既有高速公路下穿分離式箱涵頂進施工對路基沉降的影響研究

謝宇航

(湖南奇航工程咨詢有限公司, 湖南 長沙 410006)

0 引言

隨著我國高速公路建設(shè)的迅速完善，新建設(shè)的道路與既有道路相交時往往采用立體交叉的交匯方式。下穿箱涵框架頂進施工法作為一種常用的立體交通建設(shè)方案，其優(yōu)點是可以在保證既有道路維持正常運營的狀態(tài)下完成施工建設(shè)，且施工量較小，在國內(nèi)外交通工程建設(shè)中均得到了較為廣泛的應(yīng)用。箱涵頂進施工過程需要對原有路基土體進行挖掘，因此，既有路基沉降往往是施工過程中的重要控制指標之一。對此，專家學(xué)者展開了較為廣泛研究：周廣友等[1]采取多種施工工藝控制了箱涵框架在頂推施工過程中路面的變形程度，保證了既有道路的運營安全；吳煒[2]依托某高速公路下穿箱涵工程，通過施工過程中實時沉降監(jiān)控，保證了頂推過程的施工安全；蔣鑫等[3]采用Midas有限元分析軟件，建立了頂推箱涵變形及應(yīng)力的分析方法，并根據(jù)實際工程中沉降數(shù)據(jù)的對比驗證了分析方法的有效性；王飛球[4]基于ABAQUS建立了箱涵-土體耦合模型，探討了頂進施工過程中的土體受力規(guī)律；周廣友等[5]采用FLAC 3D數(shù)值軟件對某箱涵頂進施工進行了全過程數(shù)值模擬，并總結(jié)了施工過程中的路面沉降規(guī)律，為具體工程提供了一定的指導(dǎo)。

綜上所述，目前高速公路下穿箱涵頂進施工多為整體式頂推，施工難度相對較小。當涵洞基底處理比較厚并且跨徑比較大時，為節(jié)約材料和節(jié)省成本，應(yīng)采用分離式箱涵進行分幅頂推施工。為研究分離式箱涵在不同幅頂進施工時對路基沉降造成的影響，本文依托某實際工程，采用ANSYS通用有限元軟件建立了箱涵-路基局部精細化耦合模型，總結(jié)分析了不同施工工況的路基沉降規(guī)律，對實際工程具有一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

某高速公路下穿分離式箱涵頂推施工工程，工程區(qū)域總體地勢北低南高，根據(jù)勘探資料及地質(zhì)報告，勘探區(qū)的地層分布類型主要有雜填土、圓礫、強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖和中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，臨近工程區(qū)域附近無明顯水擾環(huán)境。箱涵框架為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，材料等級為C40，頂進框架由 2 個獨立、平行的鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)組成，箱體之間設(shè)120 cm 間隙。單個箱體凈寬 13.5 m，頂板厚 1.1m，底板厚 1.1 m，側(cè)墻厚 1.0 m，框架結(jié)構(gòu)凈高 5.6 m，框架節(jié)段總長度 43.56 m，縱向分為 3 個節(jié)段，橫向分為 2 個獨立箱型通道，相比一般的頂進涵具有規(guī)模大、難度高等特點。箱涵截面尺寸如圖1所示。

箱涵框架橋與高速公路呈正交設(shè)計，框架采用分幅預(yù)制頂推施工，施工期間不拆除既有高速公路路面，不設(shè)置臨時便道，僅對施工影響區(qū)范圍內(nèi)的公路進行限速管制，不影響高速公路正常運營。頂進前對公路路基采用挖孔樁及止推橫梁進行防護，頂進工藝采用中繼間法，節(jié)段之間設(shè)置中繼間構(gòu)造，在節(jié)段之間安裝千斤頂。前節(jié)頂進時利用后節(jié)作為后背支撐，入土后，頂進過程嚴格控制節(jié)段之間的距離(一次頂程不大于0.25 m)，以確保公路路基的穩(wěn)定。頂進作業(yè)主要流程為：頂推→盾構(gòu)箱內(nèi)挖土→頂推循環(huán)作業(yè)，直至箱體頂推至設(shè)計位置。

圖1 箱涵截面尺寸(單位： m)

2 有限元模型建立

2.1 基本假設(shè)

采用通用有限元軟件ANSYS建立路基-頂管分析模型，為分析鄰近下穿頂管區(qū)域的既有路基沉降變形及頂管自身應(yīng)力情況并分別判斷既有路基穩(wěn)定性與頂管強度是否滿足要求，取部分路基作為分析對象。以橫路面方向為X，順路面方向為Z，垂直路面方向為Y;其中，X方向模型長取150 m；Z方向模型寬取80 m；Y方向地基高取30 m，路基高取10 m，建?；炯俣ㄈ缦拢孩俑髂Ｐ徒Y(jié)構(gòu)均采用實體單元，模型材料考慮為連續(xù)、各向同性；②忽略頂推過程中路基內(nèi)部石塊對箱涵的破壞作用，且不考慮地下水作用及其影響，認為橋臺結(jié)構(gòu)與既有路基接觸面間結(jié)合緊密無滑移；③對于框架橋頂進施工過程的注漿加固作用，建立了結(jié)構(gòu)周圍封閉填充體，實現(xiàn)對頂進過程中的框架橋進行加固的效果；④將有限元模型在迭代運算過程中出現(xiàn)的位移值發(fā)散或不收斂作為既有路基發(fā)生大變形，即失去穩(wěn)定性的判斷依據(jù)。

2.2 材料、邊界、荷載及約束定義

地基土與路基填料采用理想彈塑性德魯克-普拉格本構(gòu)(Drucker-Prager)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如式(1)所示，其他模型結(jié)構(gòu)采用理想彈性本構(gòu)，材料參數(shù)如表1所示進行定義。

(1)

表1 主要材料參數(shù)材料彈性模量/MPa泊松比密度/kg·m-3 黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)既有公路路基190.400.222 250540地基黏土6.660.321 9902016風(fēng)化巖16.200.252 2004525既有公路橋結(jié)構(gòu)、橋臺3.15×1040.212 400——框架橋3.25×1040.202 400——新、舊橋臺3.15×1040.212 400——加固層3.0×1040.222 300——盾構(gòu)機頭2.04×1050.3———

頂進施工模擬過程采用ANSYS中的生死單元技術(shù)實現(xiàn)路基開挖，盾構(gòu)設(shè)備、框架橋與路基接觸面采用耦合節(jié)點位移技術(shù)。初始環(huán)境下，模型四周邊界面主要受模型外土體、結(jié)構(gòu)的法向約束，底部主要受法向和切向共同約束作用，因此，邊界條件為四周側(cè)面法向位移約束，底面全位移約束，對受力和變形變化較大的部位進行網(wǎng)格加密處理，雙幅箱涵頂進施工的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分

2.3 工況選取

根據(jù)下穿箱涵施工方案，關(guān)鍵施工階段包括頂推前準備階段、右幅箱涵頂進施工、左幅箱涵頂進施工和附屬結(jié)構(gòu)施工，本文選取箱涵在頂推施工過程中的5個關(guān)鍵位置作為典型工況，分析箱涵在頂推過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力及路基沉降情況，主要工況選取如表2所示。

表2 工況選取工況劃分工況內(nèi)容工況1初始應(yīng)力場計算,激活左右幅原位框架橋及橋臺結(jié)構(gòu)工況2右幅框架橋頂進35 m工況3右幅框架橋頂進至設(shè)計位置工況4左幅框架橋頂進35 m工況5左幅框架橋頂進至設(shè)計位置

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

不同工況下的沉降云圖如圖3所示。根據(jù)ANSYS沉降云圖的分布情況可知，在上部高速公路正常運營情況下，全階段頂推過程路基沉降變形呈增長趨勢，但峰值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

(a)工況1：頂進準備階段

(b)工況2：右幅頂進35 m

(c)工況3：右幅頂進至設(shè)計位置

(d)工況4：左幅頂進35 m

(e)工況5：左幅頂進至設(shè)計位置

由圖3可知，初始位移場梯度集中區(qū)域主要位于框架橋頂板與鄰近新橋臺處路基，其中路基沉降峰值約為0.16 mm，箱涵頂板下?lián)献冃畏逯禐?.48 mm，初始應(yīng)力場下路基及箱涵變形均處于較低水平。右幅框架橋頂進35 m狀態(tài)下，既有路基本體變形呈增大趨勢，其中頂進框架上方路基沉降位移變化較明顯，沉降位移峰值在2.2 mm左右，箱涵頂板下?lián)献冃渭s1.6 mm。右幅框架橋頂進至設(shè)計位置時，其上方路基沉降位移顯著增大，峰值位移達到8.9 mm，鄰近左幅框架橋上方區(qū)域向上隆起約0.4 mm，箱涵頂板下?lián)献冃渭s2.2 mm。分析原因可知，頂推施工過程中右幅框架前方土體開挖卸載，鄰近區(qū)域不斷沉降，而雙側(cè)土在頂進過程中受到一定程度擠壓，從而產(chǎn)生微小隆起。左幅框架橋頂進35 m狀態(tài)下，既有路基變形繼續(xù)增大，沉降峰值為10.2 mm，峰值點位于右幅框架橋上方，左幅框架橋左側(cè)區(qū)域出現(xiàn)1.7 mm隆起變形，左、右幅箱涵頂板下?lián)献冃畏謩e約為3.0、2.5 mm。當雙幅框架橋頂進至設(shè)計位置時，既有路基變形值達到最大，兩幅框架橋上部區(qū)域路基沉降均超過13 mm，至橋臺處路基沉降值總體下降至7 mm以內(nèi)，可見新建橋臺在頂管行進過程中具有明顯增強路基穩(wěn)定性與限制路基位移的作用。

為進一步分析各典型工況之間路基沉降變形的規(guī)律，取箱涵頂推方向縱軸線上方既有路面的2處路徑提取沉降量計算結(jié)果(見圖4)，并繪制不同工況下的路基沉降曲線(見圖5)。

圖4 分析路徑示意

圖5 不同工況下的路基沉降曲線

由圖5(a)可知，雙幅箱涵頂進過程中，路徑1各點沉降值整體呈增長趨勢，右幅框架橋頂進35 m過程中，鄰近框架橋尾端路基沉降增量相對其他位置較明顯，右幅橋頂推至設(shè)計位置時，路徑1沉降曲線呈梭形，峰值點向路基中部移動，且沉降增量相比前工況顯著增大，峰值沉降位移超過8 mm，相比上一工況計算結(jié)果，沉降值增長量約為其3倍；隨著左幅框架橋頂進35 m，路基1沉降曲線趨勢基本保持不變，沉降量增幅不明顯，至左幅框架橋頂推至設(shè)計位置，沉降曲線顯著增大，頂推完畢后沉降位移峰值超過12 mm，峰值點位置與沉降曲線特點與前工況結(jié)構(gòu)類似，但路基兩側(cè)位移顯著增大，梭形曲率變小。

由圖5(b)可知，雙幅箱涵頂進過程，路徑2各點沉降值同樣呈整體增長趨勢。右幅框架橋頂進35 m過程，路徑2沉降曲線整體增幅較小，右幅箱涵頂進至設(shè)計位置時，路徑2沉降曲線變化呈梭形，峰值點位于路基中部，沉降值約為2 mm，相比上一工況計算結(jié)果，沉降值增長量稍大；隨左幅框架橋頂進至35 m，路基2沉降曲線趨勢發(fā)生改變，沉降峰值約為8 mm，峰值點由路基中部向框架橋尾部方向移動，至左幅框架橋頂推至設(shè)計位置，沉降曲線進一步增大，頂推完畢后沉降位移峰值約為12 mm，峰值點位置再次移動至路基中部，梭形曲率變小。

綜合2條路徑上的沉降曲線變化規(guī)律可知，分離式箱涵頂推過程中，同一幅箱涵后期頂進所產(chǎn)生的路基變形較前期稍大，分析原因為同一幅箱涵框架頂進時，先行的框架可有效提高路基結(jié)構(gòu)剛度，降低后續(xù)頂進過程所產(chǎn)生的路基沉降位移。

為對比整體式頂進與分幅頂進對既有路基沉降的影響，修改有限元模型模擬該工程的整體式頂進施工過程，2種頂進方式在施工過程中的路基沉降峰值曲線如圖6所示，從圖6可以看出，采用分離式頂進施工時，各施工階段路基沉降量更小，先行頂進的右幅與整體式頂進沉降曲線趨勢一致，由于先行頂進框架對路基整體穩(wěn)定性的加固作用，后行頂進的左幅框架各施工階段沉降峰值明顯減小，證明了分幅頂進的合理性與可行性。

圖6 不同頂推方式沉降峰值對比

4 結(jié)論

以某高速公路下穿分離式箱涵頂進施工為工程背景，采用ANSYS通用有限元軟件建立了箱涵-路基局部精細化耦合模型，分析了分離式箱涵框架在不同幅分別頂進時的路基沉降變形規(guī)律，得到結(jié)論如下：

1)高速公路下穿箱涵頂推施工過程中，在原路基土體的開挖與框架橋頂進綜合影響下，既有路基產(chǎn)生變形，其中鄰近下穿箱涵區(qū)域沉降位移明顯增大，且沿路基橫向沉降曲線呈“梭形”，峰值點基本位于中部，頂推完畢后最終路基沉降位移最大約13 mm。

2)根據(jù)各工況下的路基沉降規(guī)律，頂進施工過程中，新建橋臺具有明顯增強路基穩(wěn)定性與限制路基位移的作用。

3)同一幅箱涵框架頂進時，先行的前半段框架可有效提高路基結(jié)構(gòu)剛度，降低后半段頂進過程所產(chǎn)生的路基沉降位移。

4)與整體式箱涵頂推施工不同，分離式箱涵頂推施工過程中，先頂進框架可有效提高路基整體穩(wěn)定性，頂推作業(yè)結(jié)束后，后頂進框架各施工階段路基沉降峰值均小于先頂進框架。