頂推框架橋下穿高速公路路面變形控制研究

周廣友, 程學明, 龔虎, 吳璨程, 林宇亮

(1.中國建筑第五工程局有限公司， 湖南 長沙 410004； 2.中南大學 土木工程學院)

隨著社會的迅速發(fā)展，既有線路無法滿足城市日益增長的交通量，故需要對原有公路進行改擴建以滿足城市快速發(fā)展的需求。在公路的改建、擴建或新建過程中，難免會出現(xiàn)與其他既有線路交叉所帶來的問題。而頂推框架橋下穿既有線路是目前工程中解決線路交叉常用的一種施工方法。鄭(州)開(封)公路下穿京港澳高速公路工程是一個大斷面箱涵下穿高速公路的典型施工案例，機動車道+非機動車道全斷面寬度達到47 m，施工中采取超大管棚控制地層位移以保證公路的安全；北京首都國際機場下穿西區(qū)L滑行道箱涵全長148 m，頂進施工風險高，對地表沉降控制要求嚴格。箱涵頂進施工技術(shù)廣泛應用在公路下穿既有線路工程中，在不中斷交通、不破壞既有路基的條件下完成施工。此次施工采用無管棚支護的鋼盾構(gòu)開挖、中繼間頂進施工技術(shù)，在保持框架橋頂進速度的同時能夠確保高速公路的安全運營。

1 工程概況

擬改建工程湖北省S439省道是連接荊門漢江石牌港區(qū)的一條重要疏港公路，也是貫通東寶牌樓-鐘祥石牌新型城鎮(zhèn)化示范帶重要公路。該工程位于荊門市境內(nèi)來龍村西約350 m處，圖1為框架橋下穿位置示意圖。S439省道下穿襄荊高速公路段采用左右雙向車道分離式設計方案，東-西向車道利用老路原有的空心板橋下穿高速公路，西-東向車道采用頂推鋼筋混凝土框架橋斜穿高速公路?？蚣軜虿捎靡豢渍w閉合式框架結(jié)構(gòu)，起點樁號為K1+432，終點樁號為K1+471，全橋39 m平均分為3個節(jié)段，每節(jié)長13 m?？蚣軜蜃笥覂蓚?cè)側(cè)墻厚度為1.1 m，頂板厚度為1.1 m，底板厚度為1.2 m，框架橋外輪廓跨度達到18 m，高度達到8.5 m。圖2為框架橋頂推施工示意圖。

圖1 框架橋下穿位置示意圖

圖2 框架橋頂推施工示意圖

擬建S439省道右幅車道下穿襄荊高速公路K1 680+980處，采用鋼筋混凝土框架頂進施工法施工，與襄荊高速公路斜交，右偏角80°。在框架橋頂推施工過程中雖然對襄荊高速公路采取臨時交通管制，僅開放半幅交通，但是襄荊高速公路的通行車輛中貨車所占比例較高，車輛動荷載循環(huán)作用在施工中的路基土體上。而框架橋頂板上覆土體較薄，厚度僅1.55 m。路基土體受施工擾動以及車輛動荷載作用，極易產(chǎn)生較大變形，嚴重威脅襄荊高速公路的行車安全。

框架橋起點處地質(zhì)鉆孔資料顯示：框架橋底板以下地基土體以粉質(zhì)黏土、中風化泥質(zhì)砂巖為主。框架橋底板位于粉質(zhì)黏土層中，地基承載力為160 kPa。

2 技術(shù)難題

此次框架橋下穿襄荊高速公路工程采用“鋼盾構(gòu)開挖，中繼間頂進”的方法施工。在襄荊高速公路的西側(cè)開挖23 m×75 m的工作坑，對坑底土體進行地基處理待地基承載力滿足要求后，便開始在工作坑內(nèi)進行鋼筋混凝土框架橋的預制。同時在框架橋的頂進前端進行鋼盾構(gòu)的安裝。圖3、4為預制鋼筋混凝土框架橋和鋼盾構(gòu)結(jié)構(gòu)拼裝示意圖。再在框架橋的背后施工樁基承臺后背座，通過油壓千斤頂將框架橋頂入高速公路路基。

圖3 預制框架橋示意圖

圖4 預制框架橋?qū)嶓w圖

在框架橋下穿襄荊高速公路頂進施工中，高速公路不完全封閉交通，采取分次封閉單向交通，借助對向車道實行單幅雙向通行。由于高速公路正常運營，如果高速公路路面在頂推施工過程中產(chǎn)生過大的變形，將會嚴重影響行車安全。而在此次框架橋頂推施工過程中存在如下因素都將會對路面的沉降變形造成影響。

(1) 經(jīng)過前期的各項施工準備和問題處理，框架橋于2018年9月1日進入正式頂推階段。由于國慶假期高速公路免費放行，車流量將會劇增；且10月份荊門開始進入多霧期，能見度驟降，局部的交通管制將會對行車安全造成威脅。這意味著此次施工需要在1個月內(nèi)將框架橋頂推就位，并開放框架橋上方高速公路交通。根據(jù)歷史天氣記錄以及天氣預報顯示，荊門市在9月份將會有1/3以上的天數(shù)為降雨天氣。在頂進高速公路的過程中框架橋需向前頂推約36 m，這將要求框架橋日均頂推距離達到1.5 m甚至更多。如何在合理控制高速公路路面變形的情況下盡可能加快頂進速度，是工程中亟待解決的一個問題。

(2) 框架橋主體混凝土用量為2 303.3 m3，鋼筋為298.54 t，鋼盾構(gòu)為279.1 t，托板及減阻板為62.388 t，框架橋頂覆土約為2 100 t，總重達到8 267 t。而施工期間正處于多雨天氣，雨水滲流勢必會造成路基土體強度降低。如此大的自重，作用在地下水位較高的軟弱地基上極易造成框架橋的沉降，因土體流失及框架橋沉降，高速公路路面勢必會沉降，從而影響安全和進度。

(3) 框架橋頂板上方預留覆土厚度較薄，頂板至路面的平均厚度約為1.55 m。在框架橋頂推過程中對路基的開挖勢必會對土體造成一定程度的擾動。由于框架橋與上覆路基土體之間相互摩擦，可能會造成摩擦面上的土體隨著框架頂進過程而流失。而高速公路在施工期間采取單幅雙向通行，所以在土體開挖、框架頂推過程中均有車輛動荷載持續(xù)作用在施工段上。受擾動的土體在車輛荷載作用下被壓實，可能會導致高速公路路面產(chǎn)生過大變形。

3 控制措施

為解決框架橋頂推過程中高速公路路面變形過大的問題，施工從路基土體加固、土體開挖等多個方面采取控制措施，在保證框架橋頂進速度的同時也能夠確保高速公路的行車安全。

(1) 門框梁與支撐樁

在框架橋的頂進過程中，框架橋與路基之間的摩擦力有可能使路基產(chǎn)生位移，尤其是在框架橋即將推出路基的時候。為保證路面以及路堤邊坡的穩(wěn)定，在框架橋頂推的進口端和出口端均設置了門框梁與支撐樁。在進口端和出口端每側(cè)均設置了1根門框梁和8根支撐樁。以進口端為例，門框梁與其中兩根支撐樁現(xiàn)澆在一起組成穩(wěn)定的“門”字結(jié)構(gòu)。在門框梁的下方、支撐樁的內(nèi)側(cè)均只為框架橋預留了10 cm的施工誤差，意味著框架橋在頂進過程中其“抬頭”、“扎頭”、左右偏移的誤差均不能超過10 cm。剩余的6根支撐樁均勻布置在頂進通道的兩側(cè)，以保證進口端兩側(cè)的路堤邊坡在頂進過程中的穩(wěn)定。圖5為進口端門框梁與支撐樁的設置。

圖5 進口端門框梁與支撐樁

(2) 減阻隔離鋼板

在鋼盾構(gòu)的前端設有19個子盾構(gòu)。在每個子盾構(gòu)內(nèi)安裝了一塊與子盾構(gòu)等寬、厚度為5 mm、長度固定的隔離卷板，隔離卷板的一端固定在進口端的門框梁上，另一邊的自由端則預留在鋼盾構(gòu)內(nèi)部，在框架橋的頂進過程中通過焊接接長隔離卷板，保證隔離卷板的長度能夠覆蓋整個框架橋(圖6)。除此之外，在框架橋頂板的上方沿著頂進軸線方向通長設置5 mm厚的減阻鋼板，減阻鋼板的前端與鋼盾構(gòu)的鋼板焊接在一起。其中隔離鋼板固定在框架橋頂板上無法移動，而隔離卷板是隨著框架橋的頂進逐漸卷鋪在上覆土體與隔離鋼板之間。頂推施工之前，根據(jù)下一次頂推進尺在隔離鋼板上涂抹足夠長度的潤滑脂。故在框架橋頂推施工過程中，隔離卷板的上方與上覆土體直接接觸，下方與減阻鋼板接觸。原來框架橋頂板與上覆土體之間的摩擦面轉(zhuǎn)換為隔離卷板與減阻鋼板之間的摩擦面，而隔離卷板與減阻鋼板之間的潤滑脂能夠大幅度減小框架橋的頂推阻力。在框架橋的頂進過程中隔離卷板與上覆路基土體形成了一個整體，能夠有效地減小覆蓋土層受框架橋的頂進摩擦力產(chǎn)生的水平位移。同時框架橋沒有直接與上覆土層接觸，能夠有效避免土體在頂進過程中的流失，減小路面產(chǎn)生的豎向位移。

圖6 隔離卷板

(3) 分離式子盾構(gòu)

在鋼盾構(gòu)的上方設有19個子盾構(gòu)，每個子盾構(gòu)由小千斤頂獨立控制，圖7為子盾構(gòu)實體圖。在鋼盾構(gòu)頂至預定位置后，每個子盾構(gòu)能夠再向前頂進約50 cm。當子盾構(gòu)向前頂進時，其上部土方由前端鋸齒刃腳切割下落，子盾構(gòu)插入土體中承擔上部土方及公路荷載。每個子盾構(gòu)內(nèi)的土方由工人手持風鎬開挖掘進，為確保掘進面土壤不損失，防止坍塌現(xiàn)象的發(fā)生,視挖掘面土的自穩(wěn)能力，子盾構(gòu)作業(yè)分先頂后挖、邊頂邊挖和先挖后頂3種方式。

圖7 子盾構(gòu)

鋼盾構(gòu)墩柱之間的中心土則采用挖掘機放坡開挖，開挖時注意放緩坡且不能差挖，開挖后在坡面上散一層粉煤灰加強坡面穩(wěn)定性。鋼盾構(gòu)高度比較高，側(cè)向土壓力也會十分大，鋼盾構(gòu)切入土體后利用墩柱之間的中心土平衡盾構(gòu)外側(cè)的側(cè)向土壓力。

(4) 其余控制措施

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)施工場地范圍內(nèi)地下水位較高，且施工期間降水量較大。若排水不夠徹底，框架橋頂進前端開挖面滲水量較大，會降低地基承載力，導致框架橋和高速公路路面產(chǎn)生沉降，影響正常施工進度。故施工中在基坑四周以及進口端和出口端的兩側(cè)均設有降水井，以降低框架橋施工范圍內(nèi)的地下水位。

如果發(fā)生意外情況路面產(chǎn)生影響車輛通行的沉降，應當立即停止頂進作業(yè)。根據(jù)路面破壞情況采取鋪鋼板、鋪瀝青等臨時措施快速修補路面，盡快恢復交通。待框架橋頂至預定位置后對路基土體進行注漿加固，再重新翻修高速公路路面。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

在框架橋頂進施工過程中，在高速公路路面上布置如圖8所示的監(jiān)測點位，并開展了一系列的沉降監(jiān)測工作。由于高速公路在施工期間采取單幅雙向通車的方案，故僅在高速公路封閉半幅交通時才開展測量工作。荊州向路面于2018年9月8日開始封閉，9月14日完全開放交通；襄陽向路面于9月14日開始封閉，9月22日完全開放交通。圖9、10為襄陽向和荊州向應急車道點位的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖8 路面變形測點示意圖

圖9 荊州向應急車道監(jiān)測點位沉降曲線(2018年)

圖10 襄陽向應急車道監(jiān)測點位沉降曲線(2018年)

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)：位于荊州向應急車道框架橋正上方的監(jiān)測點位W14～W17沉降較大，要大于位于框架橋輪廓外側(cè)的幾個監(jiān)測點位，最大沉降值出現(xiàn)在W16點，約為4.4 cm；從圖10可以看到：襄陽向應急車道有相似的沉降變化規(guī)律，最大沉降值出現(xiàn)在E13點，約為1.1 cm。從監(jiān)測數(shù)據(jù)中可以驗證施工中所采用的路面變形控制措施取得了顯著的效果。

5 結(jié)語

擬建湖北省S439省道荊門市段采用框架橋頂進施工方法下穿襄荊高速公路。襄荊高速公路在施工期間仍正常運營，故嚴格控制高速公路路面變形至關(guān)重要。高速公路產(chǎn)生水平位移的主要原因是框架橋與路基土體之間的摩擦作用；產(chǎn)生沉降的主要原因是框架橋基底的沉降和上覆土體的流失。而在框架橋頂推過程中又面臨工期緊張、雨季施工、框架橋自重大以及上覆土層薄等技術(shù)難題。

為保證框架橋的頂進速度和高速公路行車安全，施工中在進口端和出口端均設置門框梁以及支撐樁來維持路堤邊坡的穩(wěn)定性，減小路面因框架橋摩擦而產(chǎn)生的水平位移；在框架橋與上覆土體之間設置隔離卷板和減阻鋼板，減小土體與框架之間的摩擦作用，避免土體的流失；在子盾構(gòu)的支撐保護作用下進行土體的循環(huán)開挖，防止土體沉陷或坍塌。監(jiān)測結(jié)果表明所采取的措施具有良好的效果。