韓立軍 上海鐵路局南京橋工段

1 工程概述

1.1 工程概況

鹽城市新建城市道路，等級(jí)為一級(jí)公路，設(shè)計(jì)行車速度80 km/h，需下穿新長(zhǎng)鐵路。公路中心與鐵路斜交，法線夾角13.25°。橋址處鐵路為單線，填土高度為2～2.5 m。路基面寬度7.5 m。立交橋采用2-（13.95＋13.95）m鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，軸長(zhǎng)8.5 m，兩側(cè)均設(shè)計(jì)有5 m的鋼筋混凝土翼墻。

1.2 地質(zhì)情況

該段在地貌上屬于海積平原區(qū)，地貌類型單一。地面標(biāo)高在1.5 m左右。地質(zhì)自上而下為：1層—亞粘土，軟塑，1.5～0.75 m，σ=100 kPa；21層—亞粘土及淤泥質(zhì)亞粘土，流塑，0.75～-12.75 m，σ=65 kPa，（橋基位于該層）；22層—亞砂土，軟塑，-15.75～-12.75 m，σ=90 kPa；3 層—亞砂土，軟塑，-24.05～-15.75，σ=120 kPa。地基采用高壓旋噴樁加固。

1.3 框架的施工情況

框架采用架設(shè)D24型便梁頂進(jìn)法施工，便梁支墩采用在鐵路兩側(cè)設(shè)置φ1.2 m長(zhǎng)30 m的鉆孔樁，用鋼筋混凝土蓋梁連接。

第一孔框架在完成地基加固并養(yǎng)護(hù)到期后頂進(jìn)，頂進(jìn)質(zhì)量滿足規(guī)范要求，前后左右最大誤差僅30 mm。為了保證第二孔框架在頂進(jìn)后能和前一孔標(biāo)高處于同一水平，決定頂進(jìn)時(shí)先將鋼筋混凝土滑床板向前延伸至線路中心線外2 m，再進(jìn)行頂進(jìn)施工。由于臨近春節(jié)，根據(jù)路局要求，春運(yùn)前要施工完畢。在高壓旋噴樁齡期不足的情況下開挖頂進(jìn)基坑，由于地基太軟頂進(jìn)基坑開挖3次才勉強(qiáng)成功，隨即澆筑接長(zhǎng)的鋼筋混凝土滑板，并養(yǎng)護(hù)7天，混凝土強(qiáng)度達(dá)到C25。第二孔在頂進(jìn)過程中接長(zhǎng)滑板出現(xiàn)裂縫，扎頭趨勢(shì)明顯，在還有5 m左右頂程時(shí)滑床板斷裂，不能繼續(xù)頂進(jìn)，扎頭32 cm。扎頭后立即進(jìn)行了糾偏處理，在框構(gòu)范圍內(nèi)前端澆筑了寬5 m、深1 m的鋼筋混凝土帶坡導(dǎo)向板，希望后期頂進(jìn)框架能夠順導(dǎo)向板向上，達(dá)到糾偏的目的。砼強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后開始頂進(jìn)，頂進(jìn)過程中發(fā)生了靠近翼墻段處5 m長(zhǎng)導(dǎo)向板斷裂并隨頂進(jìn)向前推動(dòng)。前口及翼墻側(cè)繼續(xù)扎頭，扎頭趨勢(shì)加快。為了保證線路安全，決定繼續(xù)頂進(jìn)，直至把便梁支墩的鉆孔樁全部保護(hù)上為止，并回填三角區(qū)，經(jīng)測(cè)量最大高差達(dá)1 m（帶翼墻處）。與前一孔相差太多，不能滿足要求。后經(jīng)實(shí)地調(diào)查走訪，據(jù)當(dāng)?shù)乩习傩辗从吃撎幵瓰楹犹?，地質(zhì)情況發(fā)生了很大的變化。

2 糾偏方案的比選

根據(jù)現(xiàn)狀，為了確保給業(yè)主交付一個(gè)滿意的工程。經(jīng)過討論共有三種方案可供選擇：①將第二孔框構(gòu)鑿除，重新在原位現(xiàn)澆。②通過頂抬，使框構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。③將框構(gòu)回頂至滑床板，在進(jìn)行地基處理后再次頂進(jìn)。通過對(duì)方案的比選，考慮到企業(yè)的社會(huì)效益及影響。第一種方案不可行，第二、三種方案對(duì)企業(yè)的社會(huì)效益影響較小，但需要通過理論計(jì)算方可確定。

2.1 頂抬方案的計(jì)算

2.1.1 總體方案

在箱體四個(gè)角作深基礎(chǔ)支墩，主梁從箱身頂板下橫穿，主梁與頂板間加工字鋼橫向分配梁，主梁采用鋼便梁，支點(diǎn)處主梁下安裝工字鋼分配梁，支點(diǎn)處傳立柱采用鋼管柱，每個(gè)支承點(diǎn)處采用1臺(tái)500 t千斤頂頂抬。

2.1.2 支墩基礎(chǔ)受力計(jì)算

箱身自重按設(shè)計(jì)1 000 t計(jì)算，并同時(shí)考慮南側(cè)邊墻主動(dòng)土壓力產(chǎn)生的摩擦力，按朗金主動(dòng)土壓力公式計(jì)算：

主動(dòng)土壓力系數(shù)ka=tg2(45°-φ/2)=tg2(45°-20°/2)=0.49

受力分析如圖1如示。

圖1 臺(tái)梁及支墩受力簡(jiǎn)圖

通過計(jì)算：4個(gè)角最大反力為420.7 t，最小為213.75 t。

2.1.3 支墩樁基承載力檢算

鉆孔樁長(zhǎng)度按26 m計(jì)算，樁基直徑150 cm，按照單排2根布置。

單樁承載力計(jì)算：

各土層的摩擦系數(shù)按表1中取值。

表1 各土層摩擦系數(shù)表

單樁承載力

樁周長(zhǎng)U=πd=4.712 m，樁面積A=1.767 m2，鉆孔樁的清底細(xì)數(shù)m0取0.4，修正系數(shù)λ取0.7，樁尖處的極限承載力：

σR=2m0λσ0=2×0.4×0.7×260=145.6 kPa=14.56 t/m2

f=(∑Up·τp+AσR)=[3.142×1.5（9×25+3×45+8.3×45+5.7×70）+1.767×145.6）] /2=2795.8 kN=279.6 t

按支墩最大承載力計(jì)算需2根鉆孔樁，其允許承載力為2×279.6=559.2 t，安全系數(shù)為559.2/420.7=1.33。

2.1.4 主梁受力檢算

單側(cè)主梁采用兩根D16鋼便梁，箱身內(nèi)用鋼管樁支承牢固，探出箱身外部分按懸臂梁計(jì)算，按最不利荷載進(jìn)行檢算，如圖2所示。D16鋼便梁的截面模量Wx=13979.1 cm3，慣性矩Ix=611586.7 cm4。

圖2 臺(tái)梁及支承布置簡(jiǎn)圖

通過對(duì)彎矩、彎曲強(qiáng)度、撓度檢算，需要3根主梁方可滿足需要。

2.2 回頂方案

2.2.1 回頂總體方案

加固便梁支墩，設(shè)置回頂后背梁，在回頂及正頂過程中進(jìn)行糾偏。為此，采用將原整體斷裂、變形鋼筋混凝土滑板全部鑿除，并在框架邊墻對(duì)應(yīng)位置各設(shè)置2根直徑1 m鉆孔樁，在樁頂用鋼筋混凝土梁連接，來承受回頂框架的壓力。對(duì)其他部分軟弱地基換填50 cm片石并在上面澆筑厚度50 cm整體C30鋼筋混凝土滑板，滑板與導(dǎo)梁形成整體，保證箱涵回頂時(shí)滑板的絕對(duì)穩(wěn)定。南側(cè)導(dǎo)梁上設(shè)置10.3%上坡并與滑板坡度一致，北側(cè)導(dǎo)梁平坡，剩余部分滑板坡度設(shè)置平坡。混凝土達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行回頂?；仨斖瓿珊?，在橋位處重新制作鋼筋混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用換填50 cm片石及50 cm鋼筋混凝土，鋼筋必須與鉆孔樁及加強(qiáng)滑板鋼筋連接，前端設(shè)置向上坡度。鋼筋混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后正頂?shù)轿弧?/p>

2.2.2 頂力計(jì)算

（1）最大頂力計(jì)算

N1：頂部荷載取值為0；單側(cè)土壓力；RA：鋼刃角正面阻力，取 0；

箱身自重N2=400×2.5=1000 t

箱身底板與基底土的摩擦系數(shù)f2=0.75 ka=tg2(45°-20°÷2)=0.49

箱身一側(cè)單延米上的主動(dòng)土壓力側(cè)面摩擦系數(shù)f3=0.75

最大頂進(jìn)阻力P=1.3[1000×0.75+363.7×0.75] =1329 t

考慮箱體爬坡影響，K取1.3。

（2）按箱身自重計(jì)算頂力

綜合以上計(jì)算取最大頂力為P=1350 t

2.2.3 后背承載力計(jì)算

圖3 后背梁檢算示意圖

后背前荷載有：最大頂力P頂力、滑床板下至后背底的主動(dòng)土壓力Ea前（忽略不計(jì)）；后背及其后荷載有：后背自重摩擦力F摩擦(忽略不計(jì))、后背后土體被動(dòng)土壓力Ep后，如圖3所示。

（1）后背及其后荷載

后背后土體被動(dòng)土壓力強(qiáng)度

被動(dòng)土壓力合計(jì)：

Pp合=16×Pp后=16×115.3=1844.8 t＞P=1350 t

后背土壓力未考慮土體粘結(jié)力，偏于保守。

（2）后背承載力安全系數(shù)

k=Pp后/Pp前=1844.8/1350=1.37

符合要求。

（3）穩(wěn)定性檢算

后背被動(dòng)土壓力的作用點(diǎn)在土壓力圖的形心處，鋼軌樁最低點(diǎn)取矩計(jì)算形心位置。

h=(Pp1h1/2×h1/3+Pp2h2×6.25/2)/Pp后=(22.5×6.25÷2×6.25÷3+7.2×6.25×6.25÷2)/115.3=2.49 m

抗傾覆穩(wěn)定性檢算：f=Pp合×2.49/(P頂×3)=1.2

穩(wěn)定性滿足要求。

2.2.4 滑床板單樁承載力計(jì)算

根據(jù)樁基承載力公式，鉆孔樁長(zhǎng)度按28.6 m計(jì)算，樁基直徑100 cm，計(jì)算單樁承載力為219 t。

單位寬度的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度為

Pp1=1.8×6.25×2=22.5 t/m

Pp2=1.8×2.0×2=7.2 t/m

單位寬度的被動(dòng)土壓力為

按此考慮，滑床板上需要5根鉆孔樁來保證在回頂時(shí)不扎頭?？紤]滑板本身也分擔(dān)框架的部分壓力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，最后決定采用4根直徑100 cm長(zhǎng)30 m的鉆孔樁。

2.3 方案的比選

通過上述的理論計(jì)算，第二、三方案在理論上均可滿足涵洞的糾偏需要。但考慮到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，第二方案中的頂梁主梁為D16 m便梁，便梁自重較大，D16型便梁?jiǎn)纹髁鹤灾貫?.412 t，在安裝時(shí)存在較大安全隱患；便梁本身還具有一定的預(yù)拱度，安裝時(shí)與箱身頂板的密貼有一定難度；箱內(nèi)主梁的剛性支承較難解決，箱體能否滿足剛性支撐的受力條件需設(shè)計(jì)提供支持；第三方案中只需解決后背的基礎(chǔ)開挖及后背的回填即可。所以通過對(duì)三個(gè)方案的綜合比選，最終選定第三方案為該涵洞的糾偏處理方案。

3 處理的效果及建議

3.1 處理的效果

按照第三方案實(shí)施，箱涵順利回頂?shù)轿?，頂力后背無位移、損傷等情況發(fā)生，為箱涵的二次頂進(jìn)創(chuàng)造了條件。在箱身位置處進(jìn)行地基處理后進(jìn)行二次頂進(jìn)，頂進(jìn)質(zhì)量良好，各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)無損傷。取得了一定的社會(huì)效益。

3.2 建議預(yù)防“扎頭”的措施

根據(jù)本項(xiàng)工程的頂進(jìn)糾偏措施和處理的結(jié)果，建議在今后的同類工程施工中，應(yīng)充分考慮預(yù)防箱涵頂進(jìn)過程的“扎頭”的措施，要做到主動(dòng)預(yù)防。

3.2.1 詳細(xì)核對(duì)地質(zhì)情況

在編制施工組織設(shè)計(jì)時(shí)，在設(shè)計(jì)單位提供詳細(xì)地質(zhì)資料的前提下，要進(jìn)行實(shí)地地形地貌的詳細(xì)調(diào)查和走訪?；舶逑氯缬鏊绍浲临|(zhì)要請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)單位變更設(shè)計(jì)，如采取換填等辦法，以免滑板在箱涵頂進(jìn)重心移出端部時(shí)造成滑板斷裂、箱體前傾、扎頭等。

3.2.2 作好施工降水

如遇地質(zhì)松軟、地下水位高的情況，必須提出詳細(xì)的降低地下水的方法和措施。無論是采取輕型井點(diǎn)降水還是深井降水或是明溝排水，都要貫穿始終，不可在降水問題上麻痹。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在軟弱地基高水位地區(qū)橋涵頂進(jìn)的成敗很大程度上取決于降水效果。如果降水不能降至底板以下0.5～1.0 m，則帶水頂進(jìn)會(huì)造成路基塌方和箱涵“扎頭”。

3.2.3 合理設(shè)計(jì)滑板仰坡和箱涵的“船頭坡”

預(yù)留滑板仰坡的目的是，在出現(xiàn)“扎頭”情況下，箱涵也能落到預(yù)期位置。如何確定合理的坡度，目前尚無具體計(jì)算方法，一般取3‰ 左右，主要視土質(zhì)情況而定：土質(zhì)密實(shí)且開挖得當(dāng)，取3‰ 即可；土質(zhì)松軟、含水量大，坡度應(yīng)略微放大，一般為5‰左右?！按^坡”一般采用1：10左右的坡度，具體情況也要考慮箱涵的長(zhǎng)度、頂程的大小等因素。如果在箱涵前部再安裝同坡度的鋼刃角，效果會(huì)更好。

4 結(jié)束語(yǔ)

不同的土質(zhì)由于內(nèi)摩擦角不同其土壓力對(duì)箱涵周邊產(chǎn)生的摩阻力也不同，由側(cè)面摩阻力形成的對(duì)箱涵夾持力也直接影響頂進(jìn)高程的變化；更重要的是基底土壤由于地下水位的高低，影響基底土壤含水量的大小，進(jìn)而直接影響到地基承載力的大小。當(dāng)遇到含水量大的松軟地層時(shí)，箱涵脫離滑板后就很容易發(fā)生“扎頭”的現(xiàn)象。上述糾正和預(yù)防箱涵“扎頭”的方法和措施，是總結(jié)了過去一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)以及本次頂進(jìn)橋涵糾正“扎頭”所采取的措施?？偟膩碚f要做到主動(dòng)預(yù)防，如采取降水、預(yù)留滑板仰坡和作箱涵的“船頭坡”等措施。一旦出現(xiàn)扎頭時(shí)，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用“支頂刃角法”、“換填法”、“快凝混凝土渡板法”等措施來解決“扎頭”問題。在今后的實(shí)踐中還需不斷摸索，不斷總結(jié)，創(chuàng)造更有效的技術(shù)。