譚向榮

[摘 要]箱涵頂進(jìn)施工技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于穿越鐵路、機(jī)場、市政道路、高速公路以及長城古跡等建筑物的立交工程中。提出一套箱涵姿態(tài)全程自動(dòng)數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)可在箱涵頂進(jìn)的過程中對箱身的軸線、進(jìn)程、涵端土壓力以及后背變形進(jìn)行全程的、實(shí)時(shí)的跟蹤監(jiān)測并通過系統(tǒng)的軟件處理及時(shí)采取相應(yīng)的措施。防止箱涵“扎頭”“抬頭”，保證了箱涵頂進(jìn)的施工質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]公路、箱涵、頂進(jìn)施工、變形監(jiān)測、盾構(gòu)法

中圖分類號：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0230-01

1 監(jiān)測的目的和意義

箱涵頂進(jìn)施工，通常是在道路箱涵工程中利用一定的機(jī)械設(shè)備和傳力配套裝置組成的頂進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，將預(yù)制好的箱涵結(jié)構(gòu)主體頂推穿越既有建筑物或既有結(jié)構(gòu)設(shè)施下覆土體的一種施工方法。下穿既有線工程必須在保證既有公路或者鐵路線正常運(yùn)營的前提下進(jìn)行施工。箱涵在下穿頂進(jìn)施工期間，路基下的土體必然會(huì)受到一定的擾動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致周圍的土體及原有的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，當(dāng)變形量超過土體和原有結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成不同程度的破壞。甚至，當(dāng)原有地層的位移超過規(guī)定限度時(shí)，就會(huì)影響到既有線路的正常運(yùn)行。在箱涵下穿頂進(jìn)施工期間，必須要進(jìn)行箱涵頂進(jìn)方向偏差和高程、頂進(jìn)系統(tǒng)和鐵軌及其下方地基等的現(xiàn)場監(jiān)控測量。通過現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析，首先為下穿頂進(jìn)施工過程及時(shí)反饋信息，調(diào)整施工方法。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 路面變形監(jiān)測

路面變形引起的主要原因：頂進(jìn)施工過程土體受到擾動(dòng)、路基降水。而路面變形主要是在頂進(jìn)過程中對土的擾動(dòng)引起的。從施工角度看，頂進(jìn)施工工藝復(fù)雜，流程較長，各個(gè)關(guān)鍵工序都會(huì)引起地表沉降。施工對地表沉降的影響是動(dòng)態(tài)變化、逐步積累的，按照施工工序?qū)σ鸬乇沓两档募?xì)節(jié)進(jìn)行分析，制定控制地面沉降的階段性目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對每個(gè)施工步引起地表沉降進(jìn)行有效控制和安全管理。

開挖基坑引起的地面沉降，基坑開挖引起的地面沉降從原理上講都是由于開挖時(shí)的卸荷回彈產(chǎn)生?？梢詺w結(jié)為以下幾個(gè)方面的原因：

⑴基坑開挖過程中，土體出現(xiàn)卸荷回彈，導(dǎo)致維護(hù)土體產(chǎn)生水平位移，打破周圍土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，周圍土體向基坑內(nèi)移動(dòng)，產(chǎn)生地面沉降。

⑵基坑開挖時(shí)受到的施工擾動(dòng)，既包括基坑開挖時(shí)產(chǎn)生的超挖欠挖，圍護(hù)不及時(shí)，機(jī)械振動(dòng)，也包括臨近工程的施工擾動(dòng)等。

⑶基坑坑底底面處理不夠，坑底硬化不足。箱涵頂進(jìn)時(shí)，由于坑底不平整，或者坑底強(qiáng)度不均勻，出現(xiàn)“抬頭”、“扎頭”等?；娱_挖時(shí)出現(xiàn)卸荷回彈，產(chǎn) 生基底不同程度隆起。而坑底作為箱涵預(yù)制的場所，且為頂進(jìn)提供線路，坑底強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，直接造成箱涵的下沉?？拥椎膹?qiáng)度不均勻，箱涵在頂進(jìn) 時(shí)則會(huì)產(chǎn)生水平剪切力，造成“抬頭”或者“扎頭”?？拥兹缥翠佋O(shè)隔離層， 則會(huì)直接導(dǎo)致，箱涵底部與基底粘結(jié)在一起。

根據(jù)試驗(yàn)，箱涵的推進(jìn)速率對路面變形有較大的影響。速率越大，地表變形

波動(dòng)越大，對不同工程，頂進(jìn)速率的范圍也不一樣。所以進(jìn)行全面跟蹤監(jiān)測，合理布置監(jiān)測點(diǎn)。在頂進(jìn)前后時(shí)刻對路面沉降進(jìn)行監(jiān)測，以確定頂進(jìn)的速率。

2.2 軸線偏位監(jiān)測

在箱涵軸線位置設(shè)置兩個(gè)位移傳感器，兩個(gè)位移傳感器用于監(jiān)測箱涵在推進(jìn)過程中箱涵實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線之間的水平偏移量。通過FD數(shù)據(jù)采集板將水平偏移量收集到計(jì)算機(jī)，再通過軟件進(jìn)行處理。兩個(gè)位移傳感器應(yīng)設(shè)置在滑板前段位置，兩個(gè)位移傳感器間距1m。另外設(shè)置一個(gè)箱涵軸向進(jìn)尺位移傳感器，用于監(jiān)測箱涵在推進(jìn)過程中箱涵沿軸向前進(jìn)的位移量。將水平偏移量與軸向位移量通過專用軟件進(jìn)行綜合分析處理，可得出箱涵前段的水平偏移量，可采用箱體后部兩側(cè)頂力校正法進(jìn)行即時(shí)糾偏，為避免掌子面坍方引起施工安全事故，頂進(jìn)施工期間

不宜用挖土校正法來控制箱體的軸線偏位。

2.3 箱體高程監(jiān)測

在箱涵前端兩個(gè)角點(diǎn)位置設(shè)置兩個(gè)高程傳感器，兩個(gè)位移傳感器用于監(jiān)測箱涵在推進(jìn)過程中箱涵前端兩個(gè)角點(diǎn)的實(shí)際高程與設(shè)計(jì)高程之間偏差。通過FD數(shù)據(jù)采集板將水平偏移量收集到計(jì)算機(jī)，再結(jié)合將水平偏移量與軸向位移量通過軟件進(jìn)行處理，可以用圖像直觀的反映每一時(shí)刻箱涵整體在空間的姿態(tài)，同步與設(shè)計(jì)的箱涵空間位置細(xì)心比較以便采取措施即時(shí)校正姿態(tài)。

2.4 箱端土壓力監(jiān)測

在箱涵前端上部刃角處設(shè)置三個(gè)土壓力檢測器，用于監(jiān)測箱涵在推進(jìn)過程中箱涵前端的土體壓力，防止土壓力過大將路面頂起，通過FD數(shù)據(jù)采集板將水平偏移量收集到計(jì)算機(jī)，同步與土體的被動(dòng)土壓力值進(jìn)行比較，以便即時(shí)控制頂進(jìn)速度及頂進(jìn)長度。

2.5 箱涵與后背墻的應(yīng)力與變形控制

在箱涵頂進(jìn)施工過程中，箱涵與周圍土體的摩擦力過大可能造成千斤頂?shù)捻斄^大而引起箱涵結(jié)構(gòu)或者后背墻的破壞，導(dǎo)致工程的失敗d 為了確?？驑?gòu)涵以及后背墻在施工過程中滿足強(qiáng)度和變形要求，避免其應(yīng)力和撓度超限而引起結(jié)構(gòu)的開裂，確保施工安全，在應(yīng)力集中和彎矩峰值容易出現(xiàn)的部位布設(shè)鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)，在框構(gòu)涵頂進(jìn)時(shí)對箱涵結(jié)構(gòu)和后背墻進(jìn)行了應(yīng)力和變形監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)狀況，出現(xiàn)超載情況，即發(fā)出警告，調(diào)整施工狀態(tài)。

3 箱涵頂進(jìn)存在主要問題的處理措施

3.1 對于箱涵頂進(jìn)“抬頭”與“扎頭”處理新措施

根據(jù)以往工程實(shí)踐表明在軟土層上大型箱體頂進(jìn)過程中，土質(zhì)越軟，頂進(jìn)距離越長，其“扎頭”現(xiàn)象越明顯。在箱涵頂進(jìn)過程中，根據(jù)箱涵對土體壓縮變形量來設(shè)計(jì)刃角的仰角的角度。根據(jù)土力學(xué)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)以及箱底上部荷載進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)出仰角的角度。然而最具有有效的方法是設(shè)計(jì)能上下轉(zhuǎn)動(dòng)的刃角。在頂進(jìn)過程中，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)反饋的高程位移，由計(jì)算機(jī)將信號傳輸給可控制刃角處的千斤頂及時(shí)調(diào)整刃角吃土的角度，這樣就能及時(shí)糾正箱體扎頭。

3.2 對于箱涵頂進(jìn)“超挖”與“欠挖”處理新措施

用有限元方法分析研究路面發(fā)生隆起和下沉?xí)r掌子面的土壓力兩種臨界值。根據(jù)對掌子面土壓力的計(jì)算，大致確定箱涵頂進(jìn)過程中箱內(nèi)土體的挖方。再根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的箱涵姿態(tài)全程自動(dòng)數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)，可以時(shí)刻對掌子面的土壓力進(jìn)行監(jiān)測。這樣就可以實(shí)時(shí)確定挖方，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)及時(shí)反饋掌子面的土壓力，以確定具體開挖量的多少。這樣能防止超挖導(dǎo)致掌子面坍塌以及路面變形或者由于欠挖導(dǎo)致路面隆起和推移。

4 結(jié)論

針對在軟弱土層中超淺埋深大體積箱涵頂進(jìn)技術(shù)所出現(xiàn)的問題，擬研發(fā)一套箱涵姿態(tài)全程自動(dòng)數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在箱涵頂進(jìn)的全過程中對箱身的軸線、進(jìn)程以及涵端土壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字記錄；可以大量減少測量工作，提高效率，節(jié)約費(fèi)用；及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差，即時(shí)的分析系統(tǒng)可以讓指揮人員及時(shí)采取措施，糾正偏差。涵端土壓力監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測箱涵在推進(jìn)過程中箱涵前端的土體壓力，防止土壓力過大將路面頂起?？梢约磿r(shí)控制頂進(jìn)速度及頂進(jìn)長度，能夠提高效率，節(jié)約費(fèi)用。該系統(tǒng)能有效的解決軟弱土層中超淺埋深大體積箱涵頂進(jìn)施工中所出現(xiàn)的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 申志軍.鄭州新鄭路箱涵頂進(jìn)施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2003，23（2）34一35.

[2] 張黎明，梁志庭等.大跨徑頂進(jìn)框構(gòu)橋施工“扎頭”處理[J].河南交通科技，2000，20（5），24～26.

[3] 覃衛(wèi)民.大斷面箱涵下穿高速公路過程的施工監(jiān)測分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（9）：1790-1797.

[4] 崔平宇.立交框架頂進(jìn)工作基坑的監(jiān)測與預(yù)測研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2007.