下穿既有線箱涵頂進施工監(jiān)測研究

譚向榮

[摘 要]箱涵頂進施工技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于穿越鐵路、機場、市政道路、高速公路以及長城古跡等建筑物的立交工程中。提出一套箱涵姿態(tài)全程自動數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)可在箱涵頂進的過程中對箱身的軸線、進程、涵端土壓力以及后背變形進行全程的、實時的跟蹤監(jiān)測并通過系統(tǒng)的軟件處理及時采取相應(yīng)的措施。防止箱涵“扎頭”“抬頭”，保證了箱涵頂進的施工質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]公路、箱涵、頂進施工、變形監(jiān)測、盾構(gòu)法

中圖分類號：U445.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0230-01

1 監(jiān)測的目的和意義

箱涵頂進施工，通常是在道路箱涵工程中利用一定的機械設(shè)備和傳力配套裝置組成的頂進動力系統(tǒng)，將預(yù)制好的箱涵結(jié)構(gòu)主體頂推穿越既有建筑物或既有結(jié)構(gòu)設(shè)施下覆土體的一種施工方法。下穿既有線工程必須在保證既有公路或者鐵路線正常運營的前提下進行施工。箱涵在下穿頂進施工期間，路基下的土體必然會受到一定的擾動，進而導(dǎo)致周圍的土體及原有的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，當(dāng)變形量超過土體和原有結(jié)構(gòu)的極限強度時，就會造成不同程度的破壞。甚至，當(dāng)原有地層的位移超過規(guī)定限度時，就會影響到既有線路的正常運行。在箱涵下穿頂進施工期間，必須要進行箱涵頂進方向偏差和高程、頂進系統(tǒng)和鐵軌及其下方地基等的現(xiàn)場監(jiān)控測量。通過現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析，首先為下穿頂進施工過程及時反饋信息，調(diào)整施工方法。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 路面變形監(jiān)測

路面變形引起的主要原因：頂進施工過程土體受到擾動、路基降水。而路面變形主要是在頂進過程中對土的擾動引起的。從施工角度看，頂進施工工藝復(fù)雜，流程較長，各個關(guān)鍵工序都會引起地表沉降。施工對地表沉降的影響是動態(tài)變化、逐步積累的，按照施工工序?qū)σ鸬乇沓两档募毠?jié)進行分析，制定控制地面沉降的階段性目標(biāo)，實現(xiàn)對每個施工步引起地表沉降進行有效控制和安全管理。

開挖基坑引起的地面沉降，基坑開挖引起的地面沉降從原理上講都是由于開挖時的卸荷回彈產(chǎn)生?？梢詺w結(jié)為以下幾個方面的原因：

⑴基坑開挖過程中，土體出現(xiàn)卸荷回彈，導(dǎo)致維護土體產(chǎn)生水平位移，打破周圍土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，周圍土體向基坑內(nèi)移動，產(chǎn)生地面沉降。

⑵基坑開挖時受到的施工擾動，既包括基坑開挖時產(chǎn)生的超挖欠挖，圍護不及時，機械振動，也包括臨近工程的施工擾動等。

⑶基坑坑底底面處理不夠，坑底硬化不足。箱涵頂進時，由于坑底不平整，或者坑底強度不均勻，出現(xiàn)“抬頭”、“扎頭”等?；娱_挖時出現(xiàn)卸荷回彈，產(chǎn) 生基底不同程度隆起。而坑底作為箱涵預(yù)制的場所，且為頂進提供線路，坑底強度達不到標(biāo)準(zhǔn)，直接造成箱涵的下沉?？拥椎膹姸炔痪鶆?，箱涵在頂進 時則會產(chǎn)生水平剪切力，造成“抬頭”或者“扎頭”?？拥兹缥翠佋O(shè)隔離層， 則會直接導(dǎo)致，箱涵底部與基底粘結(jié)在一起。

根據(jù)試驗，箱涵的推進速率對路面變形有較大的影響。速率越大，地表變形

波動越大，對不同工程，頂進速率的范圍也不一樣。所以進行全面跟蹤監(jiān)測，合理布置監(jiān)測點。在頂進前后時刻對路面沉降進行監(jiān)測，以確定頂進的速率。

2.2 軸線偏位監(jiān)測

在箱涵軸線位置設(shè)置兩個位移傳感器，兩個位移傳感器用于監(jiān)測箱涵在推進過程中箱涵實際軸線與設(shè)計軸線之間的水平偏移量。通過FD數(shù)據(jù)采集板將水平偏移量收集到計算機，再通過軟件進行處理。兩個位移傳感器應(yīng)設(shè)置在滑板前段位置，兩個位移傳感器間距1m。另外設(shè)置一個箱涵軸向進尺位移傳感器，用于監(jiān)測箱涵在推進過程中箱涵沿軸向前進的位移量。將水平偏移量與軸向位移量通過專用軟件進行綜合分析處理，可得出箱涵前段的水平偏移量，可采用箱體后部兩側(cè)頂力校正法進行即時糾偏，為避免掌子面坍方引起施工安全事故，頂進施工期間

不宜用挖土校正法來控制箱體的軸線偏位。

2.3 箱體高程監(jiān)測

在箱涵前端兩個角點位置設(shè)置兩個高程傳感器，兩個位移傳感器用于監(jiān)測箱涵在推進過程中箱涵前端兩個角點的實際高程與設(shè)計高程之間偏差。通過FD數(shù)據(jù)采集板將水平偏移量收集到計算機，再結(jié)合將水平偏移量與軸向位移量通過軟件進行處理，可以用圖像直觀的反映每一時刻箱涵整體在空間的姿態(tài)，同步與設(shè)計的箱涵空間位置細心比較以便采取措施即時校正姿態(tài)。

2.4 箱端土壓力監(jiān)測

在箱涵前端上部刃角處設(shè)置三個土壓力檢測器，用于監(jiān)測箱涵在推進過程中箱涵前端的土體壓力，防止土壓力過大將路面頂起，通過FD數(shù)據(jù)采集板將水平偏移量收集到計算機，同步與土體的被動土壓力值進行比較，以便即時控制頂進速度及頂進長度。

2.5 箱涵與后背墻的應(yīng)力與變形控制

在箱涵頂進施工過程中，箱涵與周圍土體的摩擦力過大可能造成千斤頂?shù)捻斄^大而引起箱涵結(jié)構(gòu)或者后背墻的破壞，導(dǎo)致工程的失敗d 為了確?？驑?gòu)涵以及后背墻在施工過程中滿足強度和變形要求，避免其應(yīng)力和撓度超限而引起結(jié)構(gòu)的開裂，確保施工安全，在應(yīng)力集中和彎矩峰值容易出現(xiàn)的部位布設(shè)鋼筋計和應(yīng)變計，在框構(gòu)涵頂進時對箱涵結(jié)構(gòu)和后背墻進行了應(yīng)力和變形監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)狀況，出現(xiàn)超載情況，即發(fā)出警告，調(diào)整施工狀態(tài)。

3 箱涵頂進存在主要問題的處理措施

3.1 對于箱涵頂進“抬頭”與“扎頭”處理新措施

根據(jù)以往工程實踐表明在軟土層上大型箱體頂進過程中，土質(zhì)越軟，頂進距離越長，其“扎頭”現(xiàn)象越明顯。在箱涵頂進過程中，根據(jù)箱涵對土體壓縮變形量來設(shè)計刃角的仰角的角度。根據(jù)土力學(xué)試驗的數(shù)據(jù)以及箱底上部荷載進行計算，設(shè)計出仰角的角度。然而最具有有效的方法是設(shè)計能上下轉(zhuǎn)動的刃角。在頂進過程中，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)反饋的高程位移，由計算機將信號傳輸給可控制刃角處的千斤頂及時調(diào)整刃角吃土的角度，這樣就能及時糾正箱體扎頭。

3.2 對于箱涵頂進“超挖”與“欠挖”處理新措施

用有限元方法分析研究路面發(fā)生隆起和下沉?xí)r掌子面的土壓力兩種臨界值。根據(jù)對掌子面土壓力的計算，大致確定箱涵頂進過程中箱內(nèi)土體的挖方。再根據(jù)上述所設(shè)計的箱涵姿態(tài)全程自動數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)，可以時刻對掌子面的土壓力進行監(jiān)測。這樣就可以實時確定挖方，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)及時反饋掌子面的土壓力，以確定具體開挖量的多少。這樣能防止超挖導(dǎo)致掌子面坍塌以及路面變形或者由于欠挖導(dǎo)致路面隆起和推移。

4 結(jié)論

針對在軟弱土層中超淺埋深大體積箱涵頂進技術(shù)所出現(xiàn)的問題，擬研發(fā)一套箱涵姿態(tài)全程自動數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在箱涵頂進的全過程中對箱身的軸線、進程以及涵端土壓力進行實時跟蹤監(jiān)測，進行實時數(shù)字記錄；可以大量減少測量工作，提高效率，節(jié)約費用；及時發(fā)現(xiàn)偏差，即時的分析系統(tǒng)可以讓指揮人員及時采取措施，糾正偏差。涵端土壓力監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測箱涵在推進過程中箱涵前端的土體壓力，防止土壓力過大將路面頂起?？梢约磿r控制頂進速度及頂進長度，能夠提高效率，節(jié)約費用。該系統(tǒng)能有效的解決軟弱土層中超淺埋深大體積箱涵頂進施工中所出現(xiàn)的問題。

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