孫 杰， 黃泰烈， 王玉龍， 黃騰飛

(1.中鐵西安勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710054；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

0 引言

隨著城市發(fā)展，道路的立體交叉愈加普遍。部分后建道路或軌道工程穿越既有鐵道成為城市立體交通的常見形式之一。目前，穿越既有線路的立體交通形式主要有上跨式(橋梁等)及下穿式(箱涵等)。下穿式通道相較上穿式占地面積小、節(jié)約城市空間。因此，在城市中以下穿方式通過既有線路的工法備受青睞[1-4]。下穿式常見工法主要包括：盾構(gòu)法、淺埋暗挖法、頂管法、入土箱涵法、管幕法[5]。其中，入土箱涵法具有無需開挖上覆土體、施工過程中不需中斷交通等優(yōu)勢，能夠最大限度地減少對既有地面交通的干擾[6-9]。

目前，入土箱涵法在城市下穿工程中得到了廣泛應(yīng)用，此方向研究也較為深入。但是隨著城市施工條件越來越復(fù)雜，箱涵入土施工過程中遇到的問題也更加復(fù)雜化，使得施工過程中面臨諸多困難[10]。一方面，大斷面的箱涵占比不斷上升，施工難度更高；另一方面，受路線影響，箱涵與既有路線存在斜交情況，施工中結(jié)構(gòu)受力更加復(fù)雜。為了保證此類大斷面、斜交箱涵入土工程的順利實施，其在施工過程中的力學(xué)行為仍然有待研究。

本文基于鄭州紫荊山路下穿既有鐵路線箱涵工程，探究箱涵在入土過程不同分段長度、不同入土階段的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，給出大斷面、斜交箱涵的最佳分段長度，研究結(jié)果以期為實際工程的修建提供借鑒。

1 工程概況

鄭州紫荊山路下穿既有鐵路線箱涵工程地處商業(yè)及居住中心，建筑密集、交通頻繁。區(qū)域內(nèi)包括多條城市主要道路，既有鐵路的線路走向?qū)δ媳狈较虻闹髀方煌ㄔ斐闪撕艽蟪潭鹊淖枞?，以至于許多車輛需要繞行規(guī)避阻塞，這又進一步加大了其它道路的交通壓力，造成該范圍交通系統(tǒng)任務(wù)繁重，并對該區(qū)域的發(fā)展帶來了不利影響。因此，緩解該區(qū)域的交通問題極為迫切。

項目初步擬定采用下穿箱涵穿越既有鐵路線連通南北交通(見圖1)，設(shè)計箱涵橫截面尺寸為29.2 m×12.7 m，箱涵進入土體方向與既有鐵路線呈38°交角。需穿越的既有線路為7股運營鐵路線，為保證鐵路及運營列車安全，可施工時間僅為每次不超過2 h的行車間隙。項目工期緊張、施工難度大，工程規(guī)模在國內(nèi)同類工程中也十分罕見，可參考資料和工程經(jīng)驗嚴(yán)重匱乏。因此，為了保障工程的順利施工，擬通過數(shù)值模擬對箱涵架空頂進過程中的力學(xué)行為進行研究。

圖1 箱涵工程位置示意

2 入土施工技術(shù)方案及模擬

2.1 箱涵入土技術(shù)方案

為保證所穿越既有鐵路及運營列車的安全，擬采用入土箱涵法下穿既有鐵路線?？紤]入土長度較大，采用分段入土，管段較長時，在管段間設(shè)置中繼間，并借助千斤頂逐段入土。相比于普通工法，該工法后背結(jié)構(gòu)只提供最后一節(jié)管段所需頂力，已入土管段以后序管段為后背結(jié)構(gòu)，依次有序入土。該工法具體步驟如圖2所示。

圖2 箱涵入土流程

2.2 箱涵入土施工數(shù)值模擬模型建立

箱涵橫截面尺寸如圖3所示。使用有限元軟件MIDAS建立模型分別對不同進入土體階段的箱涵受力及地層變形進行分析(見圖4)。模型中x、y、z方向分別為箱涵橫截面橫向、箱涵縱向、豎向。土體采用實體單元，選用摩爾-庫倫本構(gòu)。箱涵采用板單元，使用彈性本構(gòu)，具體材料參數(shù)見表1。此外，為研究箱涵管段分節(jié)的最優(yōu)長度，分別針對18、26、36、55 m等4種長度管段建立不同模型。

圖3 箱涵截面(單位： m)

圖4 模型網(wǎng)格劃分示意圖

表1 土體計算參數(shù)表材料分類土層厚度/m彈性模量/MPa泊松比容重/(kN·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)雜填土1.289.00.3320.00.046.0粉土15.312.30.3419.113.122.1粉土27.512.610.3419.014.222.1粉砂6.616.40.3119.34.424.3中砂11.032.10.302010.025.3粉質(zhì)黏土6.310.380.3219.421.18.9箱涵—32 0000.325——

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形分析

統(tǒng)計并繪制箱涵沉降的計算結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5為不同長度箱涵在各施工步序下的豎向最大沉降變化規(guī)律。箱涵最終完全進入土體階段沉降最大，18 m箱涵為30.49 mm，55 m箱涵為39.1 mm。由Y平面的投影可知，管涵施工過程中最大沉降隨著箱涵長度的增加而增加，箱涵長度位于18～26 m時，變化較快，之后變化趨勢較為緩和。由X平面的投影可知，豎向沉降基本隨施工步序線性增長。

圖5 箱涵豎向最大沉降變化規(guī)律

箱涵豎向最大隆起的變化規(guī)律如圖6所示。1/2涵身進入土體階段隆起最大，18 m箱涵為15.3 mm，55 m箱涵為18.4 mm。由Y平面的投影可知，管涵施工過程中最大隆起隨著箱涵長度的增加而增加，基本呈線性增長。由X平面的投影可知，施工對箱涵隆起的影響規(guī)律并不明顯，基本表現(xiàn)為在1/2箱涵進入土體前，豎向沉降逐漸增大，1/2箱涵進入土體后，隆起的量值逐漸減小。總體來講，各長度箱涵均能滿足沉降要求[《城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》規(guī)定箱涵頂進過程中其最大豎向沉降不超過150 mm(15 m≤L≤30 m)、300 mm(L>30 m)(L為單節(jié)箱涵長度)]。

圖6 箱涵豎向最大隆起變化規(guī)律

受頂進角度的影響，本項目箱涵在頂進過程中會出現(xiàn)“半空頂狀態(tài)”。圖7為26 m箱涵1/2涵身進入土體階段的豎向位移云圖，結(jié)構(gòu)的左側(cè)表現(xiàn)為隆起，右側(cè)表現(xiàn)為下沉。這種“半空頂狀態(tài)”使得涵身結(jié)構(gòu)受力不均衡，結(jié)構(gòu)的位移變形也更加復(fù)雜。為了研究施工過程中結(jié)構(gòu)的不均勻變形，對結(jié)構(gòu)頂進前端A點以及結(jié)構(gòu)尾端B點的位移進行了監(jiān)測(見圖8)。

圖7 26 m箱涵1/2函身進入土體階段的豎向位移云圖

圖8 不均勻變形監(jiān)測點

圖9為不同長度管段的A點隨入土深度的位移變化。由圖9a可知，隨著入土深度增加，箱涵X向位移迅速減小后逐漸穩(wěn)定。這是由于箱涵剛?cè)胪習(xí)r，邊墻受到周圍土體擠壓，隨著入土深度增加，與頂板自重引起的擠壓作用相互抵消。對于不同長度管段，A點X向位移變化規(guī)律基本相同，在數(shù)值上也較為接近，表明管段長度對結(jié)構(gòu)水平位移影響不大。圖9b中Y向位移隨入土深度逐漸減小，這是由于箱涵入土頂力需要克服箱涵與周圍土體的摩阻力，入土越深需要克服的摩阻力越大，擠壓箱涵的力相應(yīng)越小，Y向位移也越小。此外，隨著管段長度增大，Y向位移變化幅度也會變大，18、55 m管段其前后位移差值分別為2、4.1 mm，差值較為明顯，這表明管段長度對Y向位移有顯著影響。圖9c中剛?cè)胪習(xí)r，A點Z向位移較大，這是由于箱涵入土后頂板立即受到上部荷載作用，隨著入土深度增加，上部荷載趨于穩(wěn)定，Z向位移也隨之穩(wěn)定。此外，不同長度管段Z向位移隨入土深度變化規(guī)律基本相同，數(shù)值上存在較為明顯的差別，管段越長相應(yīng)的Z向位移越大。

圖10為B點位移變化曲線圖。對于B點而言，X向位移隨入土深度逐漸減小，曲線斜率逐漸增加。這是由于B點位于結(jié)構(gòu)后端，隨著入土深度增加，B點受到周圍土體的擠壓作用越來越明顯。隨著管段長度增加，左右邊墻均向外側(cè)凸出，且兩側(cè)水平相對位移逐漸變大，這不利于頂進過程入土方向的控制，甚至影響箱涵的頂進就位。Y向位移隨入土深度逐漸減小，變化幅度隨箱涵長度逐漸增大，與A點Y向位移變化一致。但是，B點Y向位移在數(shù)值上始終大于A點，這是由千斤頂頂力直接作用于后端底板所致。B點Z向位移入土前已經(jīng)出現(xiàn)沉降，入土后沉降迅速減小至隆起。隨著入土加深，隆起增大到一定值后又逐漸減小。這是由于箱涵結(jié)構(gòu)前端右側(cè)先進入土體，并在上覆土體作用下出現(xiàn)沉降，而后端左側(cè)被動翹起，隨著入土深度增加，后段翹起在上覆土體的作用下逐漸減小。參考A點Z向位移，管段越長前后兩端Z向位移差距越大，在施工過程中很容易出現(xiàn)頂進方向偏離或“叩首”等工程問題，危及施工安全，這再一次說明設(shè)計與施工中應(yīng)著重考慮管段長度的影響。

圖9 A點位移變化曲線

圖10 B點位移變化曲線

3.2 箱涵內(nèi)力分析

對不同長度箱涵在各施工階段的受力進行統(tǒng)計如圖11、圖12所示。由圖11可知，箱涵最大拉應(yīng)力隨著箱涵的長度增加而增加，基本呈線性關(guān)系。18 m箱涵最大拉應(yīng)力為0.88 MPa，55 m為1.25 MPa。最大拉應(yīng)力隨施工步序逐漸增大，在1/2箱涵進入土體后逐漸穩(wěn)定。由圖12可知，最大壓應(yīng)力呈現(xiàn)出和拉應(yīng)力相同的規(guī)律。箱涵最大壓應(yīng)力隨著箱涵的長度增加而增加，基本呈線性關(guān)系。18m箱涵最大壓應(yīng)力為4.3 MPa，55 m為7.8MPa。最大壓應(yīng)力隨施工步逐漸增大，在1/2箱涵進入土體后逐漸穩(wěn)定。

因此，從管節(jié)長度方面而言，18～55 m管節(jié)受力均在材料的承受范圍之內(nèi)，但是隨著長度增加，相應(yīng)的最大應(yīng)力量值會增加，結(jié)構(gòu)材料的成本也會增加，此外對施工頂推設(shè)備也會有更高的要求，但其結(jié)構(gòu)較為完整，防水及施工組織上會優(yōu)于短節(jié)段的箱涵。從施工步序角度來看，箱涵1/2涵身進入土體前，應(yīng)力的變化幅值較大，此階段應(yīng)當(dāng)重點監(jiān)測。

圖11 箱涵最大拉應(yīng)力變化規(guī)律

圖12 箱涵最大壓應(yīng)力變化規(guī)律

4 結(jié)論

結(jié)合鄭州市紫荊山路下穿越既有鐵路線箱涵頂進工程，通過數(shù)值模擬研究了不同長度、不同入土階段的箱涵受力變形特征，并得到如下結(jié)論：

1)管涵施工過程中沉降和隆起均隨著箱涵長度的增加而增加。箱涵的豎向沉降隨施工步序線性增長，隆起表現(xiàn)為在1/2箱涵進入土體前，豎向沉降逐漸增大；1/2箱涵進入土體后，隆起的量值逐漸減小。

2)受到頂進角度的影響，本項目箱涵在頂進過程中會出現(xiàn)“半空頂狀態(tài)”。X向位移均隨入土深度減小，但曲線斜率變化趨勢相反。A、B兩點Y向位移變化相同，由于千斤頂頂力直接作用的原因，B點位移在數(shù)值上較大。豎直方向上A點只產(chǎn)生沉降，B點先沉降后隆起，且結(jié)構(gòu)越長A、B兩端位移差值越大，這很容易造成頂進方向偏離或 “叩首”等工程問題，在設(shè)計時需合理選擇箱涵長度，施工時要密切關(guān)注箱涵頂進角度。

3)從管節(jié)長度方面而言，18～55 m管節(jié)受力均在材料的承受范圍之內(nèi)，但隨著長度增加，相應(yīng)的最大應(yīng)力量值會增加，結(jié)構(gòu)材料的成本也會增加，此外對施工頂推設(shè)備也會有更高的要求，但其結(jié)構(gòu)較為完整，防水及施工組織上會優(yōu)于短節(jié)段的箱涵。從施工步角度來看，箱涵1/2涵身進入土體前，應(yīng)力的變化幅值較大，此階段應(yīng)當(dāng)重點監(jiān)測。

4)管涵長度的選擇需重點考慮“叩首”問題，此外，施工的監(jiān)測重點需要放在箱涵1/2涵身進入土體前階段。