟槽一侧，沟槽支护采用钢制半圆形护管。施工至0+944里程时，出现沟槽基底隆起现象，淤泥淹没焊接工作位，致使无法施焊。
　　采用图2所示的滑动模式进行基底抗隆起稳定性分析。

　　假设此时沟槽开挖深度为H，沟槽一侧地面有临时堆土，其分布荷载大小为q，槽底隆起时支护不发生移动。
　　以O点为圆心，以OB为半径作圆，与槽底水平线相交于A和C点。再由C点作垂直线交地面线于D点。假设滑动面为ABCD，土体OCDE将下滑。此时在滑动面CD上有抗剪力，大小为C₁H(C1为土的抗剪强度)。那么槽底外平面OC段上有压应力为：
?　　　　　PV=q+γ·H?　　　　　　(2)?
　　式中?q——沟槽侧地面临时堆土的分布荷载大小，kPa
?　　　　γ——各层土的重度(地下水位以下取浮重度)，kN/m³
?　　　　H——各层土的厚度，m
　　滑动验算时以O点为矩心。两个扇形土体OBA与OBC左右对称，其土体质量对于O点的力矩大小相等、方向相反，故作用效果抵消。而在滑动面ABC圆弧上还作用有抗剪力，大小为C₂πOB。此时，整个土体的抗滑安全系数K为：
　　K=[(C₁HOB+C₂πOB²)]／(1/2)(q+γ·H)OB²?=2(C₁H+C₂πOB)／(q+γ·H)OB　　　(3)?
　　式中?C₁H——各层土的抗剪强度与其厚度的乘积之和
?　　　　C₂πOB——各层土的抗剪强度与其弧长的乘积之和
　　当安全系数K≥1.2时，不会发生沟槽基底隆起的现象，而当K＜1.2时则会发生沟槽基底隆起。由式(3)可知，要提高整个土体的抗滑动安全系数K值，可行的方法是：①减小q值和H值以提高抗滑动安全系数K值；②增大OB值至大于沟槽宽度B，以切断滑动面，防止基底隆起。
　　当实例工程发生沟槽支护整体失稳后，结合实际情况采取了以下处理措施：
　　①增加一台挖掘机，将余泥及时清散以减小临时堆土分布荷载q值以适当降坡减小H值以提高抗滑安全系数K值。
　　②两台挖掘机同时作用打设护管，增大护管入土深度OB，切断滑动面。
　　③针对淤泥淹没焊接工作位的情况，制作并使用“底焊焊接专用护艇”，确保有效的工作空间。
　　④管道安装完毕应及时回填以防止因空槽时间过长而导致淤泥结构蠕变发生基底隆起。

3　结语

　　在两项工程实例中，针对沟槽失稳、隆起现象进行了认真的计算分析并采取了相应的处理措施，取得了良好效果，避免了再次发生失稳、隆起现象，减少了经济损失。在直槽开挖安装管道时，应预先对管线的地质资料进行研究并对沟槽各层土进行系统分析和计算以合理评估其受力状况，为选择一种经济、合理的支护结构提供理论依据。与此同时，施工时还要采取相应的事故预防措施，关键是减轻土压、深入打桩。

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　　收稿日期：2002-06-03