李　風(fēng)　增　

（1.鄭州市公路管理局 鄭州市 450015；2.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 鄭州市 450015）

基于FLAC3D大跨度箱涵頂進(jìn)滑板工法研究

李風(fēng)增1，2

（1.鄭州市公路管理局 鄭州市 450015；2.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 鄭州市 450015）

淺覆土、超寬斷面、特長(zhǎng)箱涵在下穿既有構(gòu)筑物中應(yīng)用越來(lái)越多，而有關(guān)其頂進(jìn)滑板工法鮮有研究。對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外箱涵頂進(jìn)技術(shù)研究現(xiàn)狀，結(jié)合某城市快速通道下穿既有高速公路分離式立交工程實(shí)例，簡(jiǎn)述了箱涵頂進(jìn)流程，分析了其在吃土頂進(jìn)階段用頂管法鋪筑混凝土滑行軌道初始設(shè)計(jì)方案，提出了在箱涵頂板前端下挖土體、分段預(yù)澆筑全斷面早強(qiáng)快硬素混凝土滑板工法。通過(guò)建立FLAC3D計(jì)算模型，對(duì)工程實(shí)例中遇到的技術(shù)問(wèn)題箱涵頂進(jìn)滑行軌跡及基底土位移進(jìn)行數(shù)值模擬分析，起到了信息化施工的作用，改進(jìn)了原設(shè)計(jì)工法，保證了工程的進(jìn)行。結(jié)果表明：軟弱地基土支撐上的超寬斷面超重箱涵頂進(jìn)容易出現(xiàn)“扎頭”現(xiàn)象，滑行軌跡方案的確定必須科學(xué)、切實(shí)可行；頂進(jìn)較大位移部位出現(xiàn)在箱涵中線左前方，與現(xiàn)場(chǎng)情況一致，采取了緊急調(diào)整道路縱坡的措施。

大跨度箱涵；頂進(jìn)工藝；滑板；數(shù)值分析

箱涵作為一種特殊通道結(jié)構(gòu)，已被廣泛應(yīng)用于穿越鐵路、機(jī)場(chǎng)、市政道路、高速公路以及名勝古跡等構(gòu)筑物的通道或立交工程中。隨著箱涵技術(shù)不斷發(fā)展，原有先開(kāi)挖工作面、就地澆筑箱涵結(jié)構(gòu)的施工工藝，已無(wú)法滿足繁重交通“連續(xù)不間斷”的基本要求，其設(shè)計(jì)跨度和長(zhǎng)度也越來(lái)越大。國(guó)外箱涵頂進(jìn)技術(shù)發(fā)展較早，最初較多應(yīng)用于下穿既有鐵路和高速公路。1957年德國(guó)最早在奧芬堡市的鐵路線下，采用頂進(jìn)技術(shù)［1］將寬2.5m、2.4m的盒式鋼筋混凝土框架施工就位。美國(guó)于1999年在波士頓修建的州際高速公路與火車南站交叉處通道，采用凍結(jié)法［2］將截面尺寸為25m×12m的3座預(yù)制箱涵頂入就位，其被稱為當(dāng)時(shí)世界上截面最大、施工難度最為復(fù)雜的箱涵頂進(jìn)施工，該工程的實(shí)施使美國(guó)處于箱涵頂進(jìn)的頂峰。日本在箱涵頂進(jìn)技術(shù)研究的也較早，并開(kāi)發(fā)出了許多工法［3］。我國(guó)的箱涵頂進(jìn)工法［4-6］始于上世紀(jì)60年代，最初也主要應(yīng)用于下穿鐵路和普通公路，隨著技術(shù)的發(fā)展，在2000年之后開(kāi)始廣泛應(yīng)用于穿越名勝古跡、機(jī)場(chǎng)飛行跑道、市政道路等。1963年在北京永定門外修筑穿越京廣鐵路和京山鐵路立交橋工程，即采用頂進(jìn)箱涵技術(shù)。1975年上海市軍工路下立交工程頂進(jìn)25.8m× 19.4m×6.28m（長(zhǎng)×寬×高）的三孔箱涵取得成功，1985年上海市真北路下立交工程分別頂進(jìn)4個(gè)單孔箱涵，1998年南京玄武湖水底隧道穿越古城墻部分采用箱涵頂進(jìn)工藝，箱涵尺寸為45m×24.6m ×9.25m（長(zhǎng)×寬×高）。在下穿機(jī)場(chǎng)飛行跑道時(shí)要求飛機(jī)不停航，嚴(yán)格控制地面沉降（30mm），如北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)飛機(jī)滑行道下穿越工程采用長(zhǎng)管棚支護(hù)下箱涵頂進(jìn)技術(shù)［7-9］，以及廈門機(jī)場(chǎng)立交工程在淺埋深（3.8～4.2m）、多管線、重交通量條件下，采用25.8 m大跨徑箱涵暗挖頂推工藝［10］；在穿越繁忙高速公路、市政道路時(shí)，要求不中斷交通，控制路面沉降和橫向位移、開(kāi)裂，如在軟弱土層中超淺埋深大體積箱涵頂進(jìn)施工［11-12］，以及鄭州市新鄭路下穿隴海鐵路平交改立交箱涵頂推工程［13］。上述已有成果中（見(jiàn)表1），不僅要求箱涵“頂?shù)眠M(jìn)”、“頂?shù)脺?zhǔn)”，還要求“影響小”、“擾動(dòng)少”，減小四周土體對(duì)箱涵頂進(jìn)時(shí)的摩阻力。然而在地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)，尤其是在地下水位高、箱涵斷面寬、體積大、覆土埋深淺等影響因素下，考慮到基底土層承受箱涵自重、地基土等靜荷載以及地面車輛或飛機(jī)等動(dòng)荷載，防止箱涵出現(xiàn)“抬頭”、“扎頭”等突發(fā)現(xiàn)象，箱涵必須設(shè)計(jì)在滑軌或滑板上被千斤頂推動(dòng)前進(jìn)，而滑行軌跡的研究就顯得尤為重要。

表1　管棚-箱涵頂進(jìn)法典型實(shí)例［14］

1　工程概況

某城市快速通道下穿既有高速公路分離式立交由箱涵和U型槽兩部分組成，下穿部分為4孔、3節(jié)（17+18+17=52m）鋼筋混凝土箱涵（如圖1所示），道路軸線夾角66°，箱涵兩側(cè)用長(zhǎng)456mU型槽與兩端路線連接。路線車道分為機(jī)動(dòng)車道（上下行）和非機(jī)動(dòng)車道（上下行），其中機(jī)動(dòng)車道單向凈寬20.8m、凈空5m，非機(jī)動(dòng)車道單向凈寬12m、凈空3.5m。

機(jī)動(dòng)車道箱涵單節(jié)自重4500t、總計(jì)約27000t，其外輪廓尺寸寬23.4m、高9.3m；非機(jī)動(dòng)車道箱涵單節(jié)2000t、總計(jì)約12000t，其外輪廓尺寸寬13.8m、高6.7m。箱涵跨度大（77.3m）、頂進(jìn)深（52m）、覆土淺（1.2m），箱涵埋入地下6.6m，故采用中繼間法頂進(jìn)施工，路面采用管棚、鋼網(wǎng)格刃腳分割土體支護(hù)技術(shù)，穩(wěn)固掌子面。因箱涵底土層為松散細(xì)砂，而箱涵自重及上部荷載巨大，地基承載力有限，且地下水位較高（-1.23m），為提高箱涵基底土體承載力，保障箱涵的整體穩(wěn)定性，防止其“抬頭”或“扎頭”，擬設(shè)計(jì)在箱涵底鋪筑混凝土滑板或頂進(jìn)管涵、再鋪設(shè)滑軌，并對(duì)基坑及箱涵周圍采用井管降水。

2　箱涵頂進(jìn)流程

按照設(shè)計(jì)先在高速公路兩側(cè)開(kāi)挖工作坑、打設(shè)抗拔樁、施工滑板，澆筑抗滑地梁、擋墻及后背梁，施工U型槽；再施工鋼管滑軌、打管棚，施工進(jìn)出口處混凝土門架，回填反壓土，施工支承樁，用型鋼頂住混凝土門架；同時(shí)預(yù)制左、右幅第一、第二、第三節(jié)箱涵，焊接鋼刃腳，施工鋼網(wǎng)格；焊接第一節(jié)、第二節(jié)箱涵尾鋼板搭板，安裝千斤頂及頂鐵；然后按照如下順序頂進(jìn)箱涵［15］：

（1）第一節(jié)箱涵中繼間頂進(jìn)一頂鎬后，回油縮頂；

（2）第二節(jié)箱涵中繼間頂進(jìn)一頂鎬后，回油縮頂；

（3）第三節(jié)箱涵再頂進(jìn)一頂鎬后，回油縮頂，頂前加頂鐵；

（4）重復(fù)（1）～（3）步驟，頂推至設(shè)計(jì)樁號(hào)。

3　箱涵滑行軌跡初始設(shè)計(jì)

預(yù)制箱涵滑行軌跡分為兩個(gè)階段：工作坑內(nèi)階段和吃土頂進(jìn)階段。工作坑內(nèi)的滑板采用穩(wěn)定的鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)；離開(kāi)工作坑后鋼網(wǎng)格刃腳吃土頂進(jìn)，為避免箱涵底部直接與地基土接觸，造成粘結(jié)箱涵底板一起滑行，初始設(shè)計(jì)在箱涵底部預(yù)鋪滑行軌道。

3.1滑行軌跡方案

因箱涵采用“不開(kāi)挖不斷行”頂推技術(shù)，頂進(jìn)跨度大、進(jìn)深長(zhǎng)，且箱涵底部處于流塑狀的亞砂土、亞粘土、松散細(xì)砂土層中，基底土層承載力低、靈敏度高、擾動(dòng)性大，箱涵頂進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)“抬頭”、“扎頭”等沉降現(xiàn)象，故設(shè)計(jì)采用預(yù)設(shè)箱涵滑行軌道方案，即在箱涵頂進(jìn)前在底部滑行軌跡上鋪設(shè)滑行軌道，軌道采用鋼管或型鋼混凝土。設(shè)計(jì)推薦兩種施工工藝：一種為盾構(gòu)機(jī)法，采用微型盾構(gòu)機(jī)施工Φ970鋼管；一種為頂管法，先頂進(jìn)混凝土管涵，再鋪設(shè)型鋼混凝土。

3.2滑行軌跡初始設(shè)計(jì)

滑行軌道沿箱涵頂進(jìn)方向布設(shè)在箱涵底板下，軌道西端與箱涵滑板聯(lián)接，東端出高速公路路基邊坡，軌道長(zhǎng)76m，每節(jié)機(jī)動(dòng)車道箱涵底部橫向鋪設(shè)3根滑行軌道，間距9.7m，中間1根滑行軌道位于該節(jié)箱涵底部中線；非機(jī)動(dòng)車道箱涵底部橫向鋪設(shè)2根滑行軌道，每根均布在距該節(jié)箱涵底部中線5.0m處（如圖2所示）。采用微型盾構(gòu)機(jī)施工Φ970×14（內(nèi)徑×壁厚）鋼管，10根，全長(zhǎng)520m，管內(nèi)灌注混凝土，管頂與混凝土底板持平。采用頂管法施工Φ1500×150三級(jí)混凝土管涵，管涵中心與箱涵底板持平，頂進(jìn)到位后，在管涵內(nèi)鋪設(shè)3根I25工字鋼滑行軌道，并在管內(nèi)澆注混凝土，混凝土頂部與箱涵底部平齊（如圖3所示），頂進(jìn)時(shí)需先鑿除高出軌跡的混凝土管涵。

3.3滑行軌跡精度控制

微型盾構(gòu)機(jī)施工精度要求控制在2cm內(nèi)，頂管法施工應(yīng)滿足頂管施工規(guī)范（《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》（試行）（2006年12月））要求，鋪設(shè)工字鋼精度控制在1cm內(nèi)。兩種施工工藝設(shè)計(jì)時(shí)都要求提供穩(wěn)固可靠的后背，采用行之有效的減阻措施，盡量減少對(duì)箱涵四周土體的擾動(dòng)，避免砂土液化，防止箱涵頂進(jìn)時(shí)偏離設(shè)計(jì)滑行軌跡。

經(jīng)綜合考慮，建議將頂管法作為推薦方案。

4　滑軌頂管施工

4.1頂管準(zhǔn)備及減阻措施

按照初始設(shè)計(jì)，滑軌施工采用鋼刃腳吃土、人工挖土、泥漿潤(rùn)滑、2臺(tái)320t千斤頂頂進(jìn)工藝。為減少對(duì)頂管周圍土體擾動(dòng)影響，設(shè)計(jì)在管壁四周涂石蠟、頂至8m時(shí)用潤(rùn)滑泥漿減阻等措施。

4.2頂進(jìn)受阻

準(zhǔn)備就緒后，于當(dāng)日開(kāi)始滑軌混凝土頂管施工，因頂管前端處于無(wú)塑限松散含細(xì)粒砂土層，擾動(dòng)時(shí)“涌砂”“液化”現(xiàn)象嚴(yán)重，出現(xiàn)塌方，頂進(jìn)阻力。在第四日頂進(jìn)至38m進(jìn)深時(shí)，最南側(cè)6#頂管壓力表讀數(shù)達(dá)到40MPa油管破裂，隨后更換為2臺(tái)500t千斤頂，油泵壓力表加至45MPa，仍無(wú)法頂進(jìn)。南側(cè)4#頂管于第五日頂進(jìn)至52m進(jìn)深，用2臺(tái)500t千斤頂、油泵壓力表加至48MPa時(shí)，混凝土頂管被頂裂，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，頂管上方高速公路路面發(fā)生較大沉降。頂管進(jìn)深及高速公路路面沉降觀測(cè)量見(jiàn)表2。

表2　頂管進(jìn)深及路面沉降觀測(cè)值

4.3原因分析

由于頂管處在無(wú)塑限細(xì)砂粒土層，前方土體在頂進(jìn)時(shí)涌入管內(nèi)，無(wú)法自然成拱，造成進(jìn)深越大，頂進(jìn)阻力越大，所需頂力更大，最終使得混凝土頂管被周圍細(xì)砂土緊緊抱死；同時(shí)由于原有勘察地質(zhì)條件與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況不符，再加上長(zhǎng)時(shí)間降水使得土體存在間隙，巨大頂力對(duì)原狀土形成嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，前方砂土液化出現(xiàn)“涌砂”、塌方，致使頂管無(wú)法頂進(jìn)。

5　滑軌頂管解決方案

（1）關(guān)于受阻頂管

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地查看、綜合研究論證，決定由專業(yè)隊(duì)伍結(jié)合小導(dǎo)管注漿加固，通過(guò)小導(dǎo)洞施工貫通4#、6#頂管滑軌通道。

（2）其他頂管

對(duì)已經(jīng)施工的北側(cè)1#、2#、3#頂管和南側(cè)的5#頂管，采取加設(shè)中繼間、細(xì)化施工工藝、加強(qiáng)路面沉降觀測(cè)等措施繼續(xù)頂進(jìn)。

6　箱涵滑行軌跡數(shù)值模擬

6.1建立模型

采用FLAC3D程序?qū)ο浜斖七^(guò)程中滑行軌跡水平位移進(jìn)行數(shù)值模擬分析。計(jì)算模型選取200m ×200m平面、深度為路面以下40m，地層分三層：路基砂土層、粘土層以及下部砂土層，箱涵計(jì)算網(wǎng)格剖分采用四面體單元，計(jì)算模型四周立面以及底面均采用完全約束，箱涵推進(jìn)方向?yàn)閄軸（正向），豎直方向?yàn)閅軸（向上為正），水平面為XZ平面，箱涵結(jié)構(gòu)、地基土及滑行軌跡均運(yùn)用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則［16］。

6.2計(jì)算參數(shù)

為利于FLAC3D模型建立，取重力加速度10 m/s2，計(jì)算力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3：

表3　計(jì)算力學(xué)參數(shù)

6.3箱涵滑行軌跡數(shù)值模擬

通過(guò)建立FLAC3D數(shù)學(xué)模型，研究箱涵頂推過(guò)程中不同工況下滑行軌跡水平位移情況。以箱涵距離初始頂進(jìn)入口處8m、36m和52m進(jìn)深位置為模擬對(duì)象，對(duì)箱涵滑行軌跡及底基層土體水平位移分布情況進(jìn)行分析。

綜上三種工況下箱涵滑行軌道及基底土層水平位移分布云圖（見(jiàn)圖4～圖6），分析如下：

（1）發(fā)生最大水平位移的區(qū)域位于箱涵頂進(jìn)出口方向軸線左側(cè)，最小水平位移區(qū)域位于頂進(jìn)入口方向軸線右側(cè)，且水平位移云圖基本成對(duì)角線分布。

（2）隨著箱涵緩慢頂進(jìn)（8m→36m→52m），滑行軌道及基底土層水平位移也隨之增大，且軸線左側(cè)點(diǎn)位的位移較右側(cè)有增大趨勢(shì)，說(shuō)明箱涵底部在千斤頂巨大頂力作用下，受力不均勻，可能發(fā)生“扎頭”現(xiàn)象。這一模擬結(jié)果與實(shí)際頂推中南側(cè)第一節(jié)箱涵出現(xiàn)“扎頭”現(xiàn)場(chǎng)相吻合。

（3）根據(jù)箱涵底板土壓力盒以及基底土層測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，箱涵頂推到位后，滑行軌道及基底土層發(fā)生最大位移為8.3cm，最小位移為2.4cm。

6.4數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用

（1）加強(qiáng)信息化施工

用FLAC3D模擬箱涵頂進(jìn)滑行軌道及基底土層位移變化，有利于采用先進(jìn)技術(shù)手段或科學(xué)儀器，如加拿大RST測(cè)斜儀、全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高性能應(yīng)力-應(yīng)變傳感器、孔隙水壓力測(cè)試傳感器等，來(lái)全方位監(jiān)測(cè)箱涵裂隙、姿態(tài)、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、接觸壓力、后背墻變形、地下水位等變化，為工程信息化施工提供技術(shù)保障。

（2）促進(jìn)滑板工法改進(jìn)

FLAC3D模擬結(jié)果表明：原頂管法施工滑行軌道不能滿足箱涵自身及其上部動(dòng)、靜荷載的作用。而頂管巨大頂力的擾動(dòng)，使得路面出現(xiàn)9.9cm沉降，故在現(xiàn)場(chǎng)頂進(jìn)時(shí)調(diào)整工法為：在箱涵鋼網(wǎng)格刃腳吃土頂進(jìn)條件下，利用小型挖掘機(jī)清理鋼刃腳部位土體，并用化學(xué)漿液提前對(duì)開(kāi)挖后的箱涵底部土體進(jìn)行地基加固，然后分段（2～3m）預(yù)澆筑1.2m厚度的全斷面快硬早強(qiáng)混凝土滑板，以滿足箱涵頂進(jìn)滑行軌跡強(qiáng)度要求。

（3）利于箱涵如期頂進(jìn)

通過(guò)FLAC3D模擬箱涵頂程，縱使在承受千斤頂巨大頂力、軟弱地基土承載力、四周側(cè)土的摩阻力、上部覆土及路面“不間斷連續(xù)變化”車輛動(dòng)荷載作用下，由于全斷面素混凝土滑板的及時(shí)澆筑，解決了箱涵頂進(jìn)滑行軌跡的技術(shù)難題，保障了下穿立交主體完工。

7　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)箱涵頂進(jìn)滑行軌跡設(shè)計(jì)方案的研究以及用 FLAC3D軟件對(duì)基底土體的水平位移數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)箱涵頂進(jìn)實(shí)際情況，分析可得：

（1）超寬斷面箱涵頂進(jìn)中，滑行軌跡設(shè)計(jì)方案必須優(yōu)先考慮。箱涵結(jié)構(gòu)跨度為77.3 m超寬斷面、4孔12節(jié)鋼筋混凝土箱涵自重39000t，在以往的管棚-箱涵頂進(jìn)工法中屬于超寬斷面大體積箱涵施工，必須對(duì)頂進(jìn)處的水文及工程地質(zhì)條件進(jìn)行深入細(xì)致的詳勘，科學(xué)確定滑行軌跡設(shè)計(jì)方案。

（2）箱涵頂進(jìn)過(guò)程中，路面檢測(cè)出現(xiàn)較大沉降。在箱涵沿X軸向頂程中（進(jìn)深36～52m），第一節(jié)箱涵發(fā)生“扎頭”現(xiàn)場(chǎng)，且箱涵滑軌底部1.6m亞黏土、黏土層軟基處理不到位，以及高速公路日交通流量巨大，導(dǎo)致高速公路東半幅（箱涵出口端）路基發(fā)生較大沉陷，西半幅（箱涵頂入段）路基發(fā)生隆起，路面開(kāi)裂嚴(yán)重，基底土隨箱涵頂進(jìn)方向水平位移較大，此與箱涵頂進(jìn)滑行軌跡及基底土水平位移分布云圖（圖4～圖6）模擬結(jié)果基本吻合。

（3）初始設(shè)計(jì)的頂管法施工鋪設(shè)滑行軌道方案，經(jīng)檢驗(yàn)無(wú)法滿足39000t超重箱涵頂進(jìn)的需要。臨時(shí)調(diào)整為全斷面分段（2～3m）開(kāi)挖鋪筑1.2m厚素混凝土滑板，雖然保障了箱涵正常頂進(jìn)，但最終導(dǎo)致了南側(cè)第一節(jié)箱涵出現(xiàn)“扎頭”情況發(fā)生。若不考慮工期及雨季等制約因素，建議更換為50cm厚的鋼筋混凝土滑板，其下設(shè)25cm厚C30素混凝土墊層，以起到支撐、導(dǎo)向箱涵頂進(jìn)的作用，防止產(chǎn)生不均勻沉降。

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Based on FLAC3D Long-span Box Culvert Jacking Skateboard Method Research

LI Feng-zeng1，2
（1.Zhengzhou Highway Managing Bureau，Zhengzhou 450015，China；2.Henan Transportation Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 450015，China）

At present，the shallow overburden，wide cross-section box culvert underpass existing structures in more and more applications，but the slide on its jacking construction method has been reported rarely. Comparative analysis of domestic and international box culvert jacking technology research status，combined with a certain city in both the highway under separate fast-track interchange project example，the process of box culvert jacking was briefly introduced，It analyzed the slide track with concrete paving pipe jacking in the initial design stage jacking eating soil，proposed under the front roof box culvert excavation body segment pre-pouring the whole section fast hard early strength of plain concrete skateboard Method.By establishing FLAC3D model，a numerical simulation analysis of the technical problems encountered in engineering examples，the top of the box culvert and the displacement of base soil，played the role of information construction，Improved on the original design method，ensured the project.The results show：The phenomenon of"tie up"in the super wide cross section of the soft foundation soil is easy to appear，the determination of the scheme of the sliding path must be scientific and feasible；the top displacement of the top of the box appears in the center of the box，consistent with the scene，takes the measures of emergency adjustment of road grade.

Large span box culvert；Jacking technology；Skateboard；Numerical analysis

U449.82

B

1673-6052（2016）01-0009-06

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.003