吳治軍
(山西省公路局朔州公路分局,山西 朔州 036002)
頂管隧道是公路與鐵路構(gòu)成立體交叉的一種特殊構(gòu)造物,它在不中斷現(xiàn)有鐵路交通的情況下,將預(yù)制好的箱涵用頂進法施工,用頂進法穿越鐵路,與鐵路構(gòu)成立體交叉,這種形式稱為頂管隧道或頂進箱涵橋。箱涵在頂入法施工過程中,承受頂力的后背是施工組織設(shè)計中的重要部分。雖然是臨時性結(jié)構(gòu),但對能否順利進行施工有較大關(guān)系。在頂進過程中不允許后背結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形,如果產(chǎn)生過大變形或移位就會嚴(yán)重影響箱涵頂進的精度,甚至迫使施工停頓,產(chǎn)生嚴(yán)重后果。相反地一味追求牢固堅實,把后背建筑得過分龐大而增大造價也是不允許的??傊窗踩煽?,又不能追求過大的安全度,過分牢固的后背不僅浪費材料,而且會給拆除工作帶來不必要的麻煩。
過去在頂入箱涵施工中,常用的后背構(gòu)造形式有以下3種。
由鋼板樁或型鋼(鋼軌、工字鋼、槽鋼等組合)、后背梁及后背填土3部分組成。必須按要求的位置先打入板樁或型鋼后再進行土體開挖(與工作坑土體開挖相結(jié)合),次序不能顛倒,這樣做才能確保后填土的密實性,挖出的土體可以推置在后背上,后背梁與工作坑內(nèi)的滑板可以設(shè)計成整體的。為了頂進完畢后能順利地拔除鋼板樁,可在后背梁和板樁之間用油氈隔離。
板樁式后背可根據(jù)不同的設(shè)計頂力,在延長方向打入不同大小斷面的鋼樁,在頂力大的部分應(yīng)用斷面大、數(shù)量多的樁;反之可以用斷面小、數(shù)量少的樁,這種方法對快、慢車道分離的三箱方案特別適宜。
頂力計算可根據(jù)頂進長度、土的性質(zhì)、地下水情況、箱涵框架外形及施工方法等因素,按橋涵設(shè)計規(guī)程中的公式進行計算。即:
式中:P:最大頂力;
N1:箱涵頂部荷重(包括路線加固材料重量);
f1:箱涵頂上表面與頂上荷載之間的摩擦系數(shù)。根據(jù)頂上潤滑處理情況經(jīng)試驗確定,如無試驗資料時可按下列數(shù)值采用:涂石蠟為0.17~0.34,涂滑石粉漿為0.30,涂機油調(diào)制的滑石粉漿為0.20,覆土較厚時用0.7~0.8;
N2:箱涵自重;
f2:箱涵底版與基底土的摩擦系數(shù),視基底土的性質(zhì)經(jīng)試驗而定,無試驗資料時可采用0.7~0.8;
E:箱涵兩側(cè)土壓;
f3:側(cè)面摩擦系數(shù),視土的性質(zhì)而定,無實地試驗資料時,可用0.7~0.8;
R:鋼刃角處正面阻力,視刃角的構(gòu)造、挖土方法、土的性質(zhì)經(jīng)試驗確定;
A:鋼刃角正面積;
K:系數(shù),一般采用1.2。
主要由鋼筋混凝土預(yù)制塊或鋼筋混凝土預(yù)制樁、墊層后背填土3部分組成。為了減輕預(yù)制塊自重(便于吊裝),可采用加勁肋式,承受頂力的加勁肋傳來的集中力,經(jīng)版分散為均布力。預(yù)制塊的尺寸一般為1×1×3m自重近3t一塊,可承受頂力600~800kN。預(yù)制樁的尺寸一般為1×0.5×3 m,自重35~40 kN,在密排的預(yù)制樁和土體之間可砌筑漿砌塊石墊層,承受頂力可達(dá)100~120 t(1 000~1 200 kN)。
拼裝式后背較板樁式后背節(jié)省施工時間,后背的制作可在工作坑挖好后進行,無須打樁工序,而且可以作為專用設(shè)備反復(fù)使用,節(jié)省鋼材,其經(jīng)濟價值也高,但對后背背部的填土必須做到分層夯實,使土體獲得較高的密實度。
由后背墻、鋼筋混凝土墊梁和后背填土構(gòu)成,常用的重力式后背墻,由漿砌塊石砌筑而成。后背一般是在工作坑挖好后進行壓實,達(dá)到壓密程度,保證填土的內(nèi)摩擦角在25°~30°以上。在頂入工序結(jié)束后,拆除工作較前兩類后背要簡便得多,不需要打樁架和起重吊車等大型設(shè)備,而且拆下的石塊仍可供其它砌筑工程使用,所以造價低廉,特別是在容易采集石料的地區(qū),應(yīng)當(dāng)盡量使用重力式后背結(jié)構(gòu),以便提高經(jīng)濟指標(biāo),不過這種后背的單位長度頂力不宜超過700~800 kN/m2。
目前,國內(nèi)箱涵頂入工程的背后設(shè)計多半用朗金被動土壓理論計算被動土壓力,也有用庫倫被動土壓理論設(shè)計后背的。郎金土壓理論假定擋土墻是垂直的,墻背是光滑的(亦即δ=0,δ為被墻和土體之間的外摩擦角)。當(dāng)填土與墻頂齊平時,郎金的被動土壓公式為:
由于實際上外摩擦角δ≠0,因而按朗金公式計算出的土壓力偏小,該式計算簡便,故設(shè)計者樂于采用。
根據(jù)計算與試驗當(dāng)φ=30°,δ=0.5φ時,被動土壓系數(shù)可達(dá)到4.4左右,而該公式算出的被動土壓系數(shù)僅3.0左右,兩者相差達(dá)1.5倍,即相當(dāng)于用朗金公式計算被動土壓值時,已包括了1.5倍安全系數(shù)在內(nèi)。因此設(shè)計后背土抗力時,就不必再加安全系數(shù)了,計算頂力就等于后背動土壓力。
有時為了增大被動土壓力值,在后背墻的后上方填筑上一定高度的土方,則墻頂處P1=γh2tg2(45°+φ/2)。
α在0~90°之間時,則ε=α/90°式中ε和α本來不是直線變化,為了簡化計算將墻頂以上的斜坡填土高度h2予以折減,換算成一個相當(dāng)于豎直填土?xí)r的大致高度,以便仍能按朗金公式計算。因此:
墻頂處:P1=γεh2tg2(45°+φ/2)
墻底處:P2=γ(h1+εh2)tg2(45°+φ/2)
令:h2=mh1;μp=tg2(45°+φ/2)
得:P1=γεmh1μp
P2=γ(h1+εmh1)μp
則后背被動土壓力:
Ep=1/2h1(p1+p2)
C=(p1+2p2)/3(p1+p2)×h1=(h1+3mεh1)/(3+6mε)
以上各式中:γ:后背填土容重10 kN/3 m,一般取值1.7;
H1:后背墻高,m;
φ:填土的內(nèi)摩擦角,一般用30°;
ε:斜坡填土影響系數(shù),ε=α/90;
m:系數(shù),m=h2/h1;
h2:后背墻上的填土高度,m;
α:墻頂填土坡面與水平線夾角。
后背梁的設(shè)計頂力計算公式為:p=EP(被動土壓力)=F-G×f
式中:P:設(shè)計頂力;
F:最大頂力;
G:滑板重,(包括滑板上的施工荷載及壓載);F:版與土之間的摩阻系數(shù),通常采用0.6。