周廣友，李 聰,，胡 勇，龔 虎 ，林宇亮

(1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410075； 2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

近年來我國各項公路、鐵路建設強勢推進，新建道路跨越原有道路的交叉式立體交通工程越來越多，箱涵頂進施工法就是既有便線條件下修建平改立交或新增立交通道的常用方案。其主要的特點是在保證運輸安全、行車不中斷或限速通過施工地段、基本不修筑便線進行過渡施工、臨時占地比較少，將提前整體預制好的結(jié)構(gòu)物一次或分段頂進，施工工藝成熟、安全性較高。因此，頂進施工法在國內(nèi)外得到了普遍的運用。箱涵頂進施工法是一種較新的方法，其在我國廣泛應用于實際工程也不過20多a的歷史，所以相關(guān)研究還比較少。李家穩(wěn)[1]、歐陽鴻志[2]、劉翰林[3]、孫田柱[4]等對不同工程條件下的箱涵頂進施工工藝進行了總結(jié)說明。周明生[5]、楊秀玲[6]等著重分析了箱涵頂進過程中扎頭的原因，并提出了相應的預防措施和處理方法。覃衛(wèi)民[7]等基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對大斷面箱涵下穿高速公路過程中路面沉降和平移的變化規(guī)律進行了分析。刁心宏[8]等進行了橋式盾構(gòu)法下穿既有鐵路對路基沉降影響的研究，采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測的方法分析了鐵路路基的沉降規(guī)律。孫鈞[9]等運用FLAC3D軟件對超大型“管幕—箱涵”頂進施工過程中的土體變形進行了分析，并提出了土體變形的預測計算方法。洪剛[10]等開展了特長箱涵頂進摩阻系數(shù)室內(nèi)模型試驗，對采取不同減阻措施的箱涵側(cè)壁與周圍土體介質(zhì)間的摩阻系數(shù)進行了分析，總結(jié)了箱涵頂進時摩阻力的主要影響因素。王飛球[11]基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合三維數(shù)值模擬，對下穿式箱涵頂進施工過程土體受力規(guī)律進行了研究和總結(jié)。

箱涵頂進施工法雖然有過多次成功應用的經(jīng)驗，但該施工方法比較新穎，關(guān)于這方面的理論研究遠遠滯后于工程應用，以往的研究成果大多拘泥于對該方法的介紹或施工措施改進，而對其工作機理的研究卻很少。本文基于某箱涵頂進工程實例，采用FLAC3D數(shù)值軟件對某箱涵頂進全過程進行數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，著重分析了箱涵頂進過程中路面沉降的分布規(guī)律，以及箱涵頂進對原有道路安全性的影響，對類似工程具有很好的指導意義。

1 工程概況

湖北省439省道項目右幅車道擬下穿處位于襄荊高速公路K1680+980 m處(中心樁號)，采用鋼筋混凝土箱涵頂進施工法施工，與二廣高速公路襄荊段斜交，右偏角80°。預制鋼筋混凝土箱涵采用1孔整體閉合式框架結(jié)構(gòu)，箱涵全長39 m，分為3個節(jié)段，節(jié)段間設接縫，開挖斷面為18 m，設計凈寬15.8 m，設計凈空5.2 m，框架頂板厚1.1 m，底板厚1.2 m，兩側(cè)板厚1.1 m，上部填土厚1.55 m。預制混凝土箱涵的立面圖、橫斷面圖和平面圖如圖1所示。

根據(jù)《該項目工程地質(zhì)詳細勘察報告》，場地地層的分布自上而下依次為：①填土，路面以下為填土；②淤泥質(zhì)土：褐灰色，濕，含大量腐蝕物，土質(zhì)帶泥腥味；③粉質(zhì)黏土：褐黃色，微濕，土質(zhì)粘性較好；④泥質(zhì)砂巖：褐色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，RQD=70%。

(a)箱涵立面圖

本次箱涵頂進施工的施工過程可簡單概括如下：①現(xiàn)場勘測，對頂進施工各控制點進行定位，確定箱涵底部高程，確定箱涵頂進方向和路線。②在高速公路西側(cè)開挖箱涵預制場，進行預制鋼筋混凝土箱涵的制作施工。③為防止頂進施工過程中，由于土體開挖造成高速公路兩旁的路基邊坡產(chǎn)生流土現(xiàn)象，在開挖區(qū)兩側(cè)的邊坡上設置抗滑樁和門框梁。④在箱涵頭部(先入土的一頭)安裝鋼盾構(gòu)，剛盾構(gòu)具有很好的承壓能力，在剛盾構(gòu)下方進行土體開挖時，公路路面能受到剛盾構(gòu)的支撐而維持穩(wěn)定。⑤在箱涵尾部附近的地基上設置反力墻，作為向前頂進箱涵的反力作用裝置。⑥采用液壓千斤頂對箱涵進行頂進，每次頂進前先在頭部進行挖土作業(yè)，單次頂進距離0.5～1 m，直至箱涵貫穿高速公路，并達到指定位置?，F(xiàn)場施工圖如圖2所示，其中圖2(c)為箱涵剛剛貫穿高速公路，鋼盾構(gòu)率先出露的情景。

(a)施工圖景1

2 FLAC3D數(shù)值模型

2.1 模型概況

數(shù)值模型中土體取實體單元，采用庫倫摩爾本構(gòu)關(guān)系，箱涵、擋土樁、門框梁分別采用FLAC3D軟件內(nèi)置的liner單元、pile單元、beam單元進行模擬。為簡化建模，不考慮箱涵頂進方向與高速公路的斜交，而是按正交進行模擬。

頂進施工開挖高度為7.5 m，根據(jù)數(shù)值模型建模準則，開挖面以下影響深度為2～3倍開挖深度，本數(shù)值模擬取開外面以下土層厚度為16 m，箱涵頂板上部預留土層厚度取1.5 m，模型總高度為25 m。頂進施工區(qū)開挖寬度為18 m，模型沿開挖寬度方向的兩側(cè)各延伸20 m，總寬為58 m。箱涵頂進縱深為高速公路路面寬及兩側(cè)邊坡寬之和，根據(jù)箱涵頂進施工圖紙，頂進縱深為43 m，兩端的影響范圍取約1倍開挖縱深，模型總長取119 m。在模型的三視圖(見圖3)中對模型的尺寸進行了說明，還標明了路面、邊坡以及開挖區(qū)域的位置。如圖3所示，以高速公路西側(cè)邊坡的坡腳線為Y軸，以開挖區(qū)域的中分線為X軸，以Y軸和X軸的交點為原點，并以通過原點豎直向上的軸為Z軸建立了本模型的坐標系,單位為mm。

(a)俯視圖

本文采用Flac3D模型模擬箱涵頂進施工的方法如下：①箱涵頂進過程分步進行，高速公路路面以下區(qū)域每向前頂進2 m作為一個計算步。②對每步頂進施工需要開挖掉的那部分土體實行“model null”命令，即將該部分土體的本構(gòu)模型更改為“空模型”，以此模擬挖除該部分土體。③每步頂進施工需開挖的土體被挖出后，在該挖出空間的上下左右4個方向設置liner單元，liner單元模擬箱涵時其厚度均按照箱涵的真實厚度模擬，四個方向的liner單元將形成一個整體并作為箱涵的一個截斷，以此來模擬土體開挖后箱涵頂進到該位置。④箱涵頂進時箱體外壁會對土體產(chǎn)生向前的摩擦力，根據(jù)以往經(jīng)驗箱涵外壁與土體的摩擦系數(shù)取值范圍通常為0.3～0.8，箱涵頂板外壁由于安裝了減阻鋼板和潤滑劑摩擦系數(shù)會比較低。參照文獻[12]關(guān)于箱涵頂進時箱體外壁摩擦系數(shù)的取值，數(shù)值模擬中的摩擦系數(shù)頂板取0.3、底板取0.7、側(cè)板取0.5。根據(jù)力的相互作用原理，箱涵頂板對土體的法向力為上覆土體自重和交通荷載，底板對土體的法向力為上覆土體自重、交通荷載和箱涵自重，兩側(cè)板對土體的法向力按側(cè)板所受的主動土壓力考慮。為簡化建模，對箱涵外壁土體施加摩擦力時都按均布荷載進行施加，根據(jù)摩擦力公式，最終求得施加于箱涵外壁土體的摩擦力為頂板11.25 kPa、底板82.35 kPa、兩側(cè)板2.72 kPa，其方向與箱涵頂進方向一致。⑤數(shù)值模擬中考慮施工荷載和高速公路路面行車荷載的影響，參照相關(guān)規(guī)范，對高速公路路面和箱涵底板分別施加10.5 kPa的均布荷載。⑥根據(jù)工程實際，在箱涵頂進的進口和出口處的邊坡上設置了擋土樁和門框梁，以防止發(fā)生流土的現(xiàn)象。模型的整體效果圖如圖4和圖5所示，箱涵如圖6所示，擋土樁和門框梁如圖7所示。

圖4 頂進前模型

圖5 頂進后模型

圖6 預制混凝土箱涵

圖7 擋土樁和門框梁

2.2 材料參數(shù)的選取

根據(jù)本工程的現(xiàn)場勘察報告和施工設計方案的相關(guān)內(nèi)容，數(shù)值模型所取土層參數(shù)如表1所示，箱涵、擋土樁和門框梁的參數(shù)取值如表2所示。

表1 土體的特征參數(shù)Table1 Characteristicparameterofsoil土層名稱土層厚度/m體積模量K/MPa剪切模量G/MPa凝聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)抗拉強度τ/MPa重度γ/(kN·m-3)①2.01.054.77256.2018.0②1.51.054.77406.8019.9③412.56.775510.5020.7④17.552.738.680320.0324注:表中①為填土;②為淤泥質(zhì)土;③為粉質(zhì)黏土;④為泥質(zhì)砂巖

表2 箱涵、擋土樁和門框梁特征參數(shù)Table2 Characteristicparameterofboxculvert,retainingpilesandbeam項目彈性模量E/GPa泊松比ν體積模量K/MPa剪切模量G/GPa重度γ/(kN·m-3)框架橋400.2526.671626.0擋土樁300.216.6712.525.0門框梁300.216.6712.525.0

2.3 計算工況

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，兩側(cè)邊坡寬度為6 m，路面寬度為31 m，開挖與頂進過程總共需要掘進43 m。以圖3坐標系為基準，開挖土層高度為7.5 m，箱涵頂部覆土1.5 m，Y軸方向上土層開挖范圍Y為9 m區(qū)間。頂進方向為X軸正方向，即從高速公路西側(cè)邊坡向東側(cè)邊坡頂進，頂進起點為X=0處。數(shù)值模擬過程中箱涵每頂進2 m進行一次計算，考慮到本工程頂進距離較長，計算工況較多，分析起來比較繁雜，故以箱涵每頂進4 m作為一個工況進行分析。計算工況具體描述如表3所示。

表3 模擬工況Table3 Simulationevents施工步驟累計頂進距離/m每一工況施工描述工況一6西側(cè)連接段路基開挖,頂進施工貫穿西側(cè)邊坡,頂進6m工況二10路面以下區(qū)域頂進4m工況三14路面以下區(qū)域頂進4m工況四18路面以下區(qū)域頂進4m工況五22路面以下區(qū)域頂進4m工況六26路面以下區(qū)域頂進4m工況七30路面以下區(qū)域頂進4m工況八34路面以下區(qū)域頂進4m工況九37路面以下區(qū)域頂進3m工況十43頂進施工貫穿東側(cè)邊坡,頂進6m,東側(cè)連接段路基開挖,頂進施工結(jié)束

3 值模擬結(jié)果分析

高速公路路面沉降控制是本次箱涵頂進施工穿越既有高速公路最關(guān)鍵控制因素，由于施工過程中公路上仍有車輛通行，所以路面沉降不能過大，否則會影響車輛正常通行，甚至沉降嚴重會造成交通事故。為便于對頂進過程中路面沉降進行跟蹤監(jiān)測，對路面進行監(jiān)測點位的布置。本次監(jiān)測點的布置方式為：分別對公路表面上的直線X=6、12、18、24、30、37，在頂進開挖的影響范圍內(nèi)每隔一段距離取一點進行監(jiān)測，在直線X=6上的點從左至右依次為A1～A9，在直線X=12上的點從左至右依次為B1～B9，以此類推，數(shù)值模擬路面沉降監(jiān)測點位布置如圖8所示。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，本次布點沿路面走向取Y為-15～15的區(qū)間。最后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果整理出沿直線X=6、12、18、24、30、37的路面沉降曲線，并對其分別定名為A、B、C、D、E、F曲線。下面對每一工況下的路面沉降情況進行分析。

圖8 模型路面沉降監(jiān)測點(單位：mm)

a.工況一。

工況一的頂進進深度為6 m，即西側(cè)邊坡的寬度。本次頂推的豎向位移云圖和路面監(jiān)測點位的沉降曲線分別如圖9和圖10所示。由這2個圖可知掌子面附近的路面出現(xiàn)了顯著下沉，根據(jù)位移云圖最大沉降量超過10 mm，根據(jù)沉降曲線可知A、B曲線代表區(qū)域路面沉降較大，距離掌子面較遠的路面所受影響很小。此外，還可知在頂推過程中邊挖土邊頂進箱涵，由于有箱涵的支撐作用，開挖寬度兩側(cè)的路面所受的影響很小，路面沉降主要發(fā)生在開挖寬度范圍以內(nèi)。

圖9 工況一沉降云圖

b.工況二。

如圖11所示，相對于工況一路面沉降變化明顯的是曲線A和B，其中曲線A最大沉降量達13.6 mm，曲線B最大沉降量達23 mm，增量都超過15 mm，可見距離掌子面越近，路面沉降所受影響越大。其他曲線的沉降值暫無明顯變化。

c.工況三。

如圖12所示，隨著開挖的進一步推進曲線C的沉降增加最明顯，最大沉降為16.7 mm，并超過曲線A的沉降量。曲線A由于距離掌子面越來越遠沉降開始趨于穩(wěn)定，而曲線B最大沉降值依然有7.4mm的增加量。

圖10 工況一沉降曲線圖

圖11 工況二沉降曲線圖

圖12 工況三沉降曲線

d.工況四。

如圖13所示，曲線A和B的沉降值在此時已基本穩(wěn)定，曲線C的最大沉降達到24.3 mm，接近曲線B的最大值。曲線D第一次有了比較明顯的沉降，其相應的最大值也達到了7.13 mm。

圖13 工況四沉降曲線

e.工況五。

如圖14和圖15所示，曲線C有進一步的微小增量，其沉降曲線與曲線B基本重合，而曲線D由于最靠近此時的開挖面，沉降最為明顯，沉降量已超過曲線A，其最大值較工況四時增加20 mm，達到27.1 mm。

圖14 工況五沉降云圖

圖15 工況五沉降曲線

f.工況六。

如圖16和圖17所示，隨著頂進工作量已過半，路面沉降范圍較上一工況有明顯增大，本次頂進后曲線E的沉降較大，并超過曲線A的沉降，其沉降最大值達到17.9 mm，曲線D也有少量沉降增量，其他曲線變化不明顯。

圖16 工況六沉降云圖

圖17 工況六沉降曲線

g.工況七。

如圖18所示，本次頂進后曲線E沉降最為明顯，其沉降最大值本次增加量12.9 mm，達到30.8 mm。曲線D也進一步有少量沉降，其沉降超過曲線B。

圖18 工況七沉降曲線

圖19 工況八沉降曲線

h.工況八。

如圖19所示，曲線F沉降明顯，與曲線A的沉降已相差無幾，曲線F作為東側(cè)路面最邊緣的曲線，說明隨著掌子面一步步推進，已經(jīng)開始對整個路面有了明顯影響。曲線D保持2 mm左右沉降速度，曲線E沉降量進一步增加，基本與曲線B重合。而曲線A、B、C已基本穩(wěn)定，沉降量極小。

i.工況九。

本次頂進后已經(jīng)完成路面區(qū)域的頂進施工。如圖20所示，僅曲線F沉降量有4～5 mm的增量，其最大值達到13.7 mm，其他曲線已基本趨于穩(wěn)定，變化極小。

圖20 工況九沉降云圖

j.工況十。

如圖21所示，本次開挖部分為東側(cè)邊坡和東側(cè)連接段路基，本次開挖后相對于上一工況路面沉降基本不再變化，路面沉降達到穩(wěn)定。頂進施工完成后最終的路面沉降云圖如圖22所示。

圖21 工況十沉降曲線

圖22 最終路面沉降云圖

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

考慮到高速公路路面沉降控制的重要性，施工過程中對路面沉降進行了監(jiān)測，監(jiān)測點的布置如圖23所示。頂進施工過程對高速公路采取臨時交通管制，即當頂進施工開挖面處于西側(cè)路面以下時，封閉西側(cè)車道，而當頂進施工開挖面處于東側(cè)路面以下時，開放西側(cè)車道，封閉東側(cè)車道。路面監(jiān)測的時間為道路封閉階段，西側(cè)路面為9月9號至9月14號，東側(cè)路面為9月15號至9月27號，西側(cè)道路的封閉時間較東側(cè)路面短是由于西側(cè)道路封閉時間滯后，而非施工速度有差異。圖24～圖27為高速公路行車道的四組監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中圖24和圖25所示為西側(cè)路面沉降情況，圖26和圖27所示為東側(cè)路面沉降情況。

圖23 高速公路路面沉降監(jiān)測點位布置

由圖24和圖25可知，西側(cè)路面沉降隨開挖進行逐漸增加，但增加趨勢隨時間推移逐漸放慢，部分測點在9月13號沉降基本趨于穩(wěn)定，部分測點沉降仍有增加的趨勢，路面沉降量呈現(xiàn)由箱涵中軸線向兩邊遞減，所測西側(cè)路面最大沉降不超過30 mm。由圖26和27可知，LME27和LME37兩個測點的沉降較其他測點大得多，這是由于施工過程中箱涵邊緣有土體超挖的情況，造成了路面沉降失控。從其他測點的情況來看，東側(cè)路面的沉降規(guī)律與西側(cè)路面相似。除測點LME27和LME37之外，LME35和LME36的沉降值最大，達到40 mm左右，測點LEM35位于箱涵中軸線正上方?？偟膩砜?，西側(cè)路面所測得最大沉降接近30 mm，并且還有進一步增加的趨勢。東側(cè)路面的監(jiān)測時間內(nèi)頂進施工也將近完工，所以測得了最后沉降趨于穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，排除超挖造成的影響，東側(cè)路面最大沉降值為40 mm左右。東側(cè)路面LME2系列測點和LME3系列測點沉降值有較大差異。

與監(jiān)測結(jié)果相比，數(shù)值模擬的斷面最大沉降為15～40 mm，這與監(jiān)測結(jié)果20～40 mm相差較小，并且兩者得出的路面沉降值皆呈現(xiàn)為由箱涵中軸線向兩邊遞減。由此可認為本數(shù)值模擬數(shù)據(jù)結(jié)果可靠，具有很好的施工指導意義。但同時必須注意，巖土工程的現(xiàn)場狀況十分復雜，而數(shù)值模擬過程中卻往往使用理想化的處理方法，如假定每一層土的性質(zhì)完全均勻一致等等。從數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果也可以看出，數(shù)值模擬的出的沉降只有公路邊緣與中間路面沉降曲線存在差異，并且中間路面沉降曲線基本一致。而監(jiān)測結(jié)果則表明，任何一監(jiān)測斷面的沉降值都會存在差異，這就是數(shù)值模擬將現(xiàn)場情況理想化處理造成的結(jié)果。所以數(shù)值模擬還必須緊密結(jié)合工程實際，才具有更好的指導作用。

圖24 西側(cè)路面沉降

圖25 西側(cè)路面沉降

圖26 東側(cè)路面沉降

圖27 東側(cè)路面沉降

5 結(jié)論

綜上所述，本文可得出以下幾點結(jié)論：

a.箱涵頂進施工工程中，掌子面正上方的路面沉降最明顯，而距離掌子面越遠路面沉降受到的影響越小，公路邊緣的最終沉降值較中間路面沉降值小得多。

b.數(shù)值模擬得出的路面沉降最大值為40 mm，最大值位于箱涵中軸線正上方，路面沉降值由箱涵中軸線向兩邊遞減。該模型中箱涵寬度為18 m，而對路面有影響的寬度為30 m，路面沉降的影響寬度約為箱涵寬度的1倍。

c.跟現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比可知數(shù)值模擬結(jié)果能很好地反應路面沉降的真實情況，若能緊密聯(lián)系實際工程加以分析，數(shù)值模擬將對工程施工具有很強的指導意義。