沟槽开挖与支撑：地质条件、开挖深度与支架要求

施工必备知识点

沟槽开挖前,设计单位应根据施工需要,在充分掌握现场情况和有关资料的情况下,编制施工方案,并对现场施工单位进行技术交底。施工单位在接到施工方案后,应认真学习,仔细阅读,一旦发现施工图有错误时,应及时向设计单位提出变更设计的要求。

1.施工方案

施工方案应当根据以下条件编制:

(1)施工现场的地形、地貌、建筑物、各种管线和其他设施的情况。

(2)施工现场地址概况和水文地质资料。包括土壤类别、物理性能、地下水流向、静水位及其季节变化、不同土层厚度及其渗透系数、抽水影响半径等。在地表水水体和岸边施工时还应掌握河湖的季节水位、流速、浪高、潮汐等资料。

(3)气象资料。包括施工期的最高气温、最低气温、日温差、气温的季节变化、最大风力及其出现的季节等。

(4)工程用地、交通运输及排水条件。其中排水条件主要是指地面坡度,径流方向,雨水、地下水的排泄地点等条件。

(5)施工现场的供水、供电情况。

(6)工程材料、施工机械供应条件。包括施工材料的供应时间与数量、主要施工机械的性能及其供应条件。

(7)在地表水水体中或岸边施工时,应掌握地表水的水文和航运资料。在寒冷地区施工时,尚应掌握地表水的冻结及流冰的资料。

(8)结合工程特点和现场条件的其他情况和资料。

2.沟槽开挖

(1)沟槽开挖要求

1)沟槽开挖施工如图2-7所示。

2)沟槽底部的开挖宽度应符合设计要求,设计无要求时,可按下式计算确定

B=D₀+2(b₁+b₂+b₃)

式中 B——管道沟槽底部的开挖宽度(mm)；

D₀——管道外径(mm)；

b₁——管道一侧的工作面宽度(mm),可

按表2-1选取。

b₂——有支撑要求时管道一侧的支撑厚度,

可取150～200mm；

图2-7 沟槽开挖施工

b₃——现场浇筑混凝土或钢筋混凝土管渠一侧模板的厚度(mm)。

表2-1 管道一侧的工作面宽度 (单位:mm)

施工小经验

1.沟槽底部需设排水沟时,b₁应适当增加。

2.管道有现场施工的外防水层时,b₁宜选用800mm。

3.采用机械回填管道侧面时,b₁需满足机械作业的宽度要求。

3)地质条件良好、土质均匀、地下水位低于沟槽底面标高,且开挖深度在5m以内、沟槽不设支架时,沟槽边坡最陡坡度应符合表2-2的规定。

表2-2 深度在5m以内的沟槽边坡最陡坡度

施工小经验

1.当有成熟施工经验时,可不受本表限制。

2.在软土沟槽坡顶不宜设置静荷载或动荷载；需要设置时,应对土的承载力和边坡的稳定性进行验算。

4)沟槽每侧临时堆土或施加其他荷载时,应符合图2-8所示的规定。

图2-9 分层开挖深度的规定

6)沟槽开挖应符合图2-10所示的规定。

图2-10 沟槽开挖的规定

(2)沟槽断面形式。沟槽的断面应考虑管道结构的施工方便性,确保工程质量和施工作业安全。沟槽断面应具有一定强度和稳定性,同时也应遵循少挖方、少占地、经济合理的原则。在了解开挖地段的土壤性质及地下水位情况后,可结合管径大小、埋管深度、施工季节、地下构筑物情况、施工现场及沟槽附近地上、地下构筑物的位置等因素选择开挖方法,合理确定沟槽断面形式。常采用的沟槽断面形式有直槽、梯形槽(大开槽)、混合槽等；当有两条或多条管道共同埋设时,还需采用联合槽,如图2-11所示。

图2-11 沟槽断面形式

a)直槽 b)梯形槽(大开槽) c)混合槽 d)联合槽

1)直槽即沟槽的边坡基本为直坡,一般情况下,沟槽断面的边坡坡度小于0.05。直槽断面常用于期短、深度浅的小管径工程,如地下水位低于槽底,且直槽深度不超过1.5m的情况。

2)梯形槽(大开槽)即槽帮具有一定坡度的沟槽断面,沟槽断面槽帮放坡,不用支撑。采用此种梯形槽断面,在土质好(如粘土、亚粘土)时,即使槽底在地下水位以下也可以在槽底挖出排水沟,进行表面排水,保证其槽帮土壤的稳定。梯形槽是沟槽断面应用较多的一种形式,尤其适用于机械开挖的施工方法。

3)混合槽即由直槽与梯形槽组合而成的多层沟槽断面,较深的沟槽宜采用此种混合分层沟槽断面。混合槽一般多用于深槽施工。采用混合槽沟槽断面时,上部槽应尽可能采用机械开挖,下部槽的开挖常需同时考虑采用排水及支撑等施工措施。

4)联合槽是有两条或多条管道共同埋设的沟槽,其断面形式要根据槽内埋设管道的位置、数量和各自的特点而定,多是由直槽或梯形槽按照一定的形式组合而成的沟槽断面。

(3)沟槽开挖方法

1)人工开挖。在小管径、土方量少或施工现场狭窄、地下障碍物多、不宜采用机械挖土或深槽作业时,底槽需支撑、无法采用机械挖土时,通常采用人工挖土。人工挖土使用的主要工具为锹和镐,主要施工工序为放线、开挖、修坡、清底等。

施工小经验

(1)开挖深2m以内的沟槽时,人工挖土与沟槽内出土宜结合进行。较深的沟槽宜分层开挖,每层开挖深度一般不超过2m为宜,利用层间留台人工倒土出土。在开挖过程中应控制断面,将槽帮边坡挖出,槽帮边坡应不陡于规定坡度。

(2)槽底土壤严禁扰动。挖槽在接近槽底时,要加强测量,注意清底,不要超挖。如果发生超挖,应按规定要求进行回填,槽底应保持平整,槽底标高及槽底中心每侧宽度均应符合设计要求。

(3)沟槽开挖时应注意施工安全,操作人员应有足够的安全施工工作面,防止锹、镐伤人。槽帮上如有石块碎砖应清走。沟槽边坡每隔50m设一座安全梯,上下沟槽应走安全梯。在槽下作业的工人应戴安全帽。当在深沟内挖土清底时,沟上要有专人监护,注意沟壁的完好,确保作业安全,防止沟壁塌方伤人。每日上下班前,应检查沟槽有无裂缝、坍塌等现象。

2)机械开挖。为了减轻繁重的体力劳动,加快沟槽施工速度,提高劳动生产效率,目前多采用机械开挖、人工清底的施工方法。为了充分发挥机械施工的特点,提高机械利用率,保证安全,生产施工前的准备工作应做细,并合理选择施工机械。常用的挖土机械主要有推土机、单斗挖土机、多斗挖土机、装载机等。

施工小经验

(1)机械挖槽,应保证槽底土壤不被扰动和破坏,一般来说机械不可能准确地将槽底按规定标高整平,因此,设计槽底宜留20cm左右土层不挖,而采用人工清挖的施工方法。

(2)采用机械挖槽时,应向机械作业驾驶员详细交底,交底内容一般包括挖槽断面(深度、槽帮坡度、宽度)的尺寸、堆土位置、电线高度、地下电缆、地下构筑物及施工要求,并根据情况会同机械操作人员制定安全生产措施后,方可进行施工。机械驾驶员进入施工现场后应听从现场指挥人员的指挥,对现场涉及机械、人员安全情况应及时提出意见,妥善解决,确保安全。

(3)指定专人与机械作业驾驶员配合,保质保量,安全生产。其他配合人员应熟悉机械挖土有关安全操作规程,掌握沟槽断面尺寸,计算出应挖深度,及时测量槽底标高和宽度,防止超挖和欠挖,经常查看沟槽有无裂缝、坍塌迹象,注意机械工作安全。

(4)配合机械作业的土方辅助人员,如清底、平底、修坡人员应在机械的回转半径以外操作,如必须在半径以内工作时(如刨拨石块的人员),应在机械运转停止后方允许进入操作区。机上机下人员应彼此密切配合,当机械回转半径内有人时,严禁开动机器。

(5)在地下电缆附近工作时,必须查清地下电缆的走向并做好明显的标志。采用挖土机挖土时应严格与电缆保持1m以上的距离。其他各类管线也应查清走向,沟槽断面应与管线保持一定距离,一般以0.5～1m为宜。

3)雨期沟槽开挖。雨期沟槽开挖时,应充分考虑挖槽和堆土会破坏原有排水系统造成排水不畅,因此应做好排除雨水的排水设施和系统。为防止雨水倒灌沟槽,一般采取如下措施:在沟槽四周的堆土缺口,如运料口、下管道口、便桥桥头等处堆叠挡土,使其闭合成一道防线。堆土向槽的一侧应拍实,避免雨水冲塌,并挖排水沟,将汇集的雨水引向槽外。有特殊需要或暴雨雨量集中时,还可以有计划地将雨水引入槽内,每隔30m左右做一泄水簸箕口,以免雨水冲刷槽帮,同时还应采取防止塌槽、漂管等的措施。

4)冬期沟槽开挖。冬期沟槽开挖应该采取必要的防冻措施。常用的防冻措施有松土防冻法和覆盖保温材料防冻法,如图2-12所示。

图2-12 冬期沟槽开挖的防冻措施

当土壤冻结深度在25cm以内时,可使用一般中型挖土机进行挖掘；冻结深度在40cm以上时,可在推土机后面装上松土器将冻土层破开。

5)沟槽超挖的处理措施如图2-13所示。

图2-13 沟槽超挖的处理措施

(4)地基处理

1)管道地基应符合设计要求,管道天然地基的强度不能满足设计要求时应按设计要求加固。

2)槽底局部超挖或发生扰动时,处理应符合图2-13所示的规定。

3)排水不良造成地基土扰动时,可按图2-14所示的方法进行处理。

图2-14 排水不良造成地基土扰动时的处理方法

4)设计要求换填时,应按要求清槽,检查合格后换填；回填材料应符合设计要求或有关规定。

5)灰土地基、砂石地基和粉煤灰地基施工前必须按《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268—2008)第4.4.1条规定验槽并处理。

6)采用其他方法进行管道地基处理时,应满足国家有关规范规定和设计要求。

7)柔性管道处理宜采用砂桩、搅拌桩等复合地基。

(5)地基验收标准

1)主控项目。主控项目见表2-3。

表2-3 主控项目

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2)一般项目。沟槽开挖的允许偏差应符合表2-4的规定。

表2-4 沟槽开挖的允许偏差

实践技能知识点

1.沟槽支撑基本要求

(1)挡土板构件的规格尺寸见表2-5。

表2-5 挡土板构件的规格尺寸

(2)钢板桩支撑方法如图2-15所示。

图2-15 钢板桩方法

(3)沟槽支撑构件注意事项如图2-16所示。

图2-16 沟槽支撑构件注意事项

(4)拆除挡土板的方法如图2-17所示。

图2-17 拆除挡土板的方法

(5)拆除钢板桩的方法如图2-18所示。

图2-18 拆除钢板桩的方法

(6)敷设柔性管道的沟槽,支撑的拆除应按设计要求进行。

2.支撑类型

支撑是用来防止沟槽土壁坍塌的一种临时性挡土结构,由木材或钢材做成。常见的支撑形式有横撑、竖撑和板桩撑等类型,其结构应牢固可靠,而且必须符合强度和稳定性要求,同时也应便于支设和拆除及后续工序的操作。支撑要求材料和尺寸合格,保证施工安全；并应在保证安全的前提下,节约用料。

(1)横撑。横撑式支撑多用于开挖较窄的沟槽,由挡土板、立柱和撑杆三部分组成。根据挡土板放置方式的不同,可分为断续式横撑和连续式横撑两种。断续式横撑是撑板之间有间距；连续式横撑是各撑板间密接铺设。

断续式横撑适用于开挖湿度小的粘土及挖土深度小于3m的沟槽,连续式横撑用于较潮湿的或散粒土及挖深不大于5m的沟槽。

(2)竖撑。竖撑式支撑多用于土质较差、地下水较多或有流沙的地方,挖土的深度不限。竖撑也是由挡土板、立柱和撑杆组成,竖撑的挡土板多垂直立放,然后每侧上下各放置方木(横木),再用撑木顶牢。

(3)板桩撑。在开挖深度较大的沟槽和基坑中,当地下水很多且有带走土粒的危险时,如未降低地下水位,可采用打设板桩撑法。

板桩撑就是将板桩垂直打入槽底一定深度,以增加支撑强度,抵抗土压力,防止地下水及松土渗入,起到围护作用。板桩撑多用于地下水较多并有流沙的情况。板桩根据所用材料可分为木板桩、钢板桩以及钢筋混凝土板桩。

施工中,常用的钢板桩多为槽钢或工字钢组成,或使用特制的钢桩板,其断面形式如图2-19所示。桩板与桩板之间均采用啮口连接,以提高板桩撑的整体性和水密性。特殊断面板桩撑惯性矩大且桩板间啮合作用高,故常在重要工程上采用,其平面布置形式如图2-20所示。

桩板在沟槽或基坑开挖前用打桩机打入土中,在开挖及其后续工序作业中,始终起保证安全作用。板桩撑一般可不设挡土板和撑杆,但当桩板入土深度不足时,仍应铺以挡土板和撑杆。

(4)锚碇式支撑。在开挖较大基坑或使用机械挖土而不能安装撑杆时,可使用锚碇式支撑,如图2-21所示。锚桩必须设置在土的破坏范围以外,挡土板水平钉在柱桩的内侧,柱桩一端打入土内,上端用拉杆与锚碇拉紧,挡土板内侧回填土。

图2-19 特制钢桩板断面形式

图2-20 特殊断面板桩撑平面布置形式

a)间隔排列 b)无间隔排列 c)啮口

1—沟槽中心线 2—钢板桩

图2-21 锚碇式支撑

1—柱桩 2—挡土板 3—锚碇 4—拉杆 5—回填土

3.沟槽支撑的作用

在沟槽开挖时,为了缩小施工面,减少土方量或因受场地条件的限制不能放坡时,可采用沟槽支撑的方法施工。沟槽支撑的作用是在沟槽施工期间能够挡土挡水,以保证基槽开挖和基础结构施工能够安全、顺利地进行,并在基础施工期间不对相邻的建筑物、道路和地下管线等产生危险。

为起到上述作用,支撑结构必须在强度、稳定性和变形等方面都满足要求。在沟槽开挖施工中,由于各种条件及原因,必须采用适当的方法对沟槽进行支撑,使槽壁不致坍塌,以便进行施工。支撑的荷载就是原土和地面荷载所产生的侧向压力。沟槽支撑与否应根据土质、地下水情况、槽深、槽宽、开挖方法、排水方法、地面荷载等因素确定。需要考虑采用支撑的情况如图2-22所示。

图2-22 需要考虑采取支撑的情况

4.沟槽支撑计算

沟槽支撑计算是根据现场已有支撑构件的尺寸和规格进行计算,以调整支撑立柱和横撑之间的距离,并确定采取哪一种支撑形式。支撑计算也就是确定挡土板、立柱和撑杆尺寸的计算。

(1)挡土板计算。挡土板又称撑板,分木制和金属制两种。木挡土板不应有裂纹等缺陷；金属挡土板由钢板焊接于槽钢上拼成,长度分为2m、4m、6m几种类型。挡土板计算即是取挡土板承受力最大的一块计算,视挡土板为一简支梁,设立柱或横木的间距为l₁,挡土板的宽度为b,厚度为d,所承受的均布荷载为p,则

挡土板的最大弯矩:

挡土板的抵抗矩:

挡土板的最大弯曲应力:

式中 [σw]为材料容许弯曲应力。

(2)立柱计算。立柱多采用槽钢,其所受的荷载q等于挡土板所传递的侧土压力,支点反作用力为R,如图2-23所示。计算时,可将各跨度之间的荷载简化为均匀荷载,架设在支座(横撑)处为简支梁,求其最大弯矩,校核最大弯曲应力。

(3)撑杆计算。撑杆为承受支柱或横木支点反作用力的压杆,由撑头和圆套管组成,如图2-24所示。撑头为一丝杠,以球铰连接于撑头板,带柄螺母套于丝杠。应用时,将撑头插入圆套管内,旋转带柄螺母,使撑头板紧压立柱。撑杆主要计算其纵向弯曲压力,将抗压强度乘以轴心受压构件稳定系数φ即可。

图2-23 立柱计算

图2-24 撑杆

1—撑头板 2—圆套管 3—带柄螺母 4—球铰 5—撑头丝

施工现场常采用的支撑构件尺寸见表2-6,支撑构件的间距及使用范围见表2-7。

表2-6 常用的支撑构件尺寸

表2-7 支撑构件的间距及适用范围 (单位:m)

5.支撑拆除

(1)根据工程实际情况制定支撑拆除的具体方法、步骤及安全措施等实施细则,并进行技术交底,以确保施工顺利进行。

(2)沟槽内工作全部完成后,才可将支撑拆除。拆除支撑与沟槽回填同时进行,边填边拆支撑时必须注意安全,继续排除地下水,避免材料损耗。遇撑板和立柱较长时,可在还土后或倒撑后拆除。

(3)拆除支撑前仔细检查沟槽两侧的建筑物、电杆及其他外露管道是否安全,必要时进行加固。

6.质量验收标准

(1)主控项目

1)支撑方式、支撑材料符合设计要求。

检查方法:观察、检查施工方案。

2)支护结构强度、刚度、稳定性符合设计要求。

检查方法:观察,检查施工方案、施工记录。

(2)一般项目

1)横撑不得妨碍布管和稳管。

检查方法:观察。

2)支撑构件安装应牢固、安全可靠,位置正确。

检查方法:观察。

3)支撑后,沟槽中心线每侧的净宽不应小于施工方案设计要求。

检查方法:观察,用钢尺量测。

4)钢板桩的轴线位移不得大于50mm；垂直度不得大于1.5%。

检查方法:观察,用小线吊住垂球量测。