土牛拱胎在拱橋拱圈施工中的應用

曾 希 劉愿祝 羅思杭 高 飛

中建三局第二建設工程有限責任公司安裝公司 湖北 武漢 430074

拱橋因造型美觀大氣、景觀效果極佳而常作為城市橋梁結構首選。拱橋拱圈是施工的重點和難點[1-4]，在設計施工方案中通常采用支架施工[5]，而現(xiàn)澆拱橋則需要加工拱架和模板，經(jīng)搭設滿堂支架、加載預壓，在拱圈澆筑成形后逐步卸架，耗時長、費用大，且存在較大的安全隱患。

為了消除采用支架進行拱圈施工的不利影響，本文引入土牛拱胎[6-7]的施工方法，就地取土，通過基底拋石擠淤、土方填筑壓實、墊層施工、土牛拱胎沉降觀測、土牛拱胎拆除等工序，完成拱圈施工，在縮短施工周期的同時也降低了施工成本，較適用于小跨徑拱橋拱圈模架施工。

1 工程概況

某橋梁為上承式拱橋，全長28.8 m，寬7 m（圖1）。橋體上部構造為現(xiàn)澆鋼筋混凝土無鉸板拱，凈跨20 m，矢高3 m，矢跨比為1/6.667，拱腳厚50 cm，拱圈頂厚40 cm，橋面采用瀝青混凝土鋪裝。橋體下部結構采用U形臺，鉆孔灌注樁基礎，樁基均為嵌巖樁。橋臺基礎采用1.5 m樁徑，邊跨采用厚0.2 m薄壁墩。

圖1 橋型布置

2 主要材料與設備

土牛拱胎施工所需的材料主要為塊石和填筑土方。拱圈施工采用直徑分別為12、16、25 mm的HRB400級鋼筋進行綁扎，混凝土澆筑等級采用C40。

3 土牛拱胎預拱度計算

在荷載作用下，土體的沉降量由瞬時沉降、主固結沉降和次固結沉降3個部分組成。施工過程中地基沉降主要以瞬時沉降為主。當?shù)鼗翆虞^厚時，常用彈性理論公式估算地基瞬時沉降，當基礎面積為矩形且基底壓力假定為均布分布時，拱頂取單位長度計算，土牛拱胎預拱度計算公式如式（1）所示。

式中：γ1——主拱圈混凝土的相對密度，取25 kN/m3；

γ2——填土的相對密度，取19.7 kN/m3；

A1——主拱圈實測填土橫截面面積，取8.8 m2；

A2——拱頂中心實測填土橫截面面積，取87.9 m2；

Es—— 土體壓縮模量，根據(jù)地勘報告，本區(qū)域取 30 MPa；

β——土體參數(shù)，黏土取0.83；

μ——地基土泊松比，黏土取0.25；

Gd—— 均布面積荷載下彈性半無限體表面沉降影響 系數(shù)，取0.286。

帶入式（1）中計算可得：S＝2.1 cm。

4 土牛拱胎承載力計算

1）單位面積鋼筋混凝土自重取主拱圈混凝土自重的1.1倍，即27.5 kN/m2。

2）單位面積荷載，取1.0 kN/m2。

3）單位面積傾倒混凝土產(chǎn)生的沖擊荷載，取2.0 kN/m2。

4）單位面積振搗混凝土時產(chǎn)生的荷載，取2.0 kN/m2。

5）單位面積模板、支撐荷載，取3.0 kN/m2。

考慮荷載分項系數(shù)后的地基承載力為：1.2×27.5＋1.4×1.0＋1.4×3.0＋1.4×2.0＋1.2×3.0＝43.6（kN/m2）。土牛拱胎回填壓實完成后由具有試驗資質的實驗室進行承載力試驗，承載力試驗合格后方可進行下一道工序施工。

5 土牛拱胎施工方法

5.1 施工流程

采用“土牛拱胎”進行拱圈施工的核心思想是在具備上部結構施工條件的情況下，利用堅實的土體來代替支架，將土牛拱胎沉降量按預拱度處理，用水泥混凝土調平墊層、刮膩子的方法代替底模板，快速完成上部結構的施工。土牛拱胎施工流程為：基底拋石擠淤→土方填筑壓實→墊層施工→土牛拱胎沉降觀測→土牛拱胎拆除。

5.2 施工方法

5.2.1 基底拋石擠淤

現(xiàn)狀基底含有厚約20 cm的淤泥，為了保證土牛拱胎成形后的壓實度，對原地面以下50 cm的土質進行拋石清淤處理，拋填邊寬超出土牛拱胎兩側填筑邊線各1.0 m。所選塊石應質地堅硬，嚴禁使用風化石和易水解石塊。拋石采用自卸汽車卸料，挖掘機配合裝載機拋填。采用進占法進行塊石填筑，由挖掘機在作業(yè)半徑內均勻拋填第1層塊石，完成后，挖掘機來回走動進行碾壓，待塊石沉入淤泥與基底齊平后可進行第二層拋石，完成后用同樣方法進行碾壓。若塊石無明顯沉降，可向前延伸進行下一段施工，若塊石沉降量仍較大，則需再拋一層塊石進行碾壓，直至塊石沉降量較小為止。

5.2.2 土方填筑壓實

土牛拱胎填筑前放出坡腳線，采用黏土進行分層回填，每層虛鋪厚度為30 cm，填筑完成后進行碾壓。碾壓時控制土體的含水率在最佳含水率±2%范圍內，碾壓遍數(shù)不少于5遍，以保證每層土壓實度在95%以上，施工完成后用灌砂法檢測壓實度，經(jīng)檢測合格后方可進行下一層的填筑。土牛拱胎填筑到設計標高時，采用小型挖機削減橋頂兩側土方，保證土拱大致呈弧形。按照設置的預拱度進行線形調整，制作弧形鋼筋（帶插筋）固定于土牛拱胎上，利用人工進行土方精確找平。橋臺墩座位置由于預埋鋼筋的影響，無法壓實土方，改為回填碎石，采用小型打夯機壓實。

5.2.3 墊層施工

為了提高土牛拱胎表面的強度，保證混凝土澆筑完成后拱圈底面光滑平整，在土牛拱胎頂部澆筑一層厚5cm 的C25混凝土調平墊層，墊層施工完畢后刮3道膩子，并涂上脫模劑，保證墊層混凝土與主拱圈混凝土能夠順利分開，如圖2所示。

圖2 墊層施工

5.2.4 土牛拱胎沉降觀測

在兩邊拱腳、拱圈斷面1/4、1/2、3/4處設置測點，每個斷面設置3個測點，墊層澆筑完成后，采用全站儀對土牛拱胎每個斷面測點的標高進行嚴格復核，保證誤差控制在±5 mm范圍內。在主拱圈混凝土澆筑過程中應密切觀察測點沉降情況，當變形較大時應先澆拱頂段混凝土以平衡變形。通過對拱圈施工全過程測點的持續(xù)觀測，土牛拱胎最大沉降值為10 mm，未超過預留拱度，滿足變形要求。

5.2.5 土牛拱胎拆除

在主拱圈混凝土強度達到90%后，方可進行土牛拱胎的拆除。拆除時，由拱頂向拱腳對稱進行拆除作業(yè)，2臺挖機挖進速度應大致均勻，先將中心部位挖空，要注意初始的挖土量要少，以后逐漸增大，保證其平穩(wěn)、均勻沉降。中心部位挖空后，待其部位的拱圈穩(wěn)定一段時間后，再用挖機由中心向左右兩側挖土，兩邊挖土要均勻。土牛拱胎的胎身挖除時，大部分底模會隨著土方的挖除自動脫落，個別未脫落的底模應安排人工拆除，嚴禁挖機猛烈敲擊拱圈。

6 經(jīng)濟效益對比分析

項目部應用土牛拱胎模擬橋拱面的施工技術，與滿堂支架施工技術相比，施工減量化效果突出，有一定的經(jīng)濟效益，節(jié)約了施工成本10.74萬元。

7 結語

某上承式拱橋采用土牛拱胎進行拱圈施工，在施工過程中主要技術指標經(jīng)檢測均滿足設計和規(guī)范要求，橋身無裂縫，無變形、變位，使用性能良好。相比于傳統(tǒng)采用支架進行拱圈施工的方法，土牛拱胎拱圈的施工方法主要有以下方面的優(yōu)越性：

1）施工方法簡便。按照拱圈線形，預留適當拱度，逐層填筑并整修成土牛拱胎，鋪設混凝土調平墊層＋刷3道膩子粉后，即可進行拱圈施工。整個施工過程簡單，易于質量控制。

2）合理縮短工期。由于施工方法簡單易行，填筑、挖除土牛拱胎機械化作業(yè)程度高，相比滿堂支架施工法可大大縮短施工工期。

3）有效降低成本。就地取土，結合原地面填筑成形。成本主要為土方機械費用，相比滿堂支架需長時間大量租用并搭拆鋼木組合支架，工程施工成本降低較多。

4）確保安全生產(chǎn)。土牛拱胎拱圈的鋼筋安裝、混凝土澆筑時不必擔心模架失穩(wěn)，拆除土牛拱胎時挖掘機從拱頂向拱腳對稱作業(yè)即行，無滿堂支架失穩(wěn)垮塌安全隱患。施工風險幾近為零，有效保障了安全生產(chǎn)。