王瑞虎，朱士東，顧祎鳴，曹雪山

(1. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019； 2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098)

箱涵頂推施工方法已經(jīng)成為立交道口交通建設(shè)的主要施工方法，曾福強(qiáng)[1]依托鄭開(kāi)大道下穿京港澳高速公路工程，開(kāi)展大斷面箱涵頂進(jìn)過(guò)程對(duì)既有公路沉降的影響分析，明確箱涵頂推過(guò)程中的路面沉降規(guī)律。楊延強(qiáng)[2]說(shuō)明某國(guó)道箱涵下穿鐵路的頂推施工風(fēng)險(xiǎn)并展示監(jiān)測(cè)全過(guò)程。張志新等[3]說(shuō)明長(zhǎng)沙市人民路東延線下穿京珠高速公路時(shí)，采用管棚加固和中繼間頂推法會(huì)發(fā)生路面明顯隆起現(xiàn)象，后改用盾構(gòu)頂進(jìn)法完成箱涵施工；鄭州文化北路下穿連霍高速公路立交橋后，產(chǎn)生路面沉降過(guò)大的現(xiàn)象，每沉降超過(guò)15 cm即進(jìn)行1次路面修補(bǔ)，同時(shí)車速控制在40 km/h，竣工后路面最大沉降達(dá)30 cm，最后對(duì)路面進(jìn)行全面修補(bǔ)。

雖然箱涵頂推施工方法已在工程中廣泛使用，但在施工過(guò)程中不可避免地會(huì)引起對(duì)路基土體的擾動(dòng)，可能導(dǎo)致既有道路發(fā)生沉降并危害路基穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響既有道路通行安全。因此須確定該施工方法的適用性，并進(jìn)一步完善施工方案設(shè)計(jì)。本文依托下穿襄荊高速公路的荊門國(guó)際內(nèi)陸港華科路工程，開(kāi)展箱涵方案比選與頂推施工設(shè)計(jì)研究，以明確設(shè)計(jì)過(guò)程中主要問(wèn)題及對(duì)策，為進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)水平提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

荊門國(guó)際內(nèi)陸港華科路工程位于荊門市麻城鎮(zhèn),西起于襄荊高速，東止于經(jīng)濟(jì)路。下穿襄荊高速公路交叉處的箱涵通道，通道平面圖如圖1所示。其中心樁號(hào)為K2+194.535，兩路斜交，右偏角為89.422°。箱涵通道結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架橋結(jié)構(gòu)，箱涵通道工程結(jié)構(gòu)概況如圖2所示，起點(diǎn)樁號(hào)為K2+175.035，終點(diǎn)樁號(hào)為K2+214.035，全長(zhǎng)為39 m；分3個(gè)節(jié)段施工，節(jié)段間設(shè)接縫。節(jié)段框架頂板厚為0.9 m，底板厚為1.1 m，兩側(cè)墻及中墻厚為0.9 m。襄荊高速路面高程約為91 m，華科路設(shè)計(jì)高程約為82.5 m，下穿通道上部覆蓋層厚2.2～2.5 m。

2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地內(nèi)地勢(shì)開(kāi)闊，地形起伏呈西高東低狀，屬漢江二級(jí)階地壟崗地貌，箱涵通道工程地質(zhì)條件如圖3所示。場(chǎng)地內(nèi)地層自上而下劃分:第一層為第四系人工素填土;第二層為第四系上更新統(tǒng)沖積成因的粉質(zhì)黏土;第三層為白堊系強(qiáng)-中風(fēng)化中統(tǒng)泥質(zhì)粉砂巖。

場(chǎng)地地下水埋藏類型主要為上層滯水，賦存于第一層素填土的孔隙中，局部分布，無(wú)統(tǒng)一的自由水面，下伏第二層粉質(zhì)黏土為其相對(duì)隔水層。

3 方案比選論證

3.1 方案比選

箱涵通道立面如圖4所示，本工程特點(diǎn)為：①箱涵尺寸大。箱涵總長(zhǎng)為39 m，分3節(jié)，每節(jié)為13 m，總寬為41.1 m，分左右兩幅，每幅寬為20.45 m、高為8 m。②覆蓋層薄。涵頂距高速公路路面2.2～2.5 m，平均為2.35 m，接近高速公路受力工作區(qū)，所以通道開(kāi)挖卸荷對(duì)高速公路受力變形影響較大，極易引起沉降。

為不影響正常通行及行車安全，通道設(shè)計(jì)方案應(yīng)滿足：①充分體現(xiàn)安全耐久、適用經(jīng)濟(jì)、環(huán)保節(jié)約以及和諧美觀的原則；②通道結(jié)構(gòu)盡量做到布置合理，方便施工從而加快施工進(jìn)度并降低工程造價(jià)；③通道跨徑和通道長(zhǎng)度應(yīng)在滿足下穿高速公路路基寬度、下穿道路凈空等要求的前提下，綜合考慮地形地貌、地質(zhì)條件以及通道高度、通道線形、被交道等因素后確定；④重視耐久性設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)安全、耐久；⑤合理進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，方便施工、縮短工期，盡量降低對(duì)高速公路運(yùn)營(yíng)的影響；⑥通道橫向分孔方案選擇時(shí)，充分考慮施工場(chǎng)地、施工工藝及工期、頂推施工難度、對(duì)高速公路影響等因素。目前通常有3種箱涵施工方案：箱涵頂推方案、淺埋暗挖方案和明挖方案，結(jié)合本工程特點(diǎn)及施工方法的適用情況，針對(duì)常用的3種方案進(jìn)行分析比較。

方案一：箱涵頂推方案。針對(duì)涵頂覆蓋層薄的特點(diǎn)，為保證路基土體穩(wěn)定性應(yīng)采用管棚支護(hù)，再在傳統(tǒng)頂涵施工工藝基礎(chǔ)上對(duì)箱涵頂進(jìn)路基支護(hù)采用平刃切土，用鋼構(gòu)支撐架保持公路坡比，提高施工安全性和適用性，最大限度減少淺覆蓋層頂進(jìn)施工過(guò)程中對(duì)公路路基的擾動(dòng)。箱涵頂進(jìn)采用中繼間法，分為3個(gè)節(jié)段預(yù)制頂進(jìn)，節(jié)與節(jié)之間設(shè)中繼間；箱涵底設(shè)滑行軌道；基坑及框架橋根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用井管降水。該方案優(yōu)點(diǎn)為：①施工質(zhì)量易保證。管節(jié)結(jié)構(gòu)預(yù)制，充分保證生產(chǎn)工藝及工作環(huán)境水平，保證管節(jié)生產(chǎn)質(zhì)量；頂進(jìn)施工時(shí)機(jī)械自動(dòng)化程度高，掘進(jìn)精度可控，施工誤差小。②施工技術(shù)先進(jìn)。利用大管棚支護(hù)，克服覆蓋薄的缺點(diǎn)，同時(shí)利用土壓平衡原理，在施工過(guò)程中保持土壓力的動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而確保挖掘面穩(wěn)定性，結(jié)合地面沉降觀測(cè)，實(shí)施信息化施工，動(dòng)態(tài)調(diào)整注漿及掘進(jìn)參數(shù)，進(jìn)而保證地面沉降較小，施工安全可控。

方案二：淺埋暗挖方案。大管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)是針對(duì)涵頂覆蓋層薄，為增大路基土體強(qiáng)度而采用；若采用淺埋暗挖工藝，通道結(jié)構(gòu)頂板至高速路面至少約為11 m(拱頂覆土6 m+起拱高度5 m)，須調(diào)整華科路縱斷面，降低路面高程約9.5 m，由此造成路基挖方增加過(guò)多，工程造價(jià)較大。并且該區(qū)域大部分為中風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉沙巖，開(kāi)挖較為困難。挖方邊坡高度最高約為18 m，施工風(fēng)險(xiǎn)增大，須增加特殊邊坡防護(hù)措施。該方案特點(diǎn)為：①施工質(zhì)量控制困難。結(jié)構(gòu)分段澆筑，二襯施工模板支護(hù)難度大，施工質(zhì)量控制難度相對(duì)較大。②施工作業(yè)環(huán)境差，效果難以控制。洞內(nèi)開(kāi)挖施工，工作環(huán)境惡劣，機(jī)械利用率低，所需人工多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工進(jìn)度慢并且工期較長(zhǎng)。施工過(guò)程中易引發(fā)塌陷，尤其開(kāi)挖、支護(hù)及封閉成環(huán)施工轉(zhuǎn)換過(guò)程中作業(yè)面小，地面沉降難以控制，無(wú)預(yù)防措施。

方案三：明挖方案。采用明挖方案須斷道施工，對(duì)現(xiàn)狀襄荊高速公路進(jìn)行改造，增設(shè)一段臨時(shí)保通道路，臨時(shí)道路長(zhǎng)約為1 km。此方案雖施工簡(jiǎn)便，但須征得高速公路主管部門同意，且新增1 km臨時(shí)保通高速公路，將涉及新增征地的拆遷，占用基本農(nóng)田面積較大，實(shí)施難度大、造價(jià)高。3種方案對(duì)比如表1所示。

表1 3種方案對(duì)比

從技術(shù)難度、施工周期、造價(jià)及對(duì)高速運(yùn)營(yíng)的影響等因素綜合考慮，推薦箱涵頂推方案。

3.2 頂推力計(jì)算

箱涵頂推框架橋的頂進(jìn)從啟動(dòng)、滑板上空頂、刃角切土、全部入土直至框架橋就位所需之力即為頂力。其中以框架橋全部入土?xí)r所需之力為最大，稱為最大頂力[4]。在頂進(jìn)過(guò)程中，箱涵所受阻力主要包含側(cè)面摩阻力及正面阻力，因此根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10092—2017)[5]，最大頂力計(jì)算公式為

N=K·[q1u1+(q1+q2)u2+2Eu3+RA]

(1)

式中，N為最大頂力；K為系數(shù)，宜采用1.2；q1為橋涵頂上荷載;u1為橋涵頂上表面與頂上荷載的摩擦系數(shù)，涂石蠟為0.17～0.34，本研究取0.3;q2為框架橋自重；u2為框架橋底板與基底土的摩擦系數(shù)，可取0.7～0.8；E為框架橋兩側(cè)土壓力，取主動(dòng)土壓力E=γH2Ka/2，H=8 m，Ka=tan2(45°-φ/2)；u3為側(cè)面摩擦系數(shù)，可取0.7～0.8；R為正面阻力，根據(jù)刃角的構(gòu)造、挖土的方法以及土的性質(zhì)取值，本工法的刃角周邊土壤挖空，取0；A為刃角正面積；γ為土的容重，取17～19 kN/m3；H為邊墻高度。因本項(xiàng)目左右幅框架橋?qū)ΨQ，故取單幅框架橋計(jì)算，各參數(shù)取值如表2所示。

表2 各參數(shù)取值

將各參數(shù)值代入公式(1)計(jì)算得

N=1.2×[11 245×0.3+(11 245+18 850)

×0.8+2×2 494×0.8+0×4.8]

=37 727.88 kN

3.3 土抗力安全性驗(yàn)算

由于頂進(jìn)過(guò)程中框架橋會(huì)對(duì)后部土體產(chǎn)成擠壓作用，為保證后部土體安全，還應(yīng)考慮后部土體被動(dòng)破壞極限值[2]。當(dāng)樁后被動(dòng)土壓力按朗金公式計(jì)算，只要最大頂力≤樁后被動(dòng)土壓力，土抗力的安全系數(shù)就有足夠保證。樁后被動(dòng)土壓力Ep的計(jì)算公式為

Ep=γH2KpB/2

其中，H=10 m，B=21 m，Kp=tan2(45°+φ/2)=3。

得到Ep=1/2×18×100×3×21=56 700 kN>N=37 727.88 kN，滿足樁后土體穩(wěn)定要求。

因本工程采用管棚支護(hù)箱體頂部土體，管棚可以承擔(dān)一部分土荷載，即減小了橋涵頂上荷載q1，實(shí)際頂力應(yīng)小于計(jì)算值，提高了設(shè)計(jì)冗余度。

3.4 既有道路沉降分析

針對(duì)頂推過(guò)程中可能出現(xiàn)的既有道路沉降問(wèn)題，基于ANSYS軟件對(duì)隧道里程范圍進(jìn)行建模分析，水平計(jì)算范圍均取隧道外側(cè)100 m，豎直計(jì)算范圍向下取20 m，荷載包含路面荷載(60 kPa)和結(jié)構(gòu)自重，巖土材料參數(shù)如表3所示。

表3 巖土材料參數(shù)

由于箱涵為雙幅框架橋，計(jì)算時(shí)按照實(shí)際工況，先將其中一幅頂進(jìn)完畢后再頂進(jìn)另一幅，箱涵單幅頂進(jìn)時(shí)既有道路沉降曲線如圖5所示，既有道路在頂推施工完畢后的沉降情況如圖6所示。頂推寬度對(duì)沉降的影響非等比例增長(zhǎng)，而是在比例基礎(chǔ)上更大。

由計(jì)算結(jié)果得知下穿道路開(kāi)挖施工引起地表沉降的最大值為32 mm，而結(jié)合國(guó)內(nèi)淺埋下穿既有公路地表沉降控制基準(zhǔn)的分析，基于工程類比法確定的下穿公路允許地表沉降基準(zhǔn)值為50 mm，因此本下穿道路開(kāi)挖施工引起地表沉降的最大值小于下穿施工引起的公路地表沉降控制基準(zhǔn)值。

4 頂推施工方案

根據(jù)框架橋覆土厚度及所處地質(zhì)情況，為保證施工時(shí)高速公路正常使用，施工方案采用“鋼盾構(gòu)法”施工，路面土體采用大管棚支護(hù)。頂進(jìn)施工結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖7所示。

頂推施工過(guò)程如圖8所示，施工步驟為：施工準(zhǔn)備及整理場(chǎng)地40 d→施工防護(hù)樁及后背樁40 d→施工管棚及門框梁45 d→開(kāi)挖工作坑、制作滑板及后背梁35 d→預(yù)制框架主體并安裝刃腳60 d→頂進(jìn)施工作業(yè)60 d→施工附屬及其他工程40 d，預(yù)計(jì)總工期為320 d。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 綜合比選箱涵頂推、淺埋暗挖及明挖3種施工方案的施工風(fēng)險(xiǎn)、工期、造價(jià)及對(duì)環(huán)境影響等因素，突顯箱涵頂推方案在本項(xiàng)目中的適用性。

(2) 施工過(guò)程中土體對(duì)施工設(shè)備造成的最大推力計(jì)算及頂推基座樁后土體穩(wěn)定性驗(yàn)算，表明樁后土體穩(wěn)定，設(shè)計(jì)方案合理。

(3) 基于ANSYS軟件對(duì)既有路面在不同施工階段下的沉降問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)果表明本下穿道路開(kāi)挖施工引起地表沉降的最大值小于下穿施工引起的公路地表沉降控制基準(zhǔn)值。

需要說(shuō)明的是，由于設(shè)計(jì)推動(dòng)框架橋的頂力為靜止時(shí)的最大靜摩擦力，因此實(shí)施過(guò)程應(yīng)通過(guò)潤(rùn)滑減阻及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力變形監(jiān)測(cè)等措施進(jìn)行信息化施工，以保證施工及公路通行安全。