复杂地质条件下管网沟槽支护结构选型与稳定性分析

引言

随着城市化进程的加速，城市基础设施建设规模不断扩大，管网工程作为城市运行的重要支撑，其建设数量日益增多。管网沟槽开挖是管网工程的关键环节，然而，在实际工程中，常常会遇到复杂地质条件，如软土地层、砂卵石地层、岩溶地区以及存在断层等不良地质构造。这些复杂地质条件给管网沟槽支护结构的设计与施工带来了极大的困难，支护结构不仅要承受土体的侧向压力、地下水压力等荷载，还要应对地质条件的不确定性和复杂性。若支护结构选型不当或稳定性不足，极易引发沟槽坍塌、周边建筑物沉降等安全事故，不仅会影响工程进度和造价，还会对人民生命财产安全造成严重威胁。因此，开展复杂地质条件下管网沟槽支护结构选型与稳定性分析具有重要的现实意义。

1、复杂地质条件对管网沟槽支护结构的影响

1.1 软土地层

软土地层具有含水量高、压缩性大、强度低等特点。在管网沟槽开挖过程中，软土容易产生较大的变形，导致沟槽边坡失稳。同时，软土的蠕变性会使支护结构承受持续的压力，增加支护结构的变形和破坏风险。例如，在某软土地区的管网工程中，由于未充分考虑软土的特性，采用简单的支护方式，结果在沟槽开挖过程中出现了边坡大面积滑塌事故，导致工程延误和周边建筑物受损。

1.2 砂卵石地层

砂卵石地层颗粒间黏聚力较小，透水性强。在沟槽开挖时，容易发生坍塌和流砂现象，增加基坑内的涌水量，给支护和施工带来极大困难。当地下水水位较高时，砂卵石地层中的水压力会对支护结构产生较大的侧向压力，可能导致支护结构失稳。如在某砂卵石地层的管网沟槽施工中，由于降水措施不当，引发了流砂现象，导致沟槽周边地面沉降，影响了周边道路的正常使用。

1.3 岩溶地区

岩溶地区存在溶洞、溶槽等地质构造，地质条件复杂多变。在管网沟槽开挖过程中，可能会遇到未探明的溶洞，导致沟槽突然塌陷，对施工人员和设备造成严重威胁。此外，岩溶地区的水文地质条件也较为复杂，地下水的流动可能会带走溶洞中的填充物，进一步加剧沟槽的不稳定性。

2、管网沟槽支护结构选型原则与方法

2.1 选型原则

安全性原则：支护结构必须具备足够的强度、刚度和稳定性，能够承受沟槽开挖过程中土体的侧向压力、地下水压力以及施工荷载等，确保施工期间和运营阶段的安全。

经济性原则：在满足安全性和适应性的前提下，应尽量选择经济合理的支护结构。要综合考虑支护结构的材料成本、施工成本、工期等因素，通过优化设计和施工方案，降低工程成本，提高经济效益。

适应性原则：支护结构的选型应充分考虑地质条件的差异。针对不同的土壤类型、地下水水位和地质构造，选择与之相适应的支护结构形式。

环境保护原则：设计还需考虑环境保护，减少施工对周边环境的影响，如噪音、粉尘和地下水污染等。

2.2 选型方法

地质勘察与分析：施工前，必须进行详细的地质勘察工作。通过地质钻探、原位测试等手段，获取准确的地质资料，包括土壤类型、土层分布、土体物理力学参数、地下水水位及水质等信息。地质勘察结果是支护结构选型和施工方案制定的重要依据，要确保勘察数据的准确性和完整性。

经验类比法：参考类似地质条件和工程规模的管网沟槽支护工程案例，借鉴其成功的支护结构选型经验。分析不同支护结构在该类地质条件下的适用性和优缺点，结合本工程的具体情况进行选型。

理论计算与模拟分析：根据地质勘察结果和工程要求，对不同支护结构进行力学计算和有限元模拟分析。通过计算支护结构的内力、变形以及土体的应力、应变分布情况，评估支护结构的稳定性和适用性，为选型提供科学依据。

3、常见管网沟槽支护结构类型及适用地质条件

3.1 放坡开挖

结构特点：通过将沟槽边坡开挖成一定坡度，利用土体自身的稳定性来维持沟槽的安全。在开挖过程中，可根据需要设置多级边坡，并在坡面上采取防护措

施，如铺设草皮、挂网喷浆等。

适用地质条件：适用于地质条件较好、地下水位较低、沟槽深度较浅的情况。一般要求土体具有较高的抗剪强度和稳定性，如硬黏土、密实砂土等地质条件。在这种情况下，放坡开挖可以降低支护成本，提高施工效率。

3.2 钢板桩支护

结构特点：钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧型钢，通过相互连接形成连续的墙体，起到挡土和止水的作用。钢板桩具有强度高、施工速度快、可重复使用等优点。常见的钢板桩有U 型、Z 型等。

适用地质条件：适用于软土地层、砂土以及地下水位较高的地区。在软土地层中，钢板桩能够有效地抵抗土体的侧压力，同时其锁口结构可以较好地阻止地下水的渗漏。在砂土中，钢板桩的打入相对容易，能够快速形成支护结构。

3.3 灌注桩支护

结构特点：通过在沟槽周边钻孔，然后灌注混凝土形成的排桩支护结构。灌注桩具有刚度大、抗弯能力强的特点，可以根据沟槽的深度和地质条件进行灵活设计。灌注桩之间可以采用桩间土防护措施，如挂网喷浆等，以防止土体坍塌。对于地下水丰富的地区，可结合止水帷幕等措施，共同保证沟槽的稳定性。

适用地质条件：适用于各种地质条件，尤其在地质条件复杂、对变形控制要求较高的地区。在软土地层中，灌注桩可以深入到较硬的土层中，提供可靠的支护；在砂卵石地层中，灌注桩可以克服成孔困难的问题，保证支护效果。

3.4 地下连续墙

结构特点：在地面上采用挖槽机械，沿着深开挖工程的周边轴线，在泥浆护壁条件下，开挖出一条狭长的深槽，清槽后，在槽内吊放钢筋笼，然后用导管法灌注水下混凝土，筑成一个单元槽段，如此逐段进行，在地下筑成一道连续的钢筋混凝土墙壁。地下连续墙具有整体性好、刚度大、防渗性能强等优点。

适用地质条件：适用于对沟槽变形控制要求较高、地质条件复杂、地下水位较高的地区。在软土地层中，地下连续墙能够有效控制沟槽的变形，保护周边建筑物和地下管线的安全。

4、管网沟槽支护结构稳定性分析方法

4.1 极限平衡法

极限平衡法是管网沟槽支护结构稳定性分析中常用的方法之一。该方法假定支护结构处于极限平衡状态，通过分析土体的滑裂面形状和受力情况，计算支护结构所需的抗力。常用的极限平衡法有瑞典条分法、毕肖普法等。在复杂地质条件下，需要根据不同地层的特性，合理选择计算参数，如土体的黏聚力、内摩擦角等。

4.2 有限元法

有限元法能够较为真实地模拟支护结构和土体的相互作用，考虑土体的非线性、非均匀性等特性。通过建立三维有限元模型，对沟槽开挖过程进行模拟分析，得到支护结构的内力、变形以及土体的应力、应变分布情况，从而评估支护结构的稳定性。有限元法可以直观地反映出复杂地质条件对支护结构稳定性的影响，为优化设计提供有力依据。

结语

复杂地质条件下管网沟槽支护结构的选型与稳定性分析是一项系统而复杂的工作。通过合理选择支护结构类型、优化材料和结构参数、考虑与周边环境的协同设计等措施，可以提高支护结构的安全性和经济性。同时，采用科学的稳定性分析方法，准确分析影响稳定性的因素，随着智能监测与数字建模技术的发展，管网沟槽支护工程将在精细化、信息化和智能化方向持续优化，实现更高水平的工程安全与经济性。

参考文献

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