土模法在海外箱梁施工中的應(yīng)用

孫宏博

中交一航局第二工程有限公司

1 背景及方案比選

本項目跨線橋全長約50m，設(shè)計跨徑為25+25m，橫截面頂部寬15.3m，擴(kuò)大基礎(chǔ)加樁基礎(chǔ)，重力式橋臺，上部結(jié)構(gòu)為單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁上翼緣寬2m，箱梁高1.5 m。

本橋位于一荒原洼地內(nèi)，原地面起伏較大，土質(zhì)復(fù)雜，多為石灰?guī)r，施工時不需考慮通車，附近有正在開采的取土場。

基于項目監(jiān)理對腳手架工藝及安全方面的要求嚴(yán)格，且地面起伏不利于支設(shè)腳手架，而項目附近有大量免費土石方可以利用，綜合考慮并做成本對比后，決定采用土模法施工（綜合直接費較滿堂支架小），即利用土石方填筑代替滿堂腳手架方案。

2 土模設(shè)計

2.1 設(shè)計說明及依據(jù)

2.1.1 計算說明

本計算包括土模承載力計算、土的抗剪計算和土的沉降計算。

2.1.2 計算依據(jù)

《地基處理手冊》。

《土力學(xué)地基基礎(chǔ)》。

JTGD 63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》。

JGJ 7—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》。

《north-south highway施工圖設(shè)計-第四合同段》。

2.1.3 取值參數(shù)

混凝土重度：26kN/m3。

根據(jù)JGJ 7—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，條文說明4.2.5表6 中對墊層承載力的取值范圍，土加石承載力特征值fak為150kPa～200kPa。根據(jù)現(xiàn)場情況，取土加石承載力特征值下限，即：

土模回填材料為碎石土（碎石含量超過45%），分層壓實，總體壓實度不小于93%，回填總高度約6m。

根據(jù)JGJ 7—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》條文說明4.2.5表7中對墊層模量的取值范圍，根據(jù)現(xiàn)場情況，取碎石土，即：

2.2 力學(xué)驗算

應(yīng)至少考慮地基承載力、地基沉降以及土的剪切破壞三個方面。

2.2.1 承載力驗算

（1）預(yù)應(yīng)力梁自重。自重：

（2）預(yù)應(yīng)力梁產(chǎn)生的壓力：

滿足要求。

2.2.2 沉降計算

（1）沉降計算公式：

取單一壓縮模型，根據(jù)土力學(xué)公式，壓縮導(dǎo)致的土層沉降：由公式：

可以推導(dǎo)出：

P——作用力，kPa；

E——孔隙比；

A——壓縮系數(shù)。

②沉降計算：

因箱梁直接作用在地面，故：

沉降計算深度：根據(jù)《地勘報告》，原地面以下為中風(fēng)化巖石（石灰?guī)r為主），故沉降計算深度不考慮原地面以下沉降，取回填總高度H=6m。

因原土體自然密實，且fa=28.6kPa 相對較小，基本不會對此部分的土體產(chǎn)生沉降影響，僅需對后填筑土體進(jìn)行沉降分析。

帶入公式可得：

最終土模（新填筑路基）沉降量為5.72mm，根據(jù)經(jīng)驗，土的沉降量較小，具體沉降參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際預(yù)壓試驗得出，此處僅從理論上分析，結(jié)論為沉降量在可控范圍內(nèi)，可以通過預(yù)先調(diào)節(jié)土模標(biāo)高消除其影響。

2.2.3 土的剪切破壞

由計算得知：

通過現(xiàn)場取樣，項目部試驗室試驗得出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=15kPa，內(nèi)摩擦角Φ=20°。

根據(jù)摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，有以下計算公式：

代入數(shù)據(jù)后得出：

結(jié)論為土體處于彈性平衡狀態(tài)，即不會發(fā)生剪切破壞。（經(jīng)驗參數(shù)的選取均取較不利值，保證了理論驗算的安全系數(shù)）

3 土模施工

3.1 土方填筑

與普通路基填筑方法一致，分層填筑松鋪厚度控制需在40 cm 以內(nèi)，并采用18t 以上振動壓路機(jī)碾壓4 遍以上，保證壓實度控制在93%以上，墩柱、橋臺等結(jié)構(gòu)物附近的壓實采用振動平板夯或中小型振動壓路機(jī)，以保證壓實度。土模的總體斷面布置如圖1所示。

圖1 土模總體斷面圖

3.2 排水系統(tǒng)

根據(jù)施工總計劃，此橋梁上部結(jié)構(gòu)施工時正值當(dāng)?shù)赜昙荆聊Ｊ┕び鲇昙緞t排水系統(tǒng)尤為需要尤其關(guān)注。土模頂面積水設(shè)計為由中間向兩側(cè)流動，通過擋水坎匯聚至急流槽口，由急流槽引流至坡腳外的自然溝渠中，以防止雨水浸泡土模坡腳，造成安全隱患。急流槽根據(jù)匯水面積和降雨強(qiáng)度計算，布置間距不大于15m。

此處的急流槽為臨時排水結(jié)構(gòu)，采用M7.5標(biāo)號砂漿、30MPa以上片塊石等簡易砌筑，按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)做法，急流槽為矩形，過水平均寬度1m，過水深度0.3m。

3.3 底模施工

土模頂面寬度20m，其中中間10.7m為“底模精平硬化區(qū)域A”，為箱梁低模下承層；兩側(cè)向外各2.3m 為“側(cè)模投影硬化區(qū)域B”，用于承載箱梁側(cè)模支架；最外側(cè)為“施工加寬平臺C”，根據(jù)以往經(jīng)驗寬度為1m，用于工人施工作業(yè)安全空間，以及側(cè)模斜撐的生根加固，且用于縱向排水。其中，A 區(qū)域采用C30以上混凝土，B 區(qū)域采用C25 以上混凝土，，C 區(qū)域不必硬化，頂面采用2-5cm粗砂或碎石，排水區(qū)域使用砂漿處理頂面。

圖2 底模整體俯視圖

A 區(qū)域硬化要求誤差1mm 以內(nèi)。具體施工方法：土模填筑至箱梁底標(biāo)高下0.5m后，改用中細(xì)顆粒填料且伴有粘性土（碎石最大粒徑不宜超過5cm，強(qiáng)度保證20MPa 以上），填筑最上一層至箱梁設(shè)計底標(biāo)高下11.5cm，整平壓實，利用木枋擺放，網(wǎng)格長寬取決于竹膠板尺寸，逐根調(diào)整木枋頂標(biāo)高至設(shè)計梁底標(biāo)高下1.5cm，隨調(diào)整標(biāo)高同時將木枋互相固定，標(biāo)高調(diào)整完成一遍后逐根復(fù)核。

木枋固定后，澆筑混凝土于方格中，澆筑標(biāo)高控制在±1mm誤差范圍內(nèi)。混凝土強(qiáng)度達(dá)到50%后進(jìn)行低模施工，低模采用竹膠板加防水膠條的形式，拼接成整體。

3.4 預(yù)壓

常規(guī)預(yù)壓有三個作用：①消除支架系統(tǒng)間隙等的沉降量；②得出支架系統(tǒng)的彈性形變系數(shù)；③檢驗支架系統(tǒng)的安全性。土模施工對于第①項可以忽略，而需要考慮土的彈性形變參數(shù)、土的穩(wěn)定性（此處為土的局部剪切破壞）。因土模施工的填料為同一材質(zhì)，土具有各向同性，擬選取局部區(qū)域預(yù)壓（10m×20m），得出參數(shù)后即可統(tǒng)一使用。

具體預(yù)壓方法：按箱梁自重的120%進(jìn)行預(yù)壓。分四級加載，取箱梁自重的0.3、0.6、0.9、1.2倍數(shù)，上部結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計計算得出總重約為1440t，則均布荷載為2.69t/m2，預(yù)壓面積（10m×20m）對應(yīng)的自重約為538t，四級加載依次為162t、323t、538t、646t。

觀測記錄表格式如表1。

表1 預(yù)壓觀測數(shù)據(jù)表

正式加載預(yù)壓前對各測點進(jìn)行測量，記錄高程H0；進(jìn)行第一階段加載，記錄高程H1；依次進(jìn)行加載，測得H2、H3、H4。第4次加載沉降穩(wěn)定后，持續(xù)24小時后開始卸載。卸載過程與加載過程鏡像相反，記錄最終高程H0’。

注意事項：（1）每次觀測所用的儀器、觀測線路、人員相對固定，觀測環(huán)境、條件要基本相同；（2）觀測時間宜在早晨7點～8點之間，盡量避免在高溫、強(qiáng)光、大風(fēng)等情況下觀測。

根據(jù)記錄表中的數(shù)據(jù)，計算出土模彈性沉降，參與預(yù)拱度計算。

預(yù)拱度計算公式為：

式中：

f1——地基彈性變形；

f2——設(shè)計預(yù)拱度。

總結(jié)實際預(yù)壓情況，土的彈性變形量平均約2.10mm，最大點為2.35mm，較理論計算值??；預(yù)壓區(qū)域無肉眼可見的局部剪切破壞現(xiàn)象，與理論計算相印證。

4 問題探討

4.1 土的沉降量問題

土模作為箱梁的承重結(jié)構(gòu)，沉降值不能過大，但計算中采用的參數(shù)多為經(jīng)驗系數(shù)，無法準(zhǔn)確計算沉降值。且新填土體有工內(nèi)沉降，須盡量縮短上部結(jié)構(gòu)施工時間，將此因素的影響降到最低。

預(yù)壓試驗?zāi)艹浞终故就恋某两祮栴}，因此在預(yù)壓試驗中要嚴(yán)格控制每一個環(huán)節(jié)，以確保得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為施工組織提供直接參考。

4.2 雨季對土模施工的影響

土模施工的主要工作為土體填筑，項目當(dāng)?shù)亟涤甓?，對填筑質(zhì)量能產(chǎn)生一定影響。雨季填筑注意要盡量使用透水性材料，如開山碎石等，這樣既能壓縮施工土模的施工工期，保證壓實度等施工質(zhì)量，又能在箱梁施工的過程中將降雨對土模的影響降到最小。

5 結(jié)語

對于下方在施工期間不需要通行、下方原地貌起伏較大、凈高較小的橋梁上部結(jié)構(gòu)，在附近有大型土石方設(shè)備、土石方料源充足的情況下，采用土模法代替滿堂腳手架法施工上部結(jié)構(gòu)，對施工成本及施工進(jìn)度均有較大優(yōu)勢，施工前應(yīng)充分取得監(jiān)理和業(yè)主對方案的認(rèn)可，本項目最終順利完成，此工藝在海外某些國家可以借鑒采用。