淺析單側(cè)頂進(jìn)框架橋涵栽頭原因及防糾措施

翟長(zhǎng)青

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和鐵路跨越式發(fā)展重大戰(zhàn)略的深入實(shí)施，對(duì)提高鐵路運(yùn)輸能力和技術(shù)裝備水平提出了更高的要求，常見(jiàn)的公路鐵路平面交叉即平交道口已遠(yuǎn)不能適應(yīng)鐵路以人為本的安全理念和公路車流暢通的需要，近年來(lái)鐵路部門和地方政府已逐步對(duì)平交道口進(jìn)行了立交改造，其中以限速行車直接頂進(jìn)橋涵即單側(cè)頂入法施工為主。監(jiān)理工作實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)栽頭是橋涵頂進(jìn)中比較普遍的問(wèn)題，個(gè)別橋涵栽頭超過(guò)允許偏差，甚至造成永久缺陷。

1 栽頭發(fā)生過(guò)程及受力分析

1.1 橋涵頂進(jìn)移動(dòng)過(guò)程

橋涵頂進(jìn)起動(dòng)后沿滑板空頂，滑板一般設(shè)有仰坡，涵身先是沿滑板上升前移，當(dāng)框架被頂出滑板約1/3后，箱身進(jìn)入路基，滑板前端由于橋涵自重和鐵路活載共同作用使土體壓縮而開(kāi)始斷裂，框架開(kāi)始栽頭，框架重心離開(kāi)滑板后，栽頭趨勢(shì)加快，框架完全離開(kāi)滑板后，箱尾下沉，隨后框架在路基內(nèi)頂進(jìn)至就位。橋涵栽頭后如不及時(shí)分析趨勢(shì)或糾正，就位后可能造成標(biāo)高不符合設(shè)計(jì)要求甚至影響使用。

1.2 受力分析

框架橋涵作為剛架結(jié)構(gòu)體系，屬超靜定結(jié)構(gòu)，頂進(jìn)時(shí)結(jié)構(gòu)由剛性滑板進(jìn)入彈性地基就會(huì)引起栽頭，當(dāng)結(jié)構(gòu)前端入土，重心離開(kāi)滑板后，按彈性地基反力的分布規(guī)律，結(jié)構(gòu)前緣地基反力的集度值最大，因此引起地基壓縮沉降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)前傾，此時(shí)滑板前緣作為力矩中心，構(gòu)成了相反的兩種力矩(抬頭力矩和栽頭力矩)。頂進(jìn)中結(jié)構(gòu)受力包括頂進(jìn)頂力、結(jié)構(gòu)自重、線路(含加固)及行車活載、地基支持力、涵身摩阻力、船頭坡垂直及水平分力、刃角垂直及水平分力等，其中前三種力引起栽頭力矩，后四種力引起抬頭力矩，當(dāng)抬頭力矩大于栽頭力矩，框架抬頭，否則，框架栽頭。隨著框架頂進(jìn)前移，結(jié)構(gòu)自重和線路及行車活載的力偶臂逐漸增大，構(gòu)成的栽頭力矩影響也逐步增大，當(dāng)相應(yīng)增加的抬頭力矩不足以抵消這些影響時(shí)，栽頭逐漸嚴(yán)重。結(jié)構(gòu)尾端離開(kāi)滑板后，構(gòu)成抬頭和栽頭力矩的基本因素沒(méi)有變化，力矩中心移至結(jié)構(gòu)尾端，外力矩對(duì)結(jié)構(gòu)的作用結(jié)果隨之變化。

2 栽頭的主要原因及防糾原則

2.1 引起栽頭的主要原因

1)橋涵地基的土質(zhì)條件:不同的土質(zhì)由于內(nèi)摩擦角不同，其土壓力對(duì)橋涵周邊產(chǎn)生的摩阻力也不同，同時(shí)地基承載力的大小也影響框架頂進(jìn)高程。黃土地區(qū)地基承載力較高，但由于各種原因，土壤含水率往往偏高和土質(zhì)松軟，容易引起頂進(jìn)栽頭。2)刃角的構(gòu)造形式:頂進(jìn)橋涵多采用在結(jié)構(gòu)前端預(yù)制鋼筋混凝土刃角，該構(gòu)造形式使結(jié)構(gòu)重心前移，容易引起栽頭，特別是刃角進(jìn)入線路下路基后，由于列車通過(guò)時(shí)的沖擊和振動(dòng)會(huì)使栽頭因素加大。3)頂進(jìn)開(kāi)挖方式:頂進(jìn)時(shí)按結(jié)構(gòu)輪廓開(kāi)挖可減小頂進(jìn)阻力，但在土壤含水率較高的條件下，略微超挖頂進(jìn)時(shí)地基受到擾動(dòng)就可引起結(jié)構(gòu)栽頭。

2.2 防糾原則

查明地基，認(rèn)真預(yù)防，加強(qiáng)觀測(cè)，綜合分析，及早糾正。

3 防糾措施

3.1 方案中的技術(shù)措施

1)底板前端設(shè)置船頭坡:施工圖中一般對(duì)滑板仰坡都作了明確要求，對(duì)船頭坡設(shè)置一般不明確要求?！按^坡”在土壓力的作用下沿斜面的垂直分力可起到上抬作用，以此增加結(jié)構(gòu)的抬頭力矩，相應(yīng)抵消栽頭力矩，船頭坡尺寸可沿底板前端底部設(shè)為水平長(zhǎng)60 cm，垂直高2 cm。2)合理選擇刃角形式:刃角的主要作用是切土和防止路基坍塌，并能減小頂進(jìn)阻力增大抬頭力矩。一般采用的懸臂式圬工刃角由于刃角自重使橋涵重心前移而增大栽頭力矩，如涵身長(zhǎng)度較短則栽頭影響尤為敏感，而且頂進(jìn)就位后刃角還需補(bǔ)齊接長(zhǎng)，設(shè)計(jì)一般采取橋涵尾端單側(cè)設(shè)混凝土平衡重兼作擋墻解決這種矛盾，有一定的效果但不經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)實(shí)施的平改立黃土地區(qū)路基直立性較好，如地基條件較好可取消刃角和平衡重，以降低栽頭影響和節(jié)約投資，如路基比較密實(shí)而頂力不足，也可選取自重較小的鋼刃角消除栽頭影響和減小圬工量。3)適當(dāng)加大滑板仰坡:一般設(shè)計(jì)上取滑板仰坡為2‰，如施工中發(fā)現(xiàn)地基含水率較高，可將仰坡適當(dāng)加大至4‰左右，對(duì)抵消頂進(jìn)栽頭能起到一定的作用。4)滑板設(shè)橫向沉降縫:頂進(jìn)時(shí)橋涵重心離開(kāi)滑板而使滑板前端成為力矩中心，隨著頂進(jìn)行程增大而使滑板拉斷，如在滑板前端1/3～1/4處橫向設(shè)置沉降縫，使頂進(jìn)到一定位置時(shí)前端滑板整體下沉，引起框架整體下沉而減小框架前端栽頭。

3.2 施工中的保證措施

1)增設(shè)過(guò)渡段:如地基含水率較高，土質(zhì)松軟，可在滑板前端換填30 cm～50 cm的砂夾石等作為過(guò)渡段以增強(qiáng)基底承載力，達(dá)到防止栽頭的目的。2)基底適當(dāng)欠挖:刃角和底板正面的開(kāi)挖對(duì)結(jié)構(gòu)頂進(jìn)高程影響最大，因此基底適當(dāng)欠挖可明顯糾正栽頭，即在基底面以下略有欠挖或按結(jié)構(gòu)輪廓開(kāi)挖進(jìn)行吃土頂進(jìn)，通過(guò)增大船頭坡上的被動(dòng)土壓力使結(jié)構(gòu)逐步抬頭而糾正栽頭，這種辦法在有船頭坡時(shí)非常有效。兩側(cè)刃角部位適當(dāng)欠挖也可起到相應(yīng)作用。如果頂力有較大富余而栽頭量較大時(shí)，也可采取全斷面不挖強(qiáng)行頂進(jìn)來(lái)糾正栽頭。3)強(qiáng)行抬高結(jié)構(gòu)前端:如果頂進(jìn)時(shí)栽頭嚴(yán)重糾正困難，如孔徑較小且涵頂無(wú)覆土?xí)r，可在兩側(cè)邊墻下和前端底板中部布置千斤頂強(qiáng)行抬高結(jié)構(gòu)，頂起后墊入混凝土預(yù)制塊或混凝土枕并形成仰坡頂進(jìn)糾正栽頭。4)“接長(zhǎng)”滑板:頂進(jìn)中因土質(zhì)松軟連續(xù)栽頭時(shí)，可在挖土?xí)r基底適量超挖30 cm左右，鋪設(shè)15 cm碎石墊層并用砂找平做5‰仰坡后，鋪設(shè)混凝土預(yù)制塊或灌注高強(qiáng)快硬混凝土“接長(zhǎng)”滑板以抬頭頂進(jìn)來(lái)糾正栽頭。5)增加配重:同設(shè)刃角相反，可在結(jié)構(gòu)尾端增加配重使結(jié)構(gòu)重心后移改變箱身前端土壤受力狀態(tài)糾正栽頭，配重可使用線路加固時(shí)換下的混凝土枕或其他材料堆碼，既可防止栽頭，還能改善現(xiàn)場(chǎng)材料堆放條件，對(duì)延緩栽頭趨勢(shì)有一定的積極作用，注意糾正達(dá)標(biāo)后卸載要逐步進(jìn)行，防止抬頭。6)改善線路加固體系:傳統(tǒng)的橫抬梁法加縱向扣軌加固線路體系費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自重較大，且對(duì)列車速度限制較大，對(duì)栽頭力矩影響不利。近年來(lái)列車慢行45 km/h條件下選用的便梁加固體系就比較安全、便捷、節(jié)約，對(duì)減小線路和行車活載引起的栽頭力矩作用明顯。7)固化基底:基底含水率較高土質(zhì)較軟時(shí)，可采取固化基底措施處理，如換填灰土、砂夾卵石、打短木樁、石灰樁等提高基底承載力以防止栽頭。

3.3 就位后的補(bǔ)救措施

1)引道順坡:橋涵就位后如能滿足凈空要求，一般不對(duì)橋涵栽頭進(jìn)行處理，可采取調(diào)整引道坡度的方法，將引道和框架內(nèi)道路順接處理。2)千斤頂起抬:橋涵就位后栽頭不能滿足設(shè)計(jì)要求和使用功能時(shí)，如涵頂無(wú)覆土，可在底板前端均布千斤頂起抬，在結(jié)構(gòu)前端打生石灰樁，通過(guò)石灰樁消解膨脹固化地基并抬高框架標(biāo)高。

4 防糾注意事項(xiàng)

1)施工前監(jiān)理和施工單位應(yīng)認(rèn)真核對(duì)地質(zhì)資料，探明地基。2)頂進(jìn)橋涵盡量避開(kāi)雨季，施工時(shí)必須做好臨時(shí)防排水設(shè)施。3)充分預(yù)想，監(jiān)理應(yīng)審查施工單位預(yù)先擬訂的防糾措施和防糾材料。4)督促施工單位認(rèn)真制定施工方案，細(xì)化施工組織，精心組織施工，避免因違反操作工藝、施工規(guī)范人為造成框架栽頭。5)設(shè)立觀測(cè)，專人及時(shí)對(duì)頂進(jìn)中滑板和框架結(jié)構(gòu)變化情況及框架的栽、抬頭情況進(jìn)行觀測(cè)，認(rèn)真記錄、分析觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)可能發(fā)展的栽頭趨勢(shì)及早判斷預(yù)防。6)監(jiān)理對(duì)栽頭防糾措施必須組織專項(xiàng)審查，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，綜合、科學(xué)、慎重選用防糾方案，個(gè)別措施如生石灰樁、布頂強(qiáng)頂?shù)缺仨氼A(yù)先進(jìn)行檢算，切忌矯枉過(guò)正，引起抬頭超限或結(jié)構(gòu)受損。7)頂進(jìn)中防糾措施宜提早實(shí)施，盡量避免就位后栽頭超標(biāo)，選用糾正措施時(shí)必須進(jìn)行優(yōu)化比選，避免框架結(jié)構(gòu)受損或基底不密實(shí)引起框架就位后不均勻沉降造成隱患。

5 結(jié)語(yǔ)

單側(cè)頂進(jìn)框架橋涵栽頭現(xiàn)象是平改立施工中具有普遍性而又不易處理的問(wèn)題，影響了頂進(jìn)質(zhì)量甚至造成永久缺陷，栽頭防糾必須認(rèn)真研究其發(fā)生的原因及規(guī)律，正確把握防糾原則，充分借鑒成功經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)選用糾偏措施，保證橋涵頂進(jìn)就位后滿足設(shè)計(jì)要求、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和使用功能。

[1] 鐵道部第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院.橋涵頂進(jìn)設(shè)計(jì)與施工[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1983.