摘要：乡村雨污分流工程是美丽乡村建设的重要环节，乡村雨污分流管道施工涉及村庄多、施工路线长、道路狭窄、地质复杂、环境恶劣，对于较深的基坑无法采用放坡的形式开挖。然而，传统的支护形式具有施工环节多、效率低、支护速度慢、适用范围有限、造价高而且工人劳动强度大等不足，不能在乡村复杂环境下实现机械化掘进和快速施工，导致施工周期长。针对以上问题，研发了一种行走式快速沟槽支护装备。通过分析乡村巷道施工环境特点，确定该支护装备的工作原理、传动方案以及相关结构参数的计算、设计与选型，并完成了装置的虚拟样机的轻量化设计与实物样机的模块化安装。通过施工现场实验效果来看，所设计的支护装备能够实现沿沟槽方向快速移动、自适应沟槽宽度、安全支护、沿沟槽深度方向自动或手动提升，其运行效果稳定可靠。

　　关键词：沟槽；快速支护；模块化；轻量化；自适应

　　0引言

　　城乡管道工程包括给水管网、雨水管渠及污水管渠等，是市政工程建设的重要组成部分[1]。乡村雨污分流管道工程面临施工环境复杂的问题，对于狭窄和较深的沟槽无法采用放坡的形式开挖，一般均采用直槽开挖。采用直槽开挖，当开挖深度较大时，人员将进入到沟槽底端进行施工，由于受到外界地质条件、周围人群活动以及沟槽结构等因素的影响，易造成槽壁失稳塌方、滑坡等事故，无法保证施工质量和人员的人身安全[2]。目前，国内常采用的沟槽支护方式有自然放坡、井字撑、稀撑、横板密撑、立板密撑、钢板桩支撑等[3-9]。由于乡村居民房屋巷道比较狭窄，传统的钢板桩支护需使用大型插桩机，大型插桩机又无法进入狭窄的巷道，所以该施工方法在使用过程中非常受限[10-12]。

　　文杰等[13]基于传统支护装置的基础上研制出了结构上具有装配化安装和轻质化体量，功能上可实现在沟槽方向移动和有较强的沟槽宽度与深度适用范围，实现安全防护、型体伸缩、提升与降落、移动等功能。王栋[14]研制了一种综掘快速支护设备，在施工过程中综掘快速支护设备能有效控制围岩的变形，提升巷道的整体稳定性且降低工作人员劳动强度，适合在综掘工作面推广应用，但不适用于乡村小型沟槽开挖和防护。杨建民等[15]在河道深沟铺管作业中，为保证沟槽与护岸稳定，根据工程地质、水文地质条件及周边环境差异对各河段分段设计，采用SMW工法桩加锚杆的支护体系，部分地面沉降敏感地段加设钢管撑，坑内管井降水，并对支护结构和周边环境的变形进行监测，其施工效果稳定可靠，但该方法也不适用于乡村复杂环境下的小型沟槽开挖和防护。

　　因此，本文研发一种小型化、轻量化、模块化、智能化、通用性的新型支护装备，可在施工过程中提高施工效率，保障施工人员的人生安全，降低施工成本。

　　1整机工作原理及结构设计

      1.1整机结构组成

　　整机主要由沟槽前端支护组、沟槽后端支护组、中间支护板、升降动力装置和进退动力装置等组成。整机设有2个电动螺杆提升机和2个手动螺杆提升机，电动螺杆提升机与手动螺杆提升机之间采用滑键的方式连接，独立驱动实现支护装置升降。支护装置设有4个行进轮，前端两个为从动轮，从动轮处设置导向轮，后端两轮为主动轮，主动轮与电机之间采用链条传动。支护装置可实现宽度的调节，通过剪叉机构传动，实现宽度自由伸缩调节，剪叉式机构通过手动螺杆推顶机构实现伸缩。

       两侧面通过支撑梁限位。支护板滑入立柱上预设的卡槽内，阻挡沟槽侧壁的土层坍塌。横梁通过横梁滑动套滑动连接，且横梁与横梁滑动套预设有滑槽便于安装锁紧螺栓，如图1所示。

　　1.2整机工作状态分析

　　整机工作流程主要实现整机在沟槽中的动作功能，如伸缩、提升、进退等核心功能动作，且可实现电动提升和手动提升两种操作状态的选择，适应不同的工程环境，有效改善了传统钢板桩支护大而重的缺点，如图2所示。

　　图3~5所示为沟槽支护装备在施工时的几种运行状态简图。即分别实现整机吊装卸入沟槽、整机安装定位、根据沟槽高宽调节装备的宽度与立柱的高度、装备支护、人工布管覆土、装备收缩提升与行进、进入下一个施工段、完成整个沟槽路段的施工作业、整机吊装与转运。以上施工流程有效保证了施工人员的安全、降低了操作者的劳动强度和提高了施工进度。

       2关键零部件设计与参数选型

　　2.1提升机构设计与选型

　　根据立柱的设计质量对螺杆提升机进行选型，螺杆提升机选型标准：SWL5T+1.5 kW和SWL5T,SWL5T+1.5 kW为主动提升机，SWL5T为从动提升机，其转动比12∶1,螺杆设计行程900 mm,丝杆直径40 mm,螺距7 mm,螺杆提升机实际载质量为500 kg~2 t,装备整机设计质量1.5 t,即该载重范围满足整机的质量要求，且立柱、支护板以及辅助零部件质量小于1.5 t,图6所示为螺杆升降机结构。

　　设计中，施工管道直径为400~600 mm,布管后需覆盖200~300 mm的土层厚度固定管道，即覆土后螺杆提升机需提升立柱使其离开土层（提升高度200~300 mm),方便移动至下一个施工段。

　　表1所示为螺杆升降机基本参数。通过基本参数可以计算出升降300 mm的工作时长，即：

       式中：n out为螺杆机输出转速；n in为电机转速；i为速比。

　　代入数字计算得nout=2 r/s。

　　螺杆提升机的螺杆直径为M40 mm,其螺距为7mm,即螺杆提升速度为14 mm/s,故螺杆提升300 mm所花时长为21.4 s,该配速使整机运行状态较为稳定，适用于户外工程。

　　2.2伸缩机构设计与选型

　　剪叉式伸缩机构主要起支撑和宽度调节作用，其剪叉机构各连接处采用转动副连接，上端采用销孔连接，下端采用滑槽连接，左端滑槽内的剪叉杆与伸缩螺旋推顶传动机构连接，通过手动旋转推顶螺杆，可实现剪叉杆开合，实现间距的调整，适应不同宽度的沟槽，如图7所示。

　　推顶螺杆设计参数选型：螺杆直径M30 mm,螺距3.5 mm,及推顶螺杆转动一周螺杆伸缩3.5 mm,其中导向滑槽长360 mm,及需旋转螺杆约100转，可实现660~1 100 mm宽度之间的变化，剪叉机构即可实现从最小宽度到最大宽度的相互切换。现针对设计工况对土压力进行计算，已知开挖沟槽深度H<2 m,宽度为1.0~1.5 m,假设位于土层中，沟槽开沟选用挖机PC60的相关参数如表2所示。

　　沟槽长度各位置的土压力分布可视为相同，因此可从沟槽长度方向取1.0 m的长度作为土压力计算单元。由于沟槽所位于的土层可能不同，从安全的角度考虑该部分土层的重度取γ=20 kN/m3,综合内摩擦角取=30°（黏聚力为0);即挖掘机在坡顶产生的超载q为：

　　q=q挖机/(L接地×W履带）(2)

       式中：q挖机为挖掘机工作总重，61.8 kN;L接地为履带接地长度，2.13 m;W履带为履带全宽，2.15 m。

　　代入数值计算得q=13.5 kPa。计算单元的荷载与土压力分布，如图8所示。

　　根据朗肯土压力理论，侧壁土压力系数Ka为：

　　计算得Ka=0.33。

　　由土体自重产生的土压力为三角形分布，其底部土压力大小为：

　　σ±=γHKa(4)

　　式中：γ为土层重度；H为沟槽深度；Ka为侧壁土压力系数。

　　计算得底部土压力σ±=13.3 kN/m2。土体自重产生的土压力合力为：

　　由挖掘机超载所产生的土压力为矩形分布，其土压力大小为：

　　即土体自重和挖掘机产生的土压力和为22.3 kN。

       根据螺栓许用应力推荐表，查得M30允许最大拉力为216~432 kN,其分力远远大于土体自重和挖掘机产生的土压力22.3 kN,即满足工程应用。如表3所示为不同直径的螺母与螺栓允许的最大拉力，选择机械构造用钢，其可承受最大拉力为324 kN,其推顶螺杆结构尺寸合理。

　　剪叉杆连接销设计直径为φ24 mm,其连接销只承受剪切力，根据螺栓许用切应力：

　　式中：σs为材料的屈服强度，直径φ24 mm的调质45钢屈服强度为400 MPa;n为安全系数，静载时取n=2.5,变载时取n=3.5。

　　直径φ24 mm的45号钢螺栓能承受的最大剪切力：

　　计算得T=289.4 kN,由于φ24 mm的圆钢所能承受的最大剪切力大于M24螺栓的拉应力，所以289.4 kN>22.3 kN,即销钉设计尺寸取值φ24合理。

　　2.3行走机构设计与选型

　　行进机构主要由驱动轮、驱动轴、链条传动机构、减速电机、驱动轮安装座等组成，如图9所示。沟槽支护装备后端支护单元左右两侧分别独立设置两个减速电机为驱动轮提供动力。

　　驱动轮直径为300 mm,即驱动轮旋转一周，整机前进942 mm,且整机设计支撑长度为2000 mm。因此支护装备从当前施工段移动到下一施工段的距离为2000 mm,驱动轮旋转转数r=2.12转。

       整机质量1.5 t,橡胶轮与钢板之间的滚动摩擦因数为f=0.1~0.2,即整机牵引力F=1 500f=150~300 N。又根据驱动轮半径r=0.15 m,则转矩T=F×r=(22.5~45)N·m。为了匹配驱动轮行进速度和力矩，即选择减速电机功率W=400 W,减速比i=150,输出转速n=9 r/min=6.66 r/s,容许力矩为T=120 N·m>45 N·m,减速电机功率取400 W合理。表4所示为400 W减速电机参数表。

       支护装备从当前施工段移动到下一施工段的距离为2 000 mm,而驱动轮只需旋转2.12转，其行走时间t=n×r=14.1 s。该速度符合工程应用速度。

　　3工程应用

　　该项目应用于“汕尾市红海湾开发区田觧街道北山村望高村”管网工程，此次工程为乡村雨污分流施工段。由于乡村巷道狭窄、施工环境恶劣、且处于沿海多水地质，不易采用放坡的形式开挖，较适合采用明挖直槽的方式进行人工入槽铺管，可以大大减小沟槽槽口的宽度，施工的角度上存在地质不稳定性和人员施工危险性等问题。因此，需要增设防沟槽侧壁坍塌的支护装置，本项目所设计的该行走式快速支护装备在该环境下使用具有较大的优势。

　　该项目装备的研发通过参数计算、标准选型、传动方案设计、工厂制造、工厂安装调试、施工现场安装调试及现场入槽运行，其设计效果要求具有前后移动、宽度伸缩、上下升降等功能。通过现场实验运行，其前后移动、上下升降的时间节奏与理论设计选型的时间基本一致，宽度调节过程中通过人工手动搬动棘轮扳手，可以使用较小的力量实现宽度上的调节，与理论设计相符合。整套样机在完成各项指标的实验后，通过检查其重要的零部件，其结构与零部件基本完好，无受力变形严重等现象。

　　通过施工现场样机实验，能够较好地完成该装备的各项功能，解决了现场施工地质易塌方、其他支护方式不便操作和装备笨重等问题。保障了现场施工人员的人生安全和周边建筑物与管网系统的完整性。该装备还能够重复使用和多套装备协同使用，可实现扩大施工管网长度的施工段，大大提高了装备的适用性，为安全的完成槽底铺管相关作业提供了一套稳定、可靠、安全系数高的新型支护装备。如图10所示为样机现场调试运行图。

　　4结束语

　　本文分析了目前国内外沟槽基坑铺管过程的支护方式与装置结构特点，以及施工现场空间与地质特点，提出了一种行走式快速沟槽支护装备。其不仅可实现常规传统支护装备的支护功能，同时根据现场环境的需要也可实现宽度调节、高度调节以及自动行走等辅助功能。

　　在设计过程中考虑到现场施工便利性问题，采用虚拟样机的轻量化设计和实物样机的模块化安装。并进行了试验样机制造与现场调试运行，从现场调试运行效果来看，能够较好地实现宽度调节、高度调节以及自动行走等辅助功能。该技术具有较好的实用性和推广价值，为铺管工程、沟槽开挖支护工程提供了一种新的思路与装备。

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