箱體頂進(jìn)施工關(guān)鍵技術(shù)分析

胡益民

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000）

隨著城市化進(jìn)程的加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加強(qiáng)，下穿既有公路項(xiàng)目為保證施工期間既有交通能夠正常運(yùn)營(yíng)，多會(huì)對(duì)既有路基進(jìn)行加固，然后采用箱體頂進(jìn)施工技術(shù)。下穿既有線路箱體頂進(jìn)施工技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出[1～2]：一是頂進(jìn)施工時(shí)間短，對(duì)既有線路正常運(yùn)營(yíng)影響??；二是箱體可在場(chǎng)外提前預(yù)制，占用場(chǎng)地小；三是施工工序簡(jiǎn)單高效，頂進(jìn)就位后即可后續(xù)施工；四是可全程監(jiān)控頂進(jìn)路線，就位精度高。本文以實(shí)際工程為例，介紹箱體頂進(jìn)施工技術(shù)。

1 工程概況

廣東江門大道下穿中江高速公路節(jié)點(diǎn)位于現(xiàn)狀西環(huán)ZK28+219.2處，交角90°，現(xiàn)狀高速公路跨線橋梁為整體式斷面布置，左右幅寬均為12 m。上部結(jié)構(gòu)采用5×18.6 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部結(jié)構(gòu)采用肋板式橋臺(tái)，0#和5#橋臺(tái)均設(shè)置了2級(jí)錐坡，錐坡采用漿砌片石防護(hù)。

江門大道左幅道以頂進(jìn)箱體的形式下穿中江高速公路。為降低頂進(jìn)箱體對(duì)橋臺(tái)及高速公路交通的影響，保證較高的安全度，頂進(jìn)箱體作業(yè)面設(shè)置在橋臺(tái)后10 m處，最大覆土厚度6.75 m。頂進(jìn)箱體為單孔結(jié)構(gòu)，寬17.9 m、凈高8.43 m、總長(zhǎng)48 m。見(jiàn)圖1。

圖1 頂進(jìn)箱體結(jié)構(gòu)

箱體頂進(jìn)施工采用傳統(tǒng)的管幕支護(hù)和中繼間頂進(jìn)法，高速公路兩側(cè)設(shè)置工作坑，箱體由高速公路北幅向南幅頂進(jìn)。北幅工作坑長(zhǎng)55.2 m、寬21.9 m，作為預(yù)制箱體和頂推箱體作業(yè)的出發(fā)井；南幅工作坑長(zhǎng)15 m、寬21.9 m，作為頂進(jìn)箱體的接收井和管幕頂管施工的工作井，管幕頂管由南幅向北幅頂進(jìn)。見(jiàn)圖2。

圖2 箱體頂進(jìn)施工

頂進(jìn)施工工點(diǎn)區(qū)為低緩丘陵區(qū)，地形起伏較大，地表植被發(fā)育。頂進(jìn)坑和接收坑位于左輔道的山體斜坡上，區(qū)域內(nèi)覆蓋層為第四系土層，主要為填土層、粉質(zhì)黏土層等組成；穿越層巖性主要為寒武系變質(zhì)砂巖，變質(zhì)砂巖呈褐黃色，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造已完全破壞，巖石風(fēng)化完全。頂進(jìn)地道在山體中，由于現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)較高，場(chǎng)內(nèi)地表水不發(fā)育。

2 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用MIDAS/Civil 2012軟件進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)計(jì)算，選取縱向單位長(zhǎng)度閉口斷面建立梁?jiǎn)卧Ｐ停?6個(gè)節(jié)點(diǎn)、56個(gè)單元?？紤]荷載[3]主要包括：結(jié)構(gòu)自重、底板鋪裝、升降溫、底板汽車荷載、頂板覆土壓力荷載、側(cè)墻土壓力、浮力及土體反拱荷載。邊界條件：支點(diǎn)節(jié)點(diǎn)全部固結(jié)，底板與支點(diǎn)節(jié)點(diǎn)彈性連接。讀取結(jié)構(gòu)最大正負(fù)彎矩，見(jiàn)圖3。

圖3 箱體結(jié)構(gòu)基本組合彎距最大值

由圖3可知：

1）箱體頂板支點(diǎn)處承受負(fù)彎矩，上緣受拉，最大彎矩為-3 000.8 kN·m；跨中處承受正彎矩，下緣受拉，最大彎矩為2 455.5 kN·m；

2）左側(cè)墻承受正彎矩，外側(cè)受拉，最大彎矩出現(xiàn)在支點(diǎn)處，為3 967.9 kN·m；右側(cè)墻承受負(fù)彎矩，外側(cè)受拉，最大彎矩出現(xiàn)在支點(diǎn)處，為4 053.6 kN·m；

3）底板支點(diǎn)處承受正彎矩，上緣受拉，最大彎矩為2 588.0 kN·m，跨中處承受負(fù)彎矩，上緣受拉，最大彎矩為-2 212.6 kN·m。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果完成箱體結(jié)構(gòu)配筋：頂板頂面φ32 cm@10 cm，底面雙排φ32 cm@10 cm，箍筋φ20 cm@50 cm，支點(diǎn)處箍筋間距縮小至30 cm，支點(diǎn)布置φ25 cm@50 cm抗剪彎起筋局部加強(qiáng)；底板頂面雙排φ32 cm@10 cm，底面φ32 cm@10 cm，箍筋φ20 cm@50 cm，支點(diǎn)處箍筋間距縮小至30 cm，支點(diǎn)布置φ25 cm@50 cm抗剪彎起筋局部加強(qiáng)；側(cè)墻內(nèi)側(cè)φ32 cm@10 cm，外側(cè)雙排φ32 cm@10 cm，箍筋φ20 cm@50 cm。按照規(guī)范[4]完成基本組合承載能力驗(yàn)算和短期組合抗裂驗(yàn)算，見(jiàn)表1。

表1 箱體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3 箱體頂進(jìn)施工

箱體預(yù)制在高速公路北側(cè)滑板上進(jìn)行，為便于頂進(jìn)，48 m箱體分4節(jié)預(yù)制，每節(jié)長(zhǎng)12 m，每節(jié)之間在前一節(jié)尾端設(shè)500 cm×120 cm鎬窩后澆帶，后一節(jié)做為前一節(jié)頂進(jìn)的后背，用節(jié)間設(shè)置的中繼間千斤頂進(jìn)行頂進(jìn)，中繼間內(nèi)的千斤頂?shù)竭_(dá)最大頂程后，前節(jié)箱體暫停前進(jìn)，進(jìn)行后節(jié)箱體的頂進(jìn)。此時(shí)，前節(jié)中繼間的千斤頂隨著后節(jié)箱體的前進(jìn)而壓縮，箱體最后一節(jié)還要依靠后背墻的反力進(jìn)行頂進(jìn)，不過(guò)后背墻的最大反力僅為最后一節(jié)箱體的頂力。

3.1 頂進(jìn)施工的頂力計(jì)算

箱體頂進(jìn)力設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮頂進(jìn)過(guò)程中遇到的以下阻力：

1）箱體頂部以上的垂直土壓力引起的涵體與土的摩擦力；

2）涵體自重產(chǎn)生的涵體與土的摩擦力；

3）由水平力引起的涵體與土的摩擦力；

4）頂進(jìn)過(guò)程中涵體前切土阻力。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)頂力為25 100 kN，采用4 000 kN頂力的油壓千斤頂，效率按70%計(jì)算，最終確定共設(shè)置12臺(tái)千斤頂，兩個(gè)鎬窩各放置6臺(tái)，3個(gè)中繼間合計(jì)48臺(tái)千斤頂并配置好相應(yīng)的頂鐵、頂柱的截面和排數(shù)，再按油壓千斤頂個(gè)數(shù)配置油泵。

3.2 后背墻的設(shè)計(jì)

箱體頂推后背墻采用2排φ130 mm鉆孔灌注樁進(jìn)行支撐，灌注樁樁長(zhǎng)17 m、間距1.3 m，共設(shè)置44根。后背墻后土體維持現(xiàn)狀不開(kāi)挖，以提供對(duì)后背墻的支撐。后背墻與頂進(jìn)千斤頂間設(shè)置鋼筋混凝土后背梁，后備梁尺寸為2.0 m×1.0 m。

4 管幕支護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 管幕工法加固

管幕工法也叫排管頂進(jìn)法，是在箱體頂進(jìn)位置的外周先用頂管法設(shè)置鋼管，形成封閉的鋼管幕，再在這個(gè)鋼管幕的圍護(hù)下頂進(jìn)箱體。施工管幕目的在于減少高速公路路面沉降和增加箱體施工時(shí)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。管幕的鋼管在箱體頂進(jìn)到位后，不可拔除，以防擾動(dòng)路基。

本項(xiàng)目管幕采用Q235螺旋焊接鋼管，直徑為970 mm，壁厚16 mm，沿箱體外輪廓線布設(shè)，共設(shè)置54根，管幕兩側(cè)設(shè)熱軋輕型10#和14#槽鋼雙角鋼鎖口。管幕可以采用泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)單側(cè)頂進(jìn)，受鎖口的約束，管幕頂進(jìn)可以控制在5 cm之內(nèi)。為了保證管幕不侵入箱體限界，上排鋼管、側(cè)面鋼管和箱體之間的間隙分別設(shè)置為41、34 cm。

地道進(jìn)出口設(shè)置管幕的支撐門架，采用雙排φ100 mm鉆孔灌注樁支護(hù)，樁頂設(shè)置160 cm×100 cm門架梁，管幕兩端均嵌固于門架梁中。見(jiàn)圖4。

圖4 管幕工法

4.2 頂進(jìn)狀態(tài)管幕撓度計(jì)算

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，管幕撓度計(jì)算做出如下假定：

1）因鎖口鋼管之間的抗彎剛度遠(yuǎn)小于鋼管本身的縱向抗彎剛度，所以假設(shè)鋼管幕為擱置在彈性地基上的管幕梁，忽略橫向剛度的影響；

2）假定上覆土沉降與管幕鋼管變形一致，管幕上覆土重量全部由管幕鋼管承載。

管幕頂進(jìn)時(shí)的受力分析見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 管幕撓度計(jì)算簡(jiǎn)圖一

圖6 管幕撓度計(jì)算簡(jiǎn)圖二

由彈性地基梁可知，CD中點(diǎn)的撓度最大，參照彈性地基梁公式和結(jié)構(gòu)力學(xué)公式列出相應(yīng)的位移計(jì)算公式

式中：δmax為CD梁的位移；q為上覆荷載總重，為130.8 kN/m（其中覆土厚度為5.5 m，土重22 kN/m3）；b為管幕計(jì)算寬度，取1.15 m；EI為鋼管幕的抗彎剛度，管幕彈性模量E=2.1x108kPa，管幕慣性矩；M為彎矩，kN·m；l0為主動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度，l0=htan(45o-)，h為上下管幕之間的凈距，φ為土層摩擦角，取27°；k為地基基床系數(shù)，取14 715；λ為基床系數(shù)，；系數(shù)A0=C0=D0=1[5]；Q為剪力，kN。

CD梁的受力平衡有由C點(diǎn)與C′點(diǎn)或者D點(diǎn)與D′點(diǎn)轉(zhuǎn)角相等條件得到

聯(lián)立式（1）～（3），得Q=415.7（kN），M=346.3（kN·m），δmax=12.4（mm）。

式中：W為截面抵抗矩。

架空管幕強(qiáng)度可靠。

5 施工監(jiān)測(cè)

本工程地質(zhì)條件復(fù)雜、管幕的頂進(jìn)不可逆且穿越重要高速公路，有必要對(duì)箱體頂進(jìn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便隨時(shí)掌握重要信息，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)處理。

監(jiān)測(cè)高速公路路面的沉降，先在路面頂涵范圍及周邊50 m范圍內(nèi)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)并對(duì)每一測(cè)點(diǎn)初始高程和水平位置詳細(xì)記錄，頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)測(cè)點(diǎn)的高程、水平位移和路面裂縫情況進(jìn)行測(cè)量，隨時(shí)掌握高速公路變形情況并視變形程度采取相應(yīng)的處理措施。見(jiàn)圖7。

圖7 中江高速公路跨線橋及路面右幅測(cè)點(diǎn)沉降曲線

參考軟土地區(qū)路基相關(guān)規(guī)定[6]，高速公路橋臺(tái)與路堤相鄰處容許工后沉降標(biāo)準(zhǔn)≯10 cm，本節(jié)點(diǎn)影響范圍內(nèi)路基沉降最大值為4.6 cm，滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

在頂進(jìn)過(guò)程中，箱體頂進(jìn)影響范圍內(nèi)中江高速公路沒(méi)有出現(xiàn)路基較大變形、坍塌和行車中斷等情況。本項(xiàng)目施工順利進(jìn)行并通過(guò)竣工驗(yàn)收表明：

1）箱體實(shí)體有限元模型選取合理，以其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋合理可行；

2）箱體頂進(jìn)力計(jì)算方法合理可行；

3）管幕支護(hù)設(shè)計(jì)和撓度計(jì)算合理可行；

4）監(jiān)測(cè)沉降值在規(guī)范允許范圍內(nèi)，施工中采用的方法可行。