潘世強(qiáng)，巢萬里，胡富貴

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015；2.湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410005)

0 引言

斜交地道橋因左、右側(cè)土壓力力矩不平衡及左、右側(cè)邊墻支點(diǎn)位置不一致，導(dǎo)致頂板鈍角區(qū)形成較大彎扭應(yīng)力，一般情況下控制銳角≥45°。因下穿鐵路項目頂程短，且大多采用鋼軌便梁架空、明挖頂進(jìn)施工技術(shù)，因此也存在不少<45°斜交角度的項目[1-4]。下穿高速公路頂推項目存在頂推長度大、暗挖頂進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)，不僅結(jié)構(gòu)運(yùn)營期受力復(fù)雜，而且施工期因平面不平衡力矩存在，導(dǎo)致平面姿態(tài)難以控制，鋼盾構(gòu)頂推過程中受扭較嚴(yán)重問題，因此實際項目中很少見到交叉角度<45°的下穿公路頂推項目。

下穿公路頂推項目的合理覆土深度為1.2～2.0m。一般認(rèn)為，下穿公路頂推地道橋的覆土厚度<1.2m 即可視為超淺埋項目。覆土淺，路基土體在盾構(gòu)及地道橋摩擦力作用下形成較大塑性區(qū)和剪切變形區(qū)，導(dǎo)致路面沉降較大，甚至出現(xiàn)路面開裂、跳車等病害。覆土深，頂板承受的土壓力過大，導(dǎo)致整體頂力增大，也會造成較大路面沉降。2006年，河南省道常付線漯河境內(nèi)改建工程地道橋下穿京珠高速公路，斜交角度70°，最小覆土厚度90cm，路面沉降達(dá)120mm[5]。2015年，湖南省長沙市花卉路下穿京港澳高速公路主線及李家塘互通H匝道，斜交角度62°，最小覆土厚度1.2m，路面最大沉降量25mm，頂推效果良好，是湖南省目前最大斜交角度的成功案例。2019年，G30連霍高速公路新疆境內(nèi)小草湖—烏魯木齊段改擴(kuò)建工程4改8項目中，新建互通匝道及G312國道下穿南疆鐵路45°斜交地道橋頂推施工便出現(xiàn)過盾構(gòu)墩柱變形較大且首節(jié)端部與盾構(gòu)固結(jié)點(diǎn)處混凝土撕裂的工程問題[6]。

1 工程概況

平伍高速公路平江南互通E匝道與平汝高速公路NK1+100.2處相交，相交角度45°。采用斜交斜做正頂設(shè)計施工方案，如圖1所示。E匝道地道橋為單孔結(jié)構(gòu)，斷面尺寸16.9m×9.5m，分3節(jié)預(yù)制，每節(jié)長16m，合計48m。本項目頂推地道橋具有如下特點(diǎn)：①地道橋預(yù)制銳角60°，頂進(jìn)方向45°；②覆土厚度97～124cm；③頂進(jìn)方向左側(cè)需破除一個老蓋板通道，給工程帶來極大風(fēng)險。大角度斜交且最小覆土厚度僅97cm，是目前湖南省內(nèi)最復(fù)雜的下穿高速公路頂推項目，在全國頂推項目中也極罕見。

圖1 地道橋布置(單位：cm)

本項目下穿高速公路路基，地層自上而下依次為路面結(jié)構(gòu)層、路基填土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，地道橋主要位于填土層和全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。

2 監(jiān)測方案及成果分析

根據(jù)以往工程經(jīng)驗及該項目的工程特點(diǎn)，在頂進(jìn)施工過程中，進(jìn)行以下幾方面實時監(jiān)控[7]：①上部高速公路路面沉降監(jiān)測；②地道橋頂進(jìn)姿態(tài)監(jiān)測；③盾構(gòu)支架應(yīng)力監(jiān)測；④老涵洞側(cè)墻的位移收斂監(jiān)測。從監(jiān)測成果分析，該項目監(jiān)測體現(xiàn)出的工程問題主要集中在路面沉降和橋位平面偏轉(zhuǎn)上。

頂推地道橋路面沉降測點(diǎn)布置如圖2所示，其中路面沉降監(jiān)測F型測點(diǎn)采用水準(zhǔn)儀監(jiān)測，測點(diǎn)布置于硬路肩及行車道上；J型測點(diǎn)采用具有無線數(shù)據(jù)傳輸功能的電感式靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測，測點(diǎn)位于中央分隔帶的綠化帶上。為方便展現(xiàn)路面沉降與掌子面間的相對關(guān)系，在圖3中繪制左、中、右3個頂程標(biāo)尺，零點(diǎn)為盾構(gòu)安裝就位后子盾構(gòu)的前端，因此頂程與子盾構(gòu)的開挖面等效。平汝高速公路的路線方位角180°，地道橋頂進(jìn)方位角45°，地道橋及盾構(gòu)預(yù)制銳角60°，因此頂進(jìn)施工時，頂進(jìn)方向右側(cè)較左側(cè)提前入土9.76m。

圖2 平江南互通E匝道高速公路路面沉降觀測平面布點(diǎn)(單位：m)

圖3 路面隆起與掌子面相對關(guān)系(單位：cm)

2.1 路面沉降

由圖3，4可看出，暗挖頂推施工對路基會造成一定的損傷和擾動。掌子面開挖處，路面會出現(xiàn)明顯位移。整體上說，路面表現(xiàn)出先輕微隆起后急劇下降的整體規(guī)律，在文獻(xiàn)[8-9]中也有類似的位移變形規(guī)律。具體規(guī)律如下。

圖4 F1，F(xiàn)4，J，F(xiàn)7測點(diǎn)豎向位移隨頂程變化曲線

1)子盾構(gòu)前方1m的路面會產(chǎn)生明顯的路面隆起，當(dāng)子盾構(gòu)推進(jìn)至測點(diǎn)正下方時路面產(chǎn)生最大隆起位移，之后路面開始急劇下沉。受斜交影響，右側(cè)路面較左側(cè)路面隆起時間早10m的頂程距離。路面隆起主要有2個方面原因：首要原因是該頂推項目上部覆土薄，次要原因是子盾構(gòu)位于路面下的碎石結(jié)構(gòu)層較松散，不能超挖，只能帶土頂進(jìn)。當(dāng)子盾構(gòu)向前的水平推力超過上部路面(路基)巖土體的被動土壓力時，路基、路面巖土體發(fā)生剪切變形，從而導(dǎo)致路面隆起變形。

2)路面沉降表現(xiàn)出3個明顯的變形階段，分別為急劇變形階段、緩慢變形階段及固結(jié)沉降階段。受高速公路交通組織的影響，本次僅能監(jiān)測到前2個階段。急劇變形階段主要發(fā)生于開挖后的7～12m，急劇變形階段與鋼盾構(gòu)的長度、剛度、頂進(jìn)方式有直接關(guān)系，總體而言，急劇變形階段為鋼盾構(gòu)長度的1.0～1.5倍。緩慢變形階段開始于混凝土地道橋前段至測點(diǎn)之下，到頂推結(jié)束為止，其變形速率已呈明顯減緩趨勢，其變形主要受超挖量及地道橋頂進(jìn)過程中的摩擦力控制。固結(jié)沉降階段從頂推結(jié)束至路基固結(jié)沉降結(jié)束，周期較長，本文在此不贅述。

3)總體而言，中間測點(diǎn)的沉降量大于兩側(cè)測點(diǎn)的沉降量，右側(cè)測點(diǎn)的沉降量大于左側(cè)測點(diǎn)的沉降量。中間大、兩側(cè)小的沉降變形較符合力學(xué)常規(guī)，而右側(cè)沉降較左側(cè)沉降大主要是右側(cè)子盾構(gòu)掌子面開挖比左側(cè)子盾構(gòu)掌子面超前所致。

2.2 地道橋姿態(tài)

地道橋姿態(tài)分為平面姿態(tài)和豎向姿態(tài)，本項目因地基承載力良好，豎向姿態(tài)控制良好，在此不做論述。但本項目受大角度斜交影響，左、右側(cè)土壓力不在一條作用線上，會形成不平衡力矩，因此需重點(diǎn)觀測。地道橋姿態(tài)監(jiān)測主要是通過在地道橋軸線的前端和后端粘貼反射片，并通過全站儀進(jìn)行平面姿態(tài)監(jiān)測。如圖5所示，其中L2為前端測點(diǎn)，L1為后端測點(diǎn)。

圖5 地道橋平面姿態(tài)監(jiān)測布置

由圖6可看出，地道橋從空頂?shù)筋^部出土，根據(jù)左、右側(cè)土壓力分布的不同，共表現(xiàn)為7個狀態(tài)。地道橋受力簡圖如圖7所示，從圖中可看出，因左、右側(cè)土壓力不在一條作用線上，因此會產(chǎn)生不平衡力矩，不平衡力矩的大小與地道橋?qū)嶋H位置有較大關(guān)系。不平衡力矩的存在會導(dǎo)致地道橋的平面偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致不同位置的土壓力調(diào)整并最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

圖6 地道橋頂推狀態(tài)(單位：m)

圖7 力學(xué)模型

由圖8可看出，頭部L2測點(diǎn)呈現(xiàn)先左偏后右偏趨勢，最大右偏量15.7cm，尾部L1測點(diǎn)整體呈現(xiàn)左偏趨勢，最大左偏量9.1cm，地道橋平面整體呈現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角18′。地道橋開始表現(xiàn)為左偏趨勢，與右側(cè)先入土具有直接關(guān)系。當(dāng)?shù)氐罉蜃髠?cè)入土且左側(cè)土壓力力矩大于右側(cè)土壓力力矩后，地道橋頭部呈現(xiàn)右偏趨勢。頂程在50～60m范圍右偏趨勢降低，這與地道橋左側(cè)老涵洞無土壓力有關(guān)。地道橋右側(cè)首先出土，右側(cè)土壓力力矩明顯減小，從而導(dǎo)致最后70～80m頂程呈現(xiàn)急劇右偏趨勢。

圖8 地道橋平面偏位隨頂程變化曲線

3 設(shè)計施工注意事項

從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，超淺埋大角度斜交頂推地道橋項目在施工過程中影響最大的2個控制因素是路面沉降和平面姿態(tài)。設(shè)計施工過程中應(yīng)尤為注意以下幾個問題。

1)設(shè)計過程中應(yīng)避免出現(xiàn)超淺埋問題，有條件的情況下盡量將頂推項目的覆土高度調(diào)整至1.2～2.0m，極限條件下建議覆土厚度≥1.2m。

2)斜交角度受路線總體控制，但斜交角度>45°情況應(yīng)盡量避免，迫不得已可選用45°的斜交角度，但應(yīng)盡量將地道橋銳角控制在60°以上，這對糾偏控制相對有利。

3)斜交地道橋受平面不平衡力矩影響，肯定會出現(xiàn)平面偏位，目前糾偏最常用的有效方式是通過增加銳角側(cè)的千斤頂數(shù)量來減少不平衡力矩影響。

4)對于目前采用兩側(cè)超欠挖方式來達(dá)到糾偏目的，筆者認(rèn)為這種操作方式有待商榷。以本項目為例，受不平衡力矩影響，地道橋會產(chǎn)生順時針旋轉(zhuǎn)，常規(guī)操作方式是通過左側(cè)超挖、右側(cè)欠挖，以引導(dǎo)地道橋逆時針旋轉(zhuǎn)。但實際上，右側(cè)欠挖會增加右側(cè)路基土體的摩擦力，會進(jìn)一步增加順時針方向的不平衡力矩，有可能加劇偏位。

5)施工過程中應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測，特別是重視路面沉降和地道平面姿態(tài)監(jiān)測。如本項目地道設(shè)計坡率0.5%，實際滑板預(yù)制坡率0.2%，地道入土后對頂推坡率進(jìn)行了急劇抬升，導(dǎo)致門框梁開裂和硬路肩路面開裂，如圖9所示。后來通過結(jié)合監(jiān)控數(shù)據(jù)對地道進(jìn)行緩慢調(diào)坡，使此病害得以控制。另外，平面姿態(tài)監(jiān)測對調(diào)整中繼間千斤頂布置也具有較好的指導(dǎo)意義。

圖9 現(xiàn)場病害照片

4 結(jié)語

本文以湖南省平伍高速公路平江南互通E匝道下穿平汝高速公路為工程背景，結(jié)合依托項目“超淺埋大角度斜交”的工程特點(diǎn)開展了現(xiàn)場監(jiān)測和常規(guī)力學(xué)分析，得到如下結(jié)論。

1)下穿高速公路頂推地道橋的路面沉降整體表現(xiàn)為“先隆起后沉降的總體規(guī)律”，且沉降分為明顯的3個階段，即急劇變形階段、緩慢變形階段及固結(jié)沉降階段。

2)大角度斜交會增加下穿高速公路地道橋的糾偏難度。本文建議的最大斜交角度≤45°，且建議地道橋的預(yù)制銳角應(yīng)控制在60°以上。

本項目未對路基的水平運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行深入監(jiān)測，這在以后類似工程項目需注意。建議下一步對路面的水平運(yùn)動規(guī)律展開監(jiān)測，如通過全站儀對路面、出口制動梁進(jìn)行水平位移監(jiān)測，甚至在中央分隔帶及出口側(cè)設(shè)置測斜管，對整個路基的深部水平位移進(jìn)行監(jiān)測。這對掌握路基在頂力作用下的位移運(yùn)動規(guī)律具有重要指導(dǎo)意義。