巢萬里,黃勇軍,潘世強(qiáng)，金宇軒

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015；2.交通建設(shè)工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410015;3.湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410005)

1 概述

分離式立體交叉工程主要有上跨立交橋和下穿地道橋2種方案，上跨立交橋在路塹地段方案占優(yōu)勢(shì)，而下穿地道橋在路堤段更具優(yōu)勢(shì)。地道橋盾構(gòu)頂推作為一種微創(chuàng)施工方法具有安全、保通、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等顯著特點(diǎn)，是目前框架橋施工的一種全新技術(shù)，在公、鐵路行業(yè)得到了廣泛使用[1-2]。隨著地道橋盾構(gòu)頂推施工技術(shù)的大量應(yīng)用，工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)地道橋在頂推過程中易發(fā)生“扎頭”、偏位問題，且頂推方向與被交道路斜交時(shí)，問題尤為突出[3-6]。李俊[7]對(duì)超小斜交角度的下穿地道橋的設(shè)計(jì)與施工展開研究，提出側(cè)向土壓力是導(dǎo)致地道橋發(fā)生偏位的主要原因。陳旭[8]，潘文怡[9]，王麗[10]等和林文泉[11]等對(duì)斜交地道橋的受力情況進(jìn)行了研究，對(duì)地道橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過程提出了優(yōu)化措施。趙雷[12-14]等對(duì)斜交地道橋的空間受力情況開展了研究，對(duì)采用有限元法對(duì)斜交地道橋的空間受力情況進(jìn)行了求解。丁德中[15]、房學(xué)先[16]對(duì)斜交地道橋偏位問題進(jìn)行了分析，提出了一系列的工程糾偏措施。

此前的相關(guān)研究大多聚焦于斜交地道橋結(jié)構(gòu)受力特性上，對(duì)其結(jié)構(gòu)受力提出了各種優(yōu)化措施。但是，研究人員對(duì)于斜交地道橋頂進(jìn)施工過程中的受力情況并不十分明確。對(duì)地道橋偏位的認(rèn)識(shí)也大多來源于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的感性認(rèn)識(shí)，極少從理論角度進(jìn)行定性定量的分析，糾偏施工方案缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，隨意性較大?；诖?，本文將對(duì)斜交地道橋在施工頂進(jìn)過程的受力過程開展研究，結(jié)合依托工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，提出斜交地道橋在頂進(jìn)過程中初始偏轉(zhuǎn)力矩力學(xué)表達(dá)式，并研究相關(guān)參數(shù)對(duì)地道橋地道橋偏位的影響，為地道橋設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)。

2 斜交地道橋頂推全過程分析

2.1 地道橋頂進(jìn)過程分析

在進(jìn)行狀態(tài)分析時(shí)，定義如下參數(shù)。d為地道建筑寬度；b為首節(jié)地道(含盾構(gòu))計(jì)算長度；B為被交道路路基寬度；α為地道橋預(yù)制銳角角度；β為2條道路的交叉夾角(銳角值)；x為頂進(jìn)行程。從圖1可以看出，根據(jù)受力狀態(tài)的異同，頂推過程可以分為如下7種狀態(tài)。不同的頂推狀態(tài)下，其初始偏轉(zhuǎn)力矩也各不相同，本文擬研究如下7個(gè)狀態(tài)下的初始偏轉(zhuǎn)力矩的發(fā)生時(shí)刻，以及各個(gè)參數(shù)對(duì)最大初始偏轉(zhuǎn)力矩的影響，以期獲得不同頂推狀態(tài)下的糾偏千斤頂布置狀態(tài)。

圖1中7個(gè)狀態(tài)的5個(gè)臨界點(diǎn)參數(shù)見表1。

表1 狀態(tài)參數(shù)表Table 1 State parameter table狀態(tài)參數(shù)左側(cè)頭部入土X1=d cot β-cot α 右側(cè)尾部完全入土X2=b左側(cè)尾部完全入土X3=d cot β-cot α +b右側(cè)頭部出土X4=B sec β左側(cè)頭部出土X5=B sec β+d cot β-cot α

2.2 地道橋受力狀態(tài)分析

圖2為地道橋的平面力學(xué)分析模型，其中橋體質(zhì)心為O。先入土側(cè)所受土壓力為E1，方向垂直于框架側(cè)壁，摩擦力為f1，方向與頂進(jìn)方向相反，后入土側(cè)土壓力為E2，方向垂直于框架側(cè)壁，摩擦力為f2，方向與頂進(jìn)方向相反。頂部采用拖板(卷板)減阻，頂部摩擦力相對(duì)較小，忽略不計(jì)；底部摩擦力由橋體自重和頂部土體附加應(yīng)力對(duì)應(yīng)的摩擦力2個(gè)部分組成，其中橋體自重產(chǎn)生的摩擦力作用線過質(zhì)心O，力矩為零；頂部土體附加應(yīng)力對(duì)應(yīng)的摩擦力矩在X1

圖2 力學(xué)模型

(1)

(2)

式中:L1為右側(cè)土壓力對(duì)矩心的力臂；L2為左側(cè)土壓力對(duì)矩心的力臂?？梢钥闯鯡1、E2、f1、f2、L1、L2均為頂程x的分段函數(shù)。上式中，E0為單位寬度土壓力，由朗肯主動(dòng)土壓力公式計(jì)算可得。上式推導(dǎo)過程中僅考慮主動(dòng)力作用，未對(duì)橋體發(fā)生平面偏轉(zhuǎn)后兩側(cè)土體因受擠壓作用而產(chǎn)生的彈性抗力進(jìn)行深入分析。從狀態(tài)上講，該偏轉(zhuǎn)力矩僅僅是平面偏轉(zhuǎn)的初始狀態(tài)，而偏轉(zhuǎn)后導(dǎo)致兩側(cè)土體擠壓后產(chǎn)生的彈性抗力是一個(gè)二次狀態(tài)，也正是因?yàn)橥馏w彈性抗力的存在，約束住了橋體的持續(xù)偏轉(zhuǎn)并最終達(dá)到一個(gè)新的力矩平衡狀態(tài)。

3 斜交地道橋頂推偏位影響因素分析

上一節(jié)通過對(duì)斜交地道橋頂進(jìn)全過程分析得到了地道橋初始偏轉(zhuǎn)力矩計(jì)算的表達(dá)式，但頂進(jìn)是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，影響初始偏轉(zhuǎn)力矩的因素較多，難以直觀的判斷各因素對(duì)地道橋偏位的影響。本節(jié)將結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，研究交叉角度β、預(yù)制角度α、首節(jié)長度b、結(jié)構(gòu)寬度d對(duì)偏轉(zhuǎn)力矩的影響。

3.1 工程概況

平益高速平江南互通E匝道地道橋頂推下穿平汝高速工程位于平江縣三陽鄉(xiāng)新仁村，E匝道軸線與平汝高速成45°交叉。采用斜交斜做正頂?shù)姆桨?，見圖3。本工程頂推地道橋具有如下特點(diǎn)：①大角度斜交，地道橋呈60°角預(yù)制，45°方向頂進(jìn)，糾偏難度大。②覆土厚度極薄，覆土厚度97～124 cm，對(duì)路面影響大。本項(xiàng)目對(duì)平面力矩影響較大的參數(shù)如下：路基寬度B為28 m，首節(jié)橋長b為24 m，橋?qū)抎為16.9 m，預(yù)制銳角α為60°，斜交角度β為45°。

(a) 平面

地道橋分3節(jié)預(yù)制，每節(jié)長度16 m。施工場(chǎng)地位于平汝高速西側(cè)，見圖4。地道橋預(yù)制時(shí)在底板上部預(yù)留三角形鋸齒槽作為千斤頂放置區(qū)，長×寬×深=100×58×50 cm。每個(gè)鋸齒槽放置2臺(tái)千斤頂。中繼間和最后一節(jié)尾部均設(shè)置不少于10個(gè)鋸齒槽。其中中繼間左側(cè)放置6個(gè)500 t千斤頂，右側(cè)放置9個(gè)500 t千斤頂；末節(jié)左右側(cè)均放置8個(gè)320 t千斤頂。千斤頂設(shè)置油壓閥門，通過閥門來控制頂力作用線的實(shí)際位置。

圖4 地道橋施工場(chǎng)地和中繼間千斤頂布置圖

3.2 偏位影響因素分析

3.2.1地道橋預(yù)制角度α

地道橋預(yù)制角度α一般由結(jié)構(gòu)專業(yè)確定，角度變化可在β與90°之間變化。α=β，地道橋長度最小，造價(jià)最低，α=90°，橋長加長，造價(jià)最大。為了研究地道橋角度對(duì)偏位的影響，在既有工程的基礎(chǔ)上，將各參數(shù)代入式(2)進(jìn)行求解，并繪制不同α角下的頂程與阻力矩關(guān)系圖，見圖5，從而判斷預(yù)制角度對(duì)偏位的影響?？梢钥闯觯?/p>

圖5 地道橋預(yù)制角度與初始偏轉(zhuǎn)力矩關(guān)系

a.初始偏轉(zhuǎn)力矩隨頂程呈現(xiàn)“減小、增大、減小”的變化趨勢(shì)，X=b時(shí)，初始偏轉(zhuǎn)力矩最大。

b.初始偏轉(zhuǎn)力矩隨預(yù)制角度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。Mα=45=147.2 MN·m；Mα=60=105.2 MN·m；Mα=90=47.7 MN·m。

3.2.2首節(jié)計(jì)算長度b

從工程上講，首節(jié)的預(yù)制長度不論從設(shè)計(jì)還是從施工的角度都是可調(diào)的，一般情況下，橋式盾構(gòu)長度6～9 m，首節(jié)地道橋的長度可以在10～16 m范圍內(nèi)變化。在其他參數(shù)不變的情況下，分析首節(jié)地道橋的長度(含橋式盾構(gòu))對(duì)阻力矩的影響。見圖6。

圖6 地道橋首節(jié)長度與初始偏轉(zhuǎn)力矩關(guān)系

a.初始偏轉(zhuǎn)力矩隨頂程呈現(xiàn)“減小、增大、減小”的變化趨勢(shì)，X=b時(shí)，初始偏轉(zhuǎn)力矩最大。

b.初始偏轉(zhuǎn)力矩隨首節(jié)長度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。最大力矩Mb=18=67.0 MN·m；Mb=24=105.2 MN·m。

3.2.3斜交角度β

從工程上講，斜交角度β受路線控制，為不可調(diào)整參數(shù)。同時(shí)β的調(diào)整也會(huì)導(dǎo)致預(yù)制銳角α跟隨變化，本次計(jì)算取α=β。從圖7可以看出，斜交角度越小，初始偏轉(zhuǎn)力矩越大。

圖7 地道橋斜交角度與初始偏轉(zhuǎn)力矩關(guān)系

3.2.4結(jié)構(gòu)寬度d

從工程上講，結(jié)構(gòu)寬度d一般由道路的限界決定，為不可調(diào)整參數(shù)，從圖8可以看出，力矩隨著寬度d的增加而增加。相對(duì)于其他變量，其影響幅度相對(duì)較小。

圖8 地道橋結(jié)構(gòu)寬度與初始偏轉(zhuǎn)力矩關(guān)系

3.3 糾偏工程建議

綜上所述，通過對(duì)影響地道橋偏位的各設(shè)計(jì)參數(shù)的研究可知：地道橋預(yù)制角度、首節(jié)長度、斜交角度對(duì)地道橋的偏轉(zhuǎn)影響較大，而凈寬對(duì)地道橋偏轉(zhuǎn)的影響相對(duì)較小。

a.設(shè)計(jì)建議：選線宜正不宜斜，預(yù)制銳角要取大，首節(jié)長度宜取小。

就工程而論，選線階段應(yīng)盡量避免出現(xiàn)大角度斜交；地道寬度由使用需求的凈寬控制，設(shè)計(jì)過程中有條件的情況下對(duì)斜交地道橋可設(shè)計(jì)成多孔布置方式；地道橋的預(yù)制銳角可由結(jié)構(gòu)專業(yè)確定，斜交正做會(huì)大幅度的增加工程量，一般不可取，45°的預(yù)制，明顯會(huì)出現(xiàn)較大的阻力矩，也不可取。本次設(shè)計(jì)單位采用適中的60°預(yù)制是相對(duì)合理的，這種預(yù)制方式可極大地減少阻力矩，這對(duì)控制橋體偏位是極為有利的。

b.施工建議：油頂布置非對(duì)稱，鈍角區(qū)域要多放；銳角區(qū)域靠中間，鈍角區(qū)域靠單邊；銳角土體要超挖，鈍角區(qū)域可欠挖(鈍角、銳角指首節(jié)前端)。

以本項(xiàng)目為例，本項(xiàng)目所指銳角側(cè)位于頂推方向的左側(cè)、鈍角側(cè)位于頂推方向的右側(cè)。為減少偏轉(zhuǎn)力矩對(duì)本工程的不利影響：千斤頂須按照右多(鈍角側(cè))左少(銳角側(cè))的方式布置；同時(shí)，右側(cè)千斤頂應(yīng)優(yōu)先靠墻側(cè)布置，左側(cè)千斤頂應(yīng)盡量靠中間布置；掌子面開挖時(shí)，左側(cè)宜超挖1～2 cm，右側(cè)應(yīng)適當(dāng)欠挖0～2 cm。通過上述千斤頂?shù)牟贾门c優(yōu)化，在總頂力保持不變的情況下，可以增加糾偏力矩，減少橋體的平面偏位。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

地道橋平面姿態(tài)監(jiān)測(cè)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)行觀測(cè)。如圖9所示，其中L2測(cè)點(diǎn)為前端測(cè)點(diǎn)，L1為后端測(cè)點(diǎn)。

圖9 地道橋平面姿態(tài)監(jiān)測(cè)布置圖

從圖10可以看出：

圖10 地道橋平面偏位隨頂程變化

a.頭部L2測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)先左偏后右偏的趨勢(shì)，最大右偏量15.7 cm，尾部L1測(cè)點(diǎn)整體整體呈現(xiàn)左偏趨勢(shì)，最大左偏量9.1 cm，地道橋平面整體呈現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角18'。

b.頂程在24～38 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)偏轉(zhuǎn)減緩趨勢(shì)，38～47 m范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)減緩趨減低。47～56 m偏轉(zhuǎn)趨勢(shì)急劇增大。

圖11為初始偏轉(zhuǎn)力矩與實(shí)測(cè)偏轉(zhuǎn)角成果對(duì)比圖。頂程0～44 m范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)成果與初始偏轉(zhuǎn)力矩符合性較好，44 m頂進(jìn)結(jié)束無相關(guān)性。實(shí)際施工過程中施工單位在中繼間左側(cè)布置6個(gè)500 t千斤頂，右側(cè)布置9個(gè)500 t千斤頂。44 m頂進(jìn)結(jié)束階段，施工單位為保證第2節(jié)與第1節(jié)的沉降縫閉合，打開了左側(cè)最外側(cè)千斤頂，從而減小了糾偏力矩的大小，于是出現(xiàn)了上述與理論結(jié)果不相符的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖11 初始偏轉(zhuǎn)力矩與實(shí)測(cè)偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論與建議

本文依托平益高速平江南互通E匝道下穿平汝高速度頂推地道橋工程，結(jié)合理論分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控對(duì)斜交地道橋頂進(jìn)全過程的偏位問題進(jìn)行了深入研究，推導(dǎo)了斜交地道橋頂進(jìn)全過程不平衡彎矩的表達(dá)式，研究了地道橋預(yù)制角度、首節(jié)長度、斜交角度和凈寬等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)地道橋偏位的影響。取得的主要結(jié)論與設(shè)計(jì)施工建議如下：

a.受初始偏轉(zhuǎn)力矩影響，斜交頂推地道橋一般會(huì)出現(xiàn)平面偏轉(zhuǎn)的工程問題。且平面偏轉(zhuǎn)量主要受斜交角度、預(yù)制銳角、首節(jié)長度、建筑寬度和施工工藝的影響。

b.從工程實(shí)際角度出發(fā)，選線階段應(yīng)避免大角度斜交；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，預(yù)制銳角宜適當(dāng)加大、首節(jié)長度應(yīng)盡量減短；施工階段應(yīng)對(duì)千斤頂位置合理布置。

c.地道橋的最大初始偏轉(zhuǎn)力矩出現(xiàn)在首節(jié)地道橋完全入土的位置，這既是最大頂力的發(fā)生位置，也是最大初始偏轉(zhuǎn)力矩的發(fā)生位置。油頂配置應(yīng)按照該位置進(jìn)行計(jì)算。

d.斜交地道橋施工應(yīng)尤為注意平面姿態(tài)的施工監(jiān)測(cè)。施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是油頂平面配位的最原始依據(jù)。

通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所反映的偏位趨勢(shì)，驗(yàn)證了理論公式的正確性，理論公式反映地道橋偏位趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。該糾偏技術(shù)為平江南互通地道橋頂推工程的糾偏控制提供了理論指導(dǎo)，保證了工程的安全，降低了糾偏控制的成本，縮短了項(xiàng)目的工期，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。