斜交地道橋下穿高速公路頂進過程中的偏位分析

巢萬里,黃勇軍,潘世強，金宇軒

(1.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015；2.交通建設工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410015;3.湖南建工交通建設有限公司，湖南 長沙 410005)

1 概述

分離式立體交叉工程主要有上跨立交橋和下穿地道橋2種方案，上跨立交橋在路塹地段方案占優(yōu)勢，而下穿地道橋在路堤段更具優(yōu)勢。地道橋盾構頂推作為一種微創(chuàng)施工方法具有安全、保通、經濟、環(huán)保等顯著特點，是目前框架橋施工的一種全新技術，在公、鐵路行業(yè)得到了廣泛使用[1-2]。隨著地道橋盾構頂推施工技術的大量應用，工程技術人員發(fā)現地道橋在頂推過程中易發(fā)生“扎頭”、偏位問題，且頂推方向與被交道路斜交時，問題尤為突出[3-6]。李俊[7]對超小斜交角度的下穿地道橋的設計與施工展開研究，提出側向土壓力是導致地道橋發(fā)生偏位的主要原因。陳旭[8]，潘文怡[9]，王麗[10]等和林文泉[11]等對斜交地道橋的受力情況進行了研究，對地道橋結構設計與施工過程提出了優(yōu)化措施。趙雷[12-14]等對斜交地道橋的空間受力情況開展了研究，對采用有限元法對斜交地道橋的空間受力情況進行了求解。丁德中[15]、房學先[16]對斜交地道橋偏位問題進行了分析，提出了一系列的工程糾偏措施。

此前的相關研究大多聚焦于斜交地道橋結構受力特性上，對其結構受力提出了各種優(yōu)化措施。但是，研究人員對于斜交地道橋頂進施工過程中的受力情況并不十分明確。對地道橋偏位的認識也大多來源于現場監(jiān)測的感性認識，極少從理論角度進行定性定量的分析，糾偏施工方案缺少統(tǒng)一標準，隨意性較大?；诖?，本文將對斜交地道橋在施工頂進過程的受力過程開展研究，結合依托工程現場監(jiān)測結果，提出斜交地道橋在頂進過程中初始偏轉力矩力學表達式，并研究相關參數對地道橋地道橋偏位的影響，為地道橋設計施工提供指導。

2 斜交地道橋頂推全過程分析

2.1 地道橋頂進過程分析

在進行狀態(tài)分析時，定義如下參數。d為地道建筑寬度；b為首節(jié)地道(含盾構)計算長度；B為被交道路路基寬度；α為地道橋預制銳角角度；β為2條道路的交叉夾角(銳角值)；x為頂進行程。從圖1可以看出，根據受力狀態(tài)的異同，頂推過程可以分為如下7種狀態(tài)。不同的頂推狀態(tài)下，其初始偏轉力矩也各不相同，本文擬研究如下7個狀態(tài)下的初始偏轉力矩的發(fā)生時刻，以及各個參數對最大初始偏轉力矩的影響，以期獲得不同頂推狀態(tài)下的糾偏千斤頂布置狀態(tài)。

圖1中7個狀態(tài)的5個臨界點參數見表1。

表1 狀態(tài)參數表Table 1 State parameter table狀態(tài)參數左側頭部入土X1=d cot β-cot α 右側尾部完全入土X2=b左側尾部完全入土X3=d cot β-cot α +b右側頭部出土X4=B sec β左側頭部出土X5=B sec β+d cot β-cot α

2.2 地道橋受力狀態(tài)分析

圖2為地道橋的平面力學分析模型，其中橋體質心為O。先入土側所受土壓力為E1，方向垂直于框架側壁，摩擦力為f1，方向與頂進方向相反，后入土側土壓力為E2，方向垂直于框架側壁，摩擦力為f2，方向與頂進方向相反。頂部采用拖板(卷板)減阻，頂部摩擦力相對較小，忽略不計；底部摩擦力由橋體自重和頂部土體附加應力對應的摩擦力2個部分組成，其中橋體自重產生的摩擦力作用線過質心O，力矩為零；頂部土體附加應力對應的摩擦力矩在X1

圖2 力學模型

(1)

(2)

式中:L1為右側土壓力對矩心的力臂；L2為左側土壓力對矩心的力臂。可以看出E1、E2、f1、f2、L1、L2均為頂程x的分段函數。上式中，E0為單位寬度土壓力，由朗肯主動土壓力公式計算可得。上式推導過程中僅考慮主動力作用，未對橋體發(fā)生平面偏轉后兩側土體因受擠壓作用而產生的彈性抗力進行深入分析。從狀態(tài)上講，該偏轉力矩僅僅是平面偏轉的初始狀態(tài)，而偏轉后導致兩側土體擠壓后產生的彈性抗力是一個二次狀態(tài)，也正是因為土體彈性抗力的存在，約束住了橋體的持續(xù)偏轉并最終達到一個新的力矩平衡狀態(tài)。

3 斜交地道橋頂推偏位影響因素分析

上一節(jié)通過對斜交地道橋頂進全過程分析得到了地道橋初始偏轉力矩計算的表達式，但頂進是個動態(tài)過程，影響初始偏轉力矩的因素較多，難以直觀的判斷各因素對地道橋偏位的影響。本節(jié)將結合實際工程項目，研究交叉角度β、預制角度α、首節(jié)長度b、結構寬度d對偏轉力矩的影響。

3.1 工程概況

平益高速平江南互通E匝道地道橋頂推下穿平汝高速工程位于平江縣三陽鄉(xiāng)新仁村，E匝道軸線與平汝高速成45°交叉。采用斜交斜做正頂的方案，見圖3。本工程頂推地道橋具有如下特點：①大角度斜交，地道橋呈60°角預制，45°方向頂進，糾偏難度大。②覆土厚度極薄，覆土厚度97～124 cm，對路面影響大。本項目對平面力矩影響較大的參數如下：路基寬度B為28 m，首節(jié)橋長b為24 m，橋寬d為16.9 m，預制銳角α為60°，斜交角度β為45°。

(a) 平面

地道橋分3節(jié)預制，每節(jié)長度16 m。施工場地位于平汝高速西側，見圖4。地道橋預制時在底板上部預留三角形鋸齒槽作為千斤頂放置區(qū)，長×寬×深=100×58×50 cm。每個鋸齒槽放置2臺千斤頂。中繼間和最后一節(jié)尾部均設置不少于10個鋸齒槽。其中中繼間左側放置6個500 t千斤頂，右側放置9個500 t千斤頂；末節(jié)左右側均放置8個320 t千斤頂。千斤頂設置油壓閥門，通過閥門來控制頂力作用線的實際位置。

圖4 地道橋施工場地和中繼間千斤頂布置圖

3.2 偏位影響因素分析

3.2.1地道橋預制角度α

地道橋預制角度α一般由結構專業(yè)確定，角度變化可在β與90°之間變化。α=β，地道橋長度最小，造價最低，α=90°，橋長加長，造價最大。為了研究地道橋角度對偏位的影響，在既有工程的基礎上，將各參數代入式(2)進行求解，并繪制不同α角下的頂程與阻力矩關系圖，見圖5，從而判斷預制角度對偏位的影響?？梢钥闯觯?/p>

圖5 地道橋預制角度與初始偏轉力矩關系

a.初始偏轉力矩隨頂程呈現“減小、增大、減小”的變化趨勢，X=b時，初始偏轉力矩最大。

b.初始偏轉力矩隨預制角度呈現減小趨勢。Mα=45=147.2 MN·m；Mα=60=105.2 MN·m；Mα=90=47.7 MN·m。

3.2.2首節(jié)計算長度b

從工程上講，首節(jié)的預制長度不論從設計還是從施工的角度都是可調的，一般情況下，橋式盾構長度6～9 m，首節(jié)地道橋的長度可以在10～16 m范圍內變化。在其他參數不變的情況下，分析首節(jié)地道橋的長度(含橋式盾構)對阻力矩的影響。見圖6。

圖6 地道橋首節(jié)長度與初始偏轉力矩關系

a.初始偏轉力矩隨頂程呈現“減小、增大、減小”的變化趨勢，X=b時，初始偏轉力矩最大。

b.初始偏轉力矩隨首節(jié)長度呈現增大趨勢。最大力矩Mb=18=67.0 MN·m；Mb=24=105.2 MN·m。

3.2.3斜交角度β

從工程上講，斜交角度β受路線控制，為不可調整參數。同時β的調整也會導致預制銳角α跟隨變化，本次計算取α=β。從圖7可以看出，斜交角度越小，初始偏轉力矩越大。

圖7 地道橋斜交角度與初始偏轉力矩關系

3.2.4結構寬度d

從工程上講，結構寬度d一般由道路的限界決定，為不可調整參數，從圖8可以看出，力矩隨著寬度d的增加而增加。相對于其他變量，其影響幅度相對較小。

圖8 地道橋結構寬度與初始偏轉力矩關系

3.3 糾偏工程建議

綜上所述，通過對影響地道橋偏位的各設計參數的研究可知：地道橋預制角度、首節(jié)長度、斜交角度對地道橋的偏轉影響較大，而凈寬對地道橋偏轉的影響相對較小。

a.設計建議：選線宜正不宜斜，預制銳角要取大，首節(jié)長度宜取小。

就工程而論，選線階段應盡量避免出現大角度斜交；地道寬度由使用需求的凈寬控制，設計過程中有條件的情況下對斜交地道橋可設計成多孔布置方式；地道橋的預制銳角可由結構專業(yè)確定，斜交正做會大幅度的增加工程量，一般不可取，45°的預制，明顯會出現較大的阻力矩，也不可取。本次設計單位采用適中的60°預制是相對合理的，這種預制方式可極大地減少阻力矩，這對控制橋體偏位是極為有利的。

b.施工建議：油頂布置非對稱，鈍角區(qū)域要多放；銳角區(qū)域靠中間，鈍角區(qū)域靠單邊；銳角土體要超挖，鈍角區(qū)域可欠挖(鈍角、銳角指首節(jié)前端)。

以本項目為例，本項目所指銳角側位于頂推方向的左側、鈍角側位于頂推方向的右側。為減少偏轉力矩對本工程的不利影響：千斤頂須按照右多(鈍角側)左少(銳角側)的方式布置；同時，右側千斤頂應優(yōu)先靠墻側布置，左側千斤頂應盡量靠中間布置；掌子面開挖時，左側宜超挖1～2 cm，右側應適當欠挖0～2 cm。通過上述千斤頂的布置與優(yōu)化，在總頂力保持不變的情況下，可以增加糾偏力矩，減少橋體的平面偏位。

4 現場監(jiān)測與分析

地道橋平面姿態(tài)監(jiān)測主要是通過在地道橋軸線的前端和后端粘貼反射片，并通過全站儀進行觀測。如圖9所示，其中L2測點為前端測點，L1為后端測點。

圖9 地道橋平面姿態(tài)監(jiān)測布置圖

從圖10可以看出：

圖10 地道橋平面偏位隨頂程變化

a.頭部L2測點呈現先左偏后右偏的趨勢，最大右偏量15.7 cm，尾部L1測點整體整體呈現左偏趨勢，最大左偏量9.1 cm，地道橋平面整體呈現順時針旋轉，最大偏轉角18'。

b.頂程在24～38 m范圍內呈現偏轉減緩趨勢，38～47 m范圍內偏轉減緩趨減低。47～56 m偏轉趨勢急劇增大。

圖11為初始偏轉力矩與實測偏轉角成果對比圖。頂程0～44 m范圍內，監(jiān)測成果與初始偏轉力矩符合性較好，44 m頂進結束無相關性。實際施工過程中施工單位在中繼間左側布置6個500 t千斤頂，右側布置9個500 t千斤頂。44 m頂進結束階段，施工單位為保證第2節(jié)與第1節(jié)的沉降縫閉合，打開了左側最外側千斤頂，從而減小了糾偏力矩的大小，于是出現了上述與理論結果不相符的監(jiān)測結果。

圖11 初始偏轉力矩與實測偏轉數據對比

5 結論與建議

本文依托平益高速平江南互通E匝道下穿平汝高速度頂推地道橋工程，結合理論分析與現場監(jiān)控對斜交地道橋頂進全過程的偏位問題進行了深入研究，推導了斜交地道橋頂進全過程不平衡彎矩的表達式，研究了地道橋預制角度、首節(jié)長度、斜交角度和凈寬等設計參數對地道橋偏位的影響。取得的主要結論與設計施工建議如下：

a.受初始偏轉力矩影響，斜交頂推地道橋一般會出現平面偏轉的工程問題。且平面偏轉量主要受斜交角度、預制銳角、首節(jié)長度、建筑寬度和施工工藝的影響。

b.從工程實際角度出發(fā)，選線階段應避免大角度斜交；結構設計階段，預制銳角宜適當加大、首節(jié)長度應盡量減短；施工階段應對千斤頂位置合理布置。

c.地道橋的最大初始偏轉力矩出現在首節(jié)地道橋完全入土的位置，這既是最大頂力的發(fā)生位置，也是最大初始偏轉力矩的發(fā)生位置。油頂配置應按照該位置進行計算。

d.斜交地道橋施工應尤為注意平面姿態(tài)的施工監(jiān)測。施工監(jiān)測數據是油頂平面配位的最原始依據。

通過對比現場監(jiān)測所反映的偏位趨勢，驗證了理論公式的正確性，理論公式反映地道橋偏位趨勢與現場監(jiān)測結果一致。該糾偏技術為平江南互通地道橋頂推工程的糾偏控制提供了理論指導，保證了工程的安全，降低了糾偏控制的成本，縮短了項目的工期，取得了良好的經濟社會效益。