周廣友，劉和風(fēng)，吳璨程，段波濤，蒲衛(wèi)衛(wèi)

（1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙410075；2.湖北楚維工程咨詢監(jiān)理有限責(zé)任公司，湖北 荊門448124；3.武漢光谷智造園開發(fā)投資有限公司，湖北 武漢430000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，基建產(chǎn)業(yè)也隨之迅猛發(fā)展。隨著公路、橋梁、隧道技術(shù)的日益成熟，框架橋頂進(jìn)新建公路下穿既有公路或鐵路做法逐步得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)頂進(jìn)構(gòu)筑物較大，而頂進(jìn)構(gòu)筑物上方覆蓋土層較薄時，下穿公路一般采用明挖法，但影響正常交通營運(yùn)。管棚法和橋式托板盾構(gòu)法雖普遍應(yīng)用于頂推作業(yè)施工，但仍存在諸多缺陷，例如布設(shè)于上方覆蓋土層的管棚底部無法與頂進(jìn)構(gòu)筑物完全貼合，管棚下部土體極易塌陷，造成上部構(gòu)筑物破壞。橋式托板盾構(gòu)法的頂進(jìn)長度有限，隨著頂進(jìn)長度增加，滑板摩阻力也逐漸增大。除此之外，隨著摩阻力的增加，易造成無法補(bǔ)救的斷板現(xiàn)象[1-5]。

對于淺覆土下穿既有公路、鐵路的問題，箱涵頂進(jìn)的施工方法被越來越多的學(xué)者認(rèn)可并投入生產(chǎn)，利用千斤頂?shù)阮A(yù)制好的箱涵頂入路基或地層中。羅鑫[6]根據(jù)施工工期、覆土厚度、施工場地、施工成本等制約因素的不同，提出可選擇采用直接頂進(jìn)、直接頂進(jìn)加輔助施工措施、箱涵頂進(jìn)雙重置換及R&C施工技術(shù)等方法施工。王飛球[7]對頂進(jìn)過程中土體受力規(guī)律進(jìn)行研究，箱涵頂進(jìn)時土體中應(yīng)力大小應(yīng)作為監(jiān)測的一部分，實測的土壓力變化能反映箱涵從遠(yuǎn)及近對橋臺土體產(chǎn)生的擠壓力。吳小萍等[8-11]結(jié)合有限元軟件與現(xiàn)場監(jiān)測路面沉降規(guī)律對盾構(gòu)施工路基沉降的影響進(jìn)行研究。黃尚等[12-13]以實際工程為依托，對大跨度盾構(gòu)施工工法進(jìn)行研究與創(chuàng)新。章坤[14]通過模型試驗、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測，對淺覆土下穿鐵路大跨度框架橋盾構(gòu)法箱涵頂進(jìn)方案的優(yōu)化進(jìn)行研究。

對于箱涵結(jié)構(gòu)受力特性，郭瑞等[15]研究表明在其他相同工況條件下，隨著摩阻系數(shù)增大，箱涵結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力應(yīng)變亦隨之增大，且摩阻系數(shù)越小涵頂覆土沉降越小。涵頂覆土厚度及其性狀對淺覆土特長箱涵頂進(jìn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變影響較大，涵頂覆土厚度越厚土體越密實，箱涵結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力與應(yīng)變越大。

本文基于下穿襄荊高速公路——439省道改建項目，對箱涵頂進(jìn)時前部盾構(gòu)鋼架外形尺寸、盾構(gòu)自重、頂進(jìn)路基土進(jìn)行研究，推導(dǎo)出約束條件的簡易關(guān)系方程式，旨在快速為相似工程提供參考。

1 工程概況

439省道與襄荊高速交叉處采用左右幅分離的設(shè)計方案。左幅車道下穿處擬利用原襄荊高速公路。右幅斜交下穿二廣高速公路襄荊段，右偏角80°。新建鋼筋混凝土框架橋39m，框架頂板厚1.1m，底板厚1.2m，兩側(cè)板厚1.1m，上部填土厚1.55m。全橋分為3個節(jié)段，3節(jié)段間設(shè)中繼間（見圖1）。頂進(jìn)施工時對襄荊高速進(jìn)行臨時交通管制，半幅通車。

圖1 頂推示意

2 鋼盾構(gòu)

在傳統(tǒng)頂涵施工的基礎(chǔ)上，于第1節(jié)框架前部裝配鋼盾構(gòu)，其不僅作為掘進(jìn)開挖的裝置，也是框架帶土頂進(jìn)時掘進(jìn)面與路基的支護(hù)，保證了開挖面的穩(wěn)定，極大限度減少淺覆土下穿施工對高速公路路基的影響。如圖2所示，鋼盾構(gòu)系統(tǒng)由盾構(gòu)外架及盾構(gòu)內(nèi)架與若干子盾構(gòu)組成，子盾構(gòu)頂部設(shè)掘進(jìn)刀。每次掘進(jìn)過程先由子盾構(gòu)開挖，再帶動整體鋼盾構(gòu)及框架向前頂進(jìn)，而子盾構(gòu)的開挖則先由掘進(jìn)刀完成。

圖2 鋼盾構(gòu)

與混凝土材料相比，鋼材具有更高的屈服強(qiáng)度。在相同受力條件下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面積要小得多，故而自重也會小很多。鋼材剛度較大，在頂推過程中不易變形，并且鋼結(jié)構(gòu)制造簡便，施工工期短。對于框架前部盾構(gòu)系統(tǒng)類臨時構(gòu)筑物，選用鋼結(jié)構(gòu)十分合適。

3 鋼盾構(gòu)尺寸設(shè)置

施工過程中頂推頻率為每天1次，大部分時間鋼盾構(gòu)支撐架作為支護(hù)體系發(fā)揮支撐土體維持公路路基坡比的作用，故可將靜止時的鋼盾構(gòu)視為類扶壁式擋土墻，對其進(jìn)行穩(wěn)定性驗算推導(dǎo)出其尺寸要求。將該問題看作平面應(yīng)變問題，將鋼盾構(gòu)視為直角梯形，斜邊坡角為α，各項勻質(zhì)，以垂直盾構(gòu)方向取1延米計算，路基土為3層時的計算如圖3所示。其中鋼盾構(gòu)上底和下底分別為a、b，高為h。高速公路車輛荷載為均布荷載q，3層路基土的厚度分別為h1、h2、h3，黏聚力分別為c1、c2、c3，內(nèi)摩擦角分別為φ1、φ2、φ3，重度分別為γ1、γ2、γ3，路基土頂面水平。路基土對鋼盾構(gòu)產(chǎn)生的主動土壓力為Ea，其與鋼盾構(gòu)斜面夾角為δ，作用點距鋼盾構(gòu)底部的垂直距離為1/3（h1+h2+h3）。采用庫倫土壓力計算各層主動土壓力，由于墻背與填土之間的摩擦角δ減小時，作用于墻背上的總主動土壓力增大，并且方向更趨向水平方向，對墻體穩(wěn)定不利[16]。計算時取δ=0°，土壓力最小，為最不利狀態(tài)。淺覆土情況下，上覆土垂直土壓力較小，對整體結(jié)構(gòu)重心的位置影響極小，并且在頂推框架較高時可以近似認(rèn)為h1+h2+h3=h，則土壓力作用點距鋼盾構(gòu)底部的垂直距離為h/3。

圖3 計算示意

對擋墻進(jìn)行穩(wěn)定性驗算時一般考慮抗滑移穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性與地基承載力驗算。而抗滑移穩(wěn)定性驗算中的控制量為自重、主動土壓力和基底摩擦系數(shù)，與鋼盾構(gòu)尺寸無關(guān)，此處不做計算。由于鋼盾構(gòu)為臨時支護(hù)，隨著每次盾構(gòu)的深入其位置均發(fā)生變化，在極短時間內(nèi)不會對地基土產(chǎn)生破壞，故對地基承載力驗算不做考慮。

3.1 抗傾覆穩(wěn)定性計算

對鋼盾構(gòu)趾點A取矩，分別計算抗傾覆力矩與傾覆力矩。要求抗傾覆力矩大于等于傾覆力矩，由GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》取擋墻抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.6。

計算工況為靜止?fàn)顟B(tài)，故此時無千斤頂頂力，抗傾覆力矩為鋼盾構(gòu)自重、嵌入鋼盾構(gòu)土體自重及與鋼盾構(gòu)相連的頂推框架自重產(chǎn)生，由于鋼盾構(gòu)與頂推框架的重量遠(yuǎn)大于土體自重，只考慮鋼盾構(gòu)自重與頂推框架自重?？紤]到頂推框架壓重的情況下抗傾覆穩(wěn)定性會大大提升，故對最不利工況即只考慮鋼盾構(gòu)自重的情況下進(jìn)行驗算。鋼盾構(gòu)自重為m鋼，其垂直頂推方向?qū)挾葹閐。由于將鋼盾構(gòu)視為直角梯形，各項勻質(zhì)，則每延米的自重為：

抗傾覆力矩為：

在鋼盾構(gòu)繞趾點轉(zhuǎn)動時，底部脫空，地基反力已不存在，所以傾覆力矩由主動土壓力產(chǎn)生，為便于計算將各土層產(chǎn)生的主動土壓力按豎直方向與水平方向進(jìn)行分解為Eax和Eaz。

采用改進(jìn)的庫倫土壓力計算有黏聚力和地面均布荷載的庫倫主動土壓力，該情況下的主動土壓力系數(shù)Ka為：

在該工況下，填土地面水平（即β=0°），且取δ為0°，則主動土壓力系數(shù)為：

聯(lián)立方程（1）～（8），即得到滿足穩(wěn)定性要求的鋼盾構(gòu)尺寸關(guān)系：

3.2 算例

以本次工程為實例，由JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，高速公路的汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，其車道均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5kN/m。襄荊高速為雙向4車道，施工時半幅通車故取q=2qk=21kN/m。鋼盾構(gòu)的尺寸為上底a為9.10m，下底b為11.438m，高為8.5m，框架橋?qū)挾萪為18.04m（見圖4），斜面傾角α為74.62°。鋼盾構(gòu)設(shè)計總重m鋼=352 165.9kg，取重力加速度為9.8m/s2，帶入（2）式得G=187 566.61kN。

圖4 鋼盾構(gòu)正視圖（單位：cm）

頂推框架橋縱斷面如圖5所示，由勘察報告，從高速公路路面向下各土層參數(shù)如表1所示。

表1 路基土層參數(shù)

圖5 頂推框架橋縱斷面（單位：cm）

將各土層參數(shù)加權(quán)平均后得到高速公路路基土的加權(quán)黏聚力，加權(quán)內(nèi)摩擦角以及加權(quán)重度，分別為cm=58.62kPa，φm=9.02°，γm=22.48kN/m3。將其與q帶入Kq和η的表達(dá)式，即可得到Kq=1.44，η=0.61。將已求得的α、φm、Kq、η帶入式（4），得到庫倫土壓力系數(shù)Ka=3.974。帶入式（5），主動土壓力Ea=3 227.25kN。

將此鋼盾構(gòu)的尺寸參數(shù)a、b、h及求得的每延米鋼盾構(gòu)自重G和主動土壓力Ea帶入式（9）不等號兩端。左邊等于-0.96，右邊等于0.028，不等式成立即驗證了式（9）的正確性。

4 結(jié)語

本文對淺覆土頂涵施工時鋼盾構(gòu)的尺寸設(shè)計進(jìn)行研究，推導(dǎo)出鋼盾構(gòu)尺寸關(guān)系，其與鋼盾構(gòu)自重與頂推既有公路、鐵路路基土對鋼盾構(gòu)產(chǎn)生的主動土壓力有關(guān)，并建立鋼盾構(gòu)外形尺寸、自重、主動土壓力簡易關(guān)系方程式，為頂涵施工鋼盾構(gòu)制造與設(shè)計提供一定的參考價值。對于鋼盾構(gòu)內(nèi)鏤空情況及墩柱、橫梁的受力情況可進(jìn)一步深入研究。