肋板式后背在橋涵頂進(jìn)中的應(yīng)用★

彭紅益 唐 立 赫亞楠 彭 柱

(中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410000)

·橋梁·隧道·

肋板式后背在橋涵頂進(jìn)中的應(yīng)用★

彭紅益 唐 立 赫亞楠 彭 柱

(中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410000)

后背是下穿公路、鐵路等立交工程中最為重要的臨時(shí)結(jié)構(gòu),故后背設(shè)計(jì)既要安全可靠、又要經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)頂進(jìn)橋涵的特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)例介紹承臺底座+肋板式后背墻后背結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用,旨在為橋涵頂進(jìn)后背的設(shè)計(jì)提供借鑒。

后背，頂進(jìn)施工，肋板式后背墻，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋涵頂進(jìn)施工技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于穿越鐵路、市政道路、高速公路等立交工程。后背是重要的施工組成部分，是千斤頂對橋涵施加頂力的依托，必須安全可靠，具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。但是，其作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，若設(shè)計(jì)太保守，又會造成很大的浪費(fèi)。因此，要因地制宜，設(shè)置安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工及拆除方便的后背。

目前一般的后背結(jié)構(gòu)形式主要有：板樁式、重力式和拼裝式。拼裝式后背需要現(xiàn)成的預(yù)制件；而樁板式后背的穩(wěn)定性和抗扭性沒有重力式好，但重力式后背存在結(jié)構(gòu)尺寸大的缺點(diǎn)。本文結(jié)合某下穿高速公路的橋涵工程，對采用的承臺底座+肋板式后背的結(jié)構(gòu)應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹，為類似工程提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 承臺底座+肋板式后背結(jié)構(gòu)形式

為保證提供足夠的抗推力，利用橋位處天然山體原狀中風(fēng)化板巖。圖1采用鋼筋混凝土承臺+肋板式后背墻的后背結(jié)構(gòu)形式。該后背墻的肋板背離填土體，底部承臺在千斤頂?shù)淖饔孟?，使得后背墻光面一?cè)(墻背)承受土體的被動(dòng)土壓力。

下面分別給出該后背各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1.1肋板式后背墻

由圖1可見，后背墻身被肋板劃分為一系列間隔，同時(shí)底部承臺對后背墻具有嵌固作用。則后背墻的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和配筋計(jì)算，可以按照三邊固定一邊自由的雙向板設(shè)計(jì)。

將肋板和后背墻聯(lián)合起來考慮，按翼緣受拉的變截面T形梁設(shè)計(jì)肋板。

1.2承臺后背座

承臺直接承受千斤頂?shù)捻斄ψ饔?，頂進(jìn)施工時(shí)后背土體產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力要與千斤頂頂力平行，可等效為水平面內(nèi)的彈性梁；另外承臺在后背墻和肋板的嵌固作用下也可視為三邊固定一邊自由的雙向板，承受一定固端彎矩。綜上，承臺受壓彎作用。

為保證承臺不被局部承壓破壞，須在承臺和千斤頂之間設(shè)置承壓板保護(hù)。

為增加承臺底板的抗滑穩(wěn)定性及后背反力，可在承臺底面后背墻位置加設(shè)凸榫，凸榫按照懸臂梁計(jì)算。

2 工程實(shí)例分析

2.1工程概況

本橋?yàn)樾陆?-16.5×9 m鋼筋混凝土框架，總長度36 m，分三節(jié)預(yù)制，每節(jié)長度為12 m。該框架橋在京港澳高速臨長段K1485+37.0處下穿公路，斜交夾角為81.6°。橋位地處矮山丘陵地區(qū)，勘探深度范圍內(nèi)地層分為兩層，表層為強(qiáng)分化板巖，下層為中風(fēng)化板巖；框架頂覆土厚度為1.65 m～2.28 m，頂進(jìn)施工方法采用鋼盾構(gòu)平刃切土支護(hù)，中繼間法頂進(jìn)。

2.2頂力計(jì)算

頂力計(jì)算是后背設(shè)計(jì)、頂進(jìn)設(shè)備配置、框架橋局部承壓強(qiáng)度驗(yàn)算的重要依據(jù)。按照J(rèn)TG/T F50—2011,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范，頂進(jìn)過程產(chǎn)生的最大阻力P為：

P=K[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]

(1)

其中，P為最大阻力；K為系數(shù)，取K=1.2；N1為框架頂上總荷載，9 239.8 kN；f1為框架頂部表面與頂部荷載之間的摩擦系數(shù)，取f1=0.2；N2為框架自重，18 120 kN；f2為框架底板與基底土之間的摩擦系數(shù)，取f2=0.7；E為框架兩側(cè)土壓力，按庫侖壓力計(jì)算，5 724 kN；f3為框架側(cè)面摩阻系數(shù)，取f3=0.7；R為盾構(gòu)刃角的正面阻力，挖空取為0；A為鋼刃角受力面積。

本工程框架分三節(jié)預(yù)制，每節(jié)長12 m，每兩節(jié)之間底板預(yù)留105 cm長中繼間，后一節(jié)作為前一節(jié)頂進(jìn)的后背。首節(jié)頂進(jìn)所受阻力最大，根據(jù)上述設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和式(1)，可以得到最大阻力P=30 003.6 kN。根據(jù)千斤頂?shù)臋C(jī)械性能，選10臺500 t臥式千斤頂，其最大頂力為：N=5 000×10×0.6=30 000 kN≈30 003.6 kN，可滿足要求。

2.3后背設(shè)計(jì)

根據(jù)工作坑深度、框架橋的寬度及后背頂力的單寬受力。擬定后背結(jié)構(gòu)尺寸如下：后背墻高h(yuǎn)1=3 m，寬度b1=1 m；肋板凈間距為ln=3 m，頂部寬度bt=1 m，底部寬度bb=3 m，厚度t=1 m；承臺高h(yuǎn)2=2 m，寬度b=5.5 m。另外在承臺底部加設(shè)1 m×1 m的凸榫。

后背全部位于中風(fēng)化板巖中，背墻頂面上有h0=1 m土體，坡度為1∶0.75。地基承載力600 kPa，重度γ=22 kN/m3，填土內(nèi)摩擦角φ=32°。承臺底面埋深為0.6 m。后背采用C30混凝土，HRB400級鋼筋。

后背荷載驗(yàn)算:

1)后背所承受最大頂力P背max:

后背所承受最大頂力為最大阻力扣除后背底部的摩阻力，即P背max=N-Gf，其中,G為后背自重，7 530 kN；f為后背座與土體的摩阻系數(shù)，取0.7。則P背max=24 729 kN。

2)后背被動(dòng)土壓力計(jì)算。

后背墻后土體的最大被動(dòng)土壓力一般采用朗肯被動(dòng)土壓力理論，計(jì)算圖示見圖2。

墻頂處被動(dòng)土壓力：P1=γξh0tg2(45°+φ/2)。

墻底處主動(dòng)土壓力：P2=γ(ξh0+h)tg2(45°+φ/2)。

其中，h為后背的高度，包括后背墻、承臺和凸榫的高度；ξ為填土斜坡影響系數(shù)，ξ=α/90°；α為墻頂填土坡面與水平面夾角。

后背被動(dòng)土壓力：E背max=0.5h(P1+P2)=0.5×6×(29.3+458.9)=1 464.8 kN/m，合力作用點(diǎn)距承臺底面1.12 m。假設(shè)千斤頂作用于承臺的合力等于E背max，且為保證后背的抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性，經(jīng)計(jì)算千斤頂?shù)暮狭ψ饔梦恢镁喑信_底面1 m。兩者基本合力作用點(diǎn)基本一致。

后背土體提供的最大被動(dòng)土壓力E背max=1 464.8×20=29 296 kN>P背max=24 729 kN，符合要求，并且后背墻滿足抗彎抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。

地基反力僅需驗(yàn)算后背自重的荷載作用，經(jīng)計(jì)算基底平均應(yīng)力Pk=76.7 kPa，基底最大應(yīng)力Pmax=111.6 kPa，遠(yuǎn)小于橋位的地基承載力。

2.4后背結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

承臺和肋板式后背墻均采用C30混凝土和HRB400級鋼筋，fc=14.3 N/mm2，ft=1.43 N/mm2，fy=360 N/mm2，fy′=360 N/mm2，Es=2×105N/mm2。永久荷載分項(xiàng)系數(shù)1.35，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)1.4。

1)后背墻。

肋板式后背墻作為三邊固定一邊自由的雙向板計(jì)算。荷載可簡化為三角形荷載和矩形荷載的疊加，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊》查表計(jì)算?，F(xiàn)以墻底的豎向彎矩My′為例進(jìn)行計(jì)算，其他設(shè)計(jì)彎矩可參照進(jìn)行。

My′=1.35×[-0.055 70×29.3×4.02-0.029 20×(244.1-29.3)×4.02]= -170.72 kN·m /m。

截面有效高度h0=1 000-60=940 mm，計(jì)算寬度b=1 000 mm。

截面抵抗矩系數(shù)as=My′/(a1·fc·b·h02)=170.72×105÷( 1.0×14.3×1 000×940×940 )=0.013 48。

鋼筋面積Asy′=a1·fc·b·h0/fy=1.0×14.3×1 000×940÷360=507 mm2。

ρmin=max(0.2%，0.45ft/fy)=max(0.2%，0.45×1.43÷360)=0.179%。

Asy′=507 mm2

設(shè)計(jì)計(jì)算彎矩及配筋，見表1。

表1 彎矩及配筋

最大剪應(yīng)力發(fā)生在肋板的兩端，其值可假設(shè)等于兩肋板之間后背墻上土壓力之和的1/2。受力最大肋板兩端的剪力:

V=Q·Ly/2=329.54×3/2=494.3 kN。

R=0.7βh·ft·b·h0=0.7×0.96×1 433×1×0.94=905.6 kN≥V=494.3kN，滿足要求。

2)肋板計(jì)算。

將肋板和后背墻組合起來，按翼緣受拉的變截面T形懸臂梁計(jì)算。肋板底部截面的設(shè)計(jì)彎矩為：

M=1.35×4.0×[29.3×3×3/2+0.5×(244.4-29.3)×3×3/3]=2 454.4 kN·m。

3)承臺。

后背所承受最大頂力為最大頂力扣除后背底部的摩阻力，即P背max=N-Gf，其中,G為后背自重，7 530 kN；f為后背座與土體的摩阻系數(shù)，取0.7。則P背max=24 729 kN。

4)凸榫。

沿縱向取1 m，按懸臂梁計(jì)算。則凸榫在承臺底面處的設(shè)計(jì)彎矩和剪力分別為：M=1.35×458.9×1×1/2=309.8 kN·m，V=1.35×458.9×1×1=619.5 kN，根據(jù)單筋受彎構(gòu)件C25@200(2 454)。

3 結(jié)語

后背是橋涵頂進(jìn)施工中的重要臨時(shí)結(jié)構(gòu)，對施工順利與否關(guān)系極大。通過實(shí)踐證明選用的承臺底座+肋板式后背墻后背合理，設(shè)計(jì)的尺寸、配筋均滿足施工要求，在頂進(jìn)過程中未出現(xiàn)任何問題，保證了本框架橋的順利進(jìn)行。

上述工程實(shí)例中，較詳細(xì)的闡述了該后背的設(shè)計(jì)及檢算方法，非常適合手算，便于工程技術(shù)人員掌握。

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Theapplicationofribbed-slabbackonbridgeandtunneljacking★

PengHongyiTangLiHeYananPengZhu

(ChinaConstructionFiveBureauCivilEngineeringCo.,Ltd,Changsha410000，China)

The back is the most important temporary structure in the highway, railway and other interchange projects. Therefore, the back design should be safe and reliable, but also economic and reasonable. In this paper, according to the characteristics of the bridge and tunnel jacking, combining with the engineering example. The design and application of a new type of back structure are introduced in detail. The purpose is to provide reference for the design of the jacking back of bridges and tunnels.

back, jacking construction, ribbed-slab back wall, structure design

1009-6825(2017)28-0157-03

2017-07-23

★:國家自然科學(xué)基金(51704109)；湖南省自然科學(xué)基金(2015JJ6038)；湖南省教育廳一般項(xiàng)目(15C0555)

彭紅益(1972- ),男，高級工程師

U445

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