論頂入箱涵后背形式及其設(shè)計(jì)

吳治軍

（山西省公路局朔州公路分局，山西 朔州 036002）

1 緒論

頂管隧道是公路與鐵路構(gòu)成立體交叉的一種特殊構(gòu)造物，它在不中斷現(xiàn)有鐵路交通的情況下，將預(yù)制好的箱涵用頂進(jìn)法施工，用頂進(jìn)法穿越鐵路，與鐵路構(gòu)成立體交叉，這種形式稱(chēng)為頂管隧道或頂進(jìn)箱涵橋。箱涵在頂入法施工過(guò)程中，承受頂力的后背是施工組織設(shè)計(jì)中的重要部分。雖然是臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，但對(duì)能否順利進(jìn)行施工有較大關(guān)系。在頂進(jìn)過(guò)程中不允許后背結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形，如果產(chǎn)生過(guò)大變形或移位就會(huì)嚴(yán)重影響箱涵頂進(jìn)的精度，甚至迫使施工停頓，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。相反地一味追求牢固堅(jiān)實(shí)，把后背建筑得過(guò)分龐大而增大造價(jià)也是不允許的?？傊窗踩煽?，又不能追求過(guò)大的安全度，過(guò)分牢固的后背不僅浪費(fèi)材料，而且會(huì)給拆除工作帶來(lái)不必要的麻煩。

2 后背的形式

過(guò)去在頂入箱涵施工中，常用的后背構(gòu)造形式有以下3種。

2.1 板樁式后背

由鋼板樁或型鋼（鋼軌、工字鋼、槽鋼等組合）、后背梁及后背填土3部分組成。必須按要求的位置先打入板樁或型鋼后再進(jìn)行土體開(kāi)挖（與工作坑土體開(kāi)挖相結(jié)合），次序不能顛倒，這樣做才能確保后填土的密實(shí)性，挖出的土體可以推置在后背上，后背梁與工作坑內(nèi)的滑板可以設(shè)計(jì)成整體的。為了頂進(jìn)完畢后能順利地拔除鋼板樁，可在后背梁和板樁之間用油氈隔離。

板樁式后背可根據(jù)不同的設(shè)計(jì)頂力，在延長(zhǎng)方向打入不同大小斷面的鋼樁，在頂力大的部分應(yīng)用斷面大、數(shù)量多的樁；反之可以用斷面小、數(shù)量少的樁，這種方法對(duì)快、慢車(chē)道分離的三箱方案特別適宜。

頂力計(jì)算可根據(jù)頂進(jìn)長(zhǎng)度、土的性質(zhì)、地下水情況、箱涵框架外形及施工方法等因素，按橋涵設(shè)計(jì)規(guī)程中的公式進(jìn)行計(jì)算。即：

式中：P：最大頂力；

N1：箱涵頂部荷重（包括路線加固材料重量）；

f1：箱涵頂上表面與頂上荷載之間的摩擦系數(shù)。根據(jù)頂上潤(rùn)滑處理情況經(jīng)試驗(yàn)確定，如無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)可按下列數(shù)值采用：涂石蠟為0.17~0.34，涂滑石粉漿為0.30，涂機(jī)油調(diào)制的滑石粉漿為0.20，覆土較厚時(shí)用0.7~0.8；

N2：箱涵自重；

f2：箱涵底版與基底土的摩擦系數(shù)，視基底土的性質(zhì)經(jīng)試驗(yàn)而定，無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)可采用0.7~0.8；

E：箱涵兩側(cè)土壓；

f3：側(cè)面摩擦系數(shù)，視土的性質(zhì)而定，無(wú)實(shí)地試驗(yàn)資料時(shí)，可用0.7~0.8；

R：鋼刃角處正面阻力，視刃角的構(gòu)造、挖土方法、土的性質(zhì)經(jīng)試驗(yàn)確定；

A：鋼刃角正面積；

K：系數(shù)，一般采用1.2。

2.2 拼裝(預(yù)制塊)式后背

主要由鋼筋混凝土預(yù)制塊或鋼筋混凝土預(yù)制樁、墊層后背填土3部分組成。為了減輕預(yù)制塊自重（便于吊裝），可采用加勁肋式，承受頂力的加勁肋傳來(lái)的集中力，經(jīng)版分散為均布力。預(yù)制塊的尺寸一般為1×1×3m自重近3t一塊，可承受頂力600~800kN。預(yù)制樁的尺寸一般為1×0.5×3 m，自重35~40 kN，在密排的預(yù)制樁和土體之間可砌筑漿砌塊石墊層，承受頂力可達(dá)100~120 t（1 000~1 200 kN）。

拼裝式后背較板樁式后背節(jié)省施工時(shí)間，后背的制作可在工作坑挖好后進(jìn)行，無(wú)須打樁工序，而且可以作為專(zhuān)用設(shè)備反復(fù)使用，節(jié)省鋼材，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值也高，但對(duì)后背背部的填土必須做到分層夯實(shí)，使土體獲得較高的密實(shí)度。

2.3 重力式背后

由后背墻、鋼筋混凝土墊梁和后背填土構(gòu)成，常用的重力式后背墻，由漿砌塊石砌筑而成。后背一般是在工作坑挖好后進(jìn)行壓實(shí)，達(dá)到壓密程度，保證填土的內(nèi)摩擦角在25°~30°以上。在頂入工序結(jié)束后，拆除工作較前兩類(lèi)后背要簡(jiǎn)便得多，不需要打樁架和起重吊車(chē)等大型設(shè)備，而且拆下的石塊仍可供其它砌筑工程使用，所以造價(jià)低廉，特別是在容易采集石料的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)盡量使用重力式后背結(jié)構(gòu)，以便提高經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，不過(guò)這種后背的單位長(zhǎng)度頂力不宜超過(guò)700~800 kN／m2。

3 后背的設(shè)計(jì)計(jì)算

目前，國(guó)內(nèi)箱涵頂入工程的背后設(shè)計(jì)多半用朗金被動(dòng)土壓理論計(jì)算被動(dòng)土壓力，也有用庫(kù)倫被動(dòng)土壓理論設(shè)計(jì)后背的。郎金土壓理論假定擋土墻是垂直的，墻背是光滑的（亦即δ=0，δ為被墻和土體之間的外摩擦角）。當(dāng)填土與墻頂齊平時(shí)，郎金的被動(dòng)土壓公式為：

由于實(shí)際上外摩擦角δ≠0，因而按朗金公式計(jì)算出的土壓力偏小，該式計(jì)算簡(jiǎn)便，故設(shè)計(jì)者樂(lè)于采用。

根據(jù)計(jì)算與試驗(yàn)當(dāng)φ=30°，δ=0.5φ時(shí)，被動(dòng)土壓系數(shù)可達(dá)到4.4左右，而該公式算出的被動(dòng)土壓系數(shù)僅3.0左右，兩者相差達(dá)1.5倍，即相當(dāng)于用朗金公式計(jì)算被動(dòng)土壓值時(shí)，已包括了1.5倍安全系數(shù)在內(nèi)。因此設(shè)計(jì)后背土抗力時(shí)，就不必再加安全系數(shù)了，計(jì)算頂力就等于后背動(dòng)土壓力。

有時(shí)為了增大被動(dòng)土壓力值，在后背墻的后上方填筑上一定高度的土方，則墻頂處P1=γh2tg2（45°+φ/2）。

α在0~90°之間時(shí)，則ε=α/90°式中ε和α本來(lái)不是直線變化，為了簡(jiǎn)化計(jì)算將墻頂以上的斜坡填土高度h2予以折減，換算成一個(gè)相當(dāng)于豎直填土?xí)r的大致高度，以便仍能按朗金公式計(jì)算。因此：

墻頂處：P1=γεh2tg2（45°+φ/2）

墻底處：P2=γ（h1+εh2）tg2（45°+φ/2）

令：h2=mh1；μp=tg2（45°+φ/2）

得：P1=γεmh1μp

P2=γ（h1+εmh1)μp

則后背被動(dòng)土壓力：

Ep=1/2h1（p1+p2）

C=（p1+2p2）/3（p1+p2）×h1=（h1+3mεh1）/（3+6mε）

以上各式中：γ：后背填土容重10 kN/3 m，一般取值1.7；

H1：后背墻高，m；

φ：填土的內(nèi)摩擦角，一般用30°；

ε：斜坡填土影響系數(shù)，ε=α/90；

m：系數(shù)，m=h2/h1；

h2：后背墻上的填土高度，m；

α：墻頂填土坡面與水平線夾角。

后背梁的設(shè)計(jì)頂力計(jì)算公式為：p=EP（被動(dòng)土壓力）=F-G×f

式中：P：設(shè)計(jì)頂力；

F：最大頂力；

G：滑板重，（包括滑板上的施工荷載及壓載）；F：版與土之間的摩阻系數(shù)，通常采用0.6。