顧徐兵,王俊淇,張自光,尤雪蘋(píng)
(1.南京上鐵地方鐵路開(kāi)發(fā)有限公司,江蘇 南京 210003;2.江蘇雷威建設(shè)工程有限公司,江蘇 南京 210003;3.建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽建筑大學(xué),安徽 合肥 230601)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平不斷提高,全面貫通城市鐵路兩側(cè)交通,實(shí)現(xiàn)城市鐵路兩側(cè)協(xié)調(diào)發(fā)展已成為大勢(shì)所趨。因具有施工速度快、環(huán)境影響小、工程造價(jià)低等諸多優(yōu)勢(shì),采用框架箱涵長(zhǎng)距離下穿鐵路股道群中繼間頂進(jìn)成為貫通鐵路兩側(cè)交通的一種有效的施工方法。
姿態(tài)控制是框架箱涵中繼間頂進(jìn)順利施工的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。目前關(guān)于框架箱涵姿態(tài)控制主要分為兩種,一種是改變千斤頂?shù)捻斄?shí)現(xiàn)控制,一種是改變兩邊的土方量實(shí)現(xiàn)控制。劉石長(zhǎng)[1]、李少波[2]等針對(duì)改變頂力進(jìn)行糾偏說(shuō)明,發(fā)現(xiàn)使用千斤頂主要是通過(guò)頂力調(diào)整頂進(jìn)姿態(tài),當(dāng)箱涵發(fā)生偏移時(shí)需及時(shí)停止,通過(guò)改變兩邊千斤頂?shù)捻斄m偏,隨時(shí)觀察,即偏即糾,這種方法的主要問(wèn)題在于頂進(jìn)過(guò)程中需要時(shí)刻監(jiān)測(cè)、隨時(shí)停止,耗費(fèi)人力,耽誤進(jìn)程。田家琳等[3]與趙風(fēng)嶺等[4]針對(duì)剪力楔進(jìn)行糾偏說(shuō)明,通過(guò)在箱涵內(nèi)預(yù)埋剪力楔控制中繼間頂進(jìn)方向,但是發(fā)現(xiàn)在頂進(jìn)時(shí),箱涵的自重過(guò)大會(huì)造成頂力過(guò)大,因此剪力楔所承受的剪力較大,容易造成箱涵的不可逆損毀。
前人研究了框架箱涵頂進(jìn)姿態(tài)控制,并結(jié)合具體工程案例深入分析。然而,上述既有研究主要集中在小斷面箱涵中繼間頂進(jìn)姿態(tài)控制或大斷面箱涵常規(guī)頂進(jìn)姿態(tài)控制領(lǐng)域,針對(duì)超大框架箱涵中繼間長(zhǎng)距離頂進(jìn)姿態(tài)控制鮮有報(bào)道?;诖?,本文針對(duì)超大框架箱涵中繼間法頂進(jìn)姿態(tài)控制技術(shù)難題,研究了超大框架箱涵中繼間頂進(jìn)姿態(tài)控制施工關(guān)鍵技術(shù),并說(shuō)明其使用方法。同時(shí),結(jié)合合肥市銅陵北路下穿鐵路股道群超大框架箱涵中繼間頂進(jìn)施工工程實(shí)例,展示了該關(guān)鍵技術(shù)在工程實(shí)際應(yīng)用的可靠性。研究成果為超大框架箱涵工程頂進(jìn)姿態(tài)控制提供了一種關(guān)鍵技術(shù)和案例支持。
合肥市銅陵北路為新建道路,全長(zhǎng)4 752.436 m,設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h,規(guī)劃紅線45 m,是該區(qū)域內(nèi)的一條交通性城市主干道。該項(xiàng)目為箱涵下穿鐵路股道群,為了不影響鐵路股道群在箱涵頂進(jìn)時(shí)正常運(yùn)行,通過(guò)開(kāi)挖人工挖孔樁、架設(shè)便梁,將鐵路股道群架設(shè)起來(lái),在箱涵頂進(jìn)過(guò)程中土體承受的力則轉(zhuǎn)移到挖孔樁上[5-7]。該項(xiàng)目KO+577.685~ K1+049.80 里程段72.8 m 采用中繼間頂進(jìn)施工,其中前節(jié)箱涵長(zhǎng)度32.8 m,后節(jié)箱涵長(zhǎng)度40.0 m。該里程段采用孔徑6 m+12 m+12 m+6 m 分離式框架,其中箱涵高度12.0 m,框架頂板厚1.1 m,底板厚1.2 m,側(cè)墻厚1.1 m。6.0 m 框架頂板厚0.6 m,底板厚0.7 m,側(cè)墻厚0.7 m。箱涵頂進(jìn)順序?yàn)椋?#→1#→4#→3#,如圖1 所示。
圖1 框架橫斷面圖Fig.1 Frame cross-sectional view
2.1.1 裝置構(gòu)成
針對(duì)原有姿態(tài)控制技術(shù),提出了姿態(tài)控制裝置,裝置設(shè)計(jì)圖如圖2 所示,現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3 所示,該裝置位于前后兩節(jié)箱涵之間,主要由剪力楔、鋼套筒、鋼護(hù)套等部分組成。其中,剪力楔和鋼套筒分別埋設(shè)于后節(jié)箱涵和前節(jié)箱涵的本體內(nèi),鋼護(hù)套分別焊接于前后兩節(jié)箱涵底面及后節(jié)箱涵左右兩側(cè)邊墻。
圖2 中繼間頂進(jìn)姿態(tài)控制裝置設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design drawings of jacking attitude control device between relays
圖3 中繼間頂進(jìn)姿態(tài)控制裝置現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.3 Field photos of jacking attitude control device between relays
剪力楔由圓柱形實(shí)心鋼材制成,位于后節(jié)箱涵底部近地面處,焊接于后節(jié)箱涵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋內(nèi)。鋼套筒由圓柱形空心鋼材制成,位于前節(jié)箱涵對(duì)應(yīng)后節(jié)箱涵剪力楔位置,并焊接于前節(jié)箱涵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋內(nèi),其內(nèi)徑略大于剪力楔外徑。剪力楔和鋼套筒承擔(dān)中繼間頂進(jìn)時(shí)姿態(tài)偏移控制的主要任務(wù)。
鋼護(hù)套由底部限位鋼板及側(cè)邊限位鋼板組成。底部限位鋼板由分別焊接于前后兩節(jié)箱涵底部的前節(jié)限位鋼板和后節(jié)限位鋼板組成,且前限位鋼板搭接于后限位鋼板之上。后節(jié)箱涵提前在焊接點(diǎn)處預(yù)留小鋼板,側(cè)邊限位鋼板在后節(jié)箱涵左右側(cè)邊墻混凝土澆筑完成后,焊接在預(yù)留小鋼板上,完成側(cè)邊限位鋼板與后節(jié)箱涵的一體化。
2.1.2 裝置原理
姿態(tài)控制裝置用以保證前后兩節(jié)箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中重心的運(yùn)動(dòng)軌跡重合,使前后節(jié)箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中盡可能不產(chǎn)生偏移。剪力楔能互傳剪力,并隨時(shí)控制頂進(jìn)時(shí)箱涵的高程及方向的小偏移量,防止其產(chǎn)生較大的頂進(jìn)誤差,防止姿態(tài)偏移過(guò)大。鋼套筒防止頂進(jìn)過(guò)程中剪力楔由于承受的剪力過(guò)大破壞箱涵的結(jié)構(gòu),鋼護(hù)套在頂進(jìn)過(guò)程中不僅可以避免頂進(jìn)時(shí)的土體進(jìn)入箱涵之中,還可以和剪力楔及鋼套筒共同實(shí)現(xiàn)小位移糾偏。
2.1.3 裝置實(shí)施流程
合肥市銅陵北路下穿鐵路股道群超大框架箱涵中繼間頂進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)施工姿態(tài)控制裝置施作步驟如下所示,詳見(jiàn)圖4。
圖4 超大箱涵中繼間頂進(jìn)施工姿態(tài)控制裝置使用流程Fig.4 Processes of attitude control device for jacking construction of super-large box culvert relay room
第1 步:基坑開(kāi)挖,在基坑中施作滑板,使得滑板鋪滿基坑底部。因本工程基坑為11.6 m ~ 13.99 m,屬于深基坑,因此采用分層深度開(kāi)挖,滑板采用C20 鋼筋混凝土,厚50 cm。
第2 步:在滑板上方鋪設(shè)底部鋼護(hù)套,預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋骨架,將底部鋼護(hù)套焊接至前后節(jié)箱涵底部的受力鋼筋上。在澆筑混凝土之前,后節(jié)箱涵的底部鋼板下設(shè)有發(fā)泡膠,澆筑混凝土之后發(fā)泡膠的體積壓縮,鋼板之間形成坡度,強(qiáng)行抬坡頂進(jìn),防止推進(jìn)時(shí)后箱涵出現(xiàn)“扎頭”現(xiàn)象,坡度的計(jì)算由厚度與中繼間預(yù)留長(zhǎng)度的比值得出[8-11]。
第3 步:在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋骨架的預(yù)制過(guò)程中,將鋼套筒焊接至前節(jié)箱涵的受力鋼筋上,并將剪力楔焊接至后節(jié)箱涵的受力鋼筋上,安裝時(shí)將剪力楔的另一端伸入鋼套筒內(nèi)。
第4 步:在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋骨架的預(yù)制過(guò)程中,將小鋼板焊接在受力鋼筋上。在澆筑成型箱涵時(shí),將側(cè)邊鋼護(hù)套焊接至后節(jié)箱涵的小鋼板上,保證一端相對(duì)于后節(jié)箱涵可以自由活動(dòng),兩節(jié)箱體在橫移對(duì)位后再焊接護(hù)套鋼板,以防止鋼護(hù)套鋼板提前安裝造成對(duì)位困難。
第5 步:在箱涵頂進(jìn)過(guò)程中,頂進(jìn)姿態(tài)控制裝置發(fā)揮作用,在箱涵小位移偏移時(shí)自動(dòng)糾偏,在箱涵大位移偏移時(shí)觀測(cè)預(yù)警。
第6 步:頂進(jìn)施工完成后,將鋼護(hù)套通過(guò)特殊材料密封作為前節(jié)箱涵和后節(jié)箱涵之間拼縫的防水結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)資源二次利用。
合肥市銅陵北路下穿到達(dá)場(chǎng)鐵路股道群超大框架箱涵中繼間頂進(jìn)施工時(shí),對(duì)框架箱涵水平位移和豎直位移進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)。在前節(jié)箱涵和后節(jié)箱涵分別沿箱涵頂進(jìn)方向選取前、后2 個(gè)斷面布設(shè)水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)[12]。前后2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別位于距離箱涵前后端面3 m 處。其中,水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于箱涵斷面中心位置,豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿箱涵兩側(cè)邊墻內(nèi)側(cè)距離0.5 m 處,如圖5 所示。
圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.5 Location of detecting
箱涵豎向位移監(jiān)測(cè)按照二級(jí)中等精度水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,精度為0.1 mm,測(cè)量?jī)x器采用蘇州一光DSZ-2 及配套的銦鋼尺。水平監(jiān)測(cè)儀器按照二級(jí)中等精度水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,精度為0.1 mm,測(cè)量?jī)x器采用Leica TS30 全站儀及配套的三棱鏡。
根據(jù)《城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(CJJ2-2008),箱涵頂進(jìn)施工姿態(tài)工程中箱涵中線水平位移累計(jì)允許偏差值控制指標(biāo)為300 mm;豎向位移累計(jì)允許偏差值控制標(biāo)準(zhǔn)為+20 mm和-200 mm,相鄰兩節(jié)箱涵允許偏差為+50 mm,其中,“+”值為抬升,“-”值為下沉,如表1 所示。由于箱涵箱體過(guò)大,因此箱涵可能產(chǎn)生的水平或高程方向的位移會(huì)超過(guò)允許范圍,當(dāng)箱涵的水平或位移偏移超出允許偏差時(shí)會(huì)妨礙后續(xù)施工的進(jìn)行。
表1 箱涵頂進(jìn)全過(guò)程監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)Tab.1 Monitoring and control indexes in the whole process of box culvert jacking
3.2.1 箱涵水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析
超大框架箱涵下穿鐵路股道群中繼間頂進(jìn)過(guò)程中,前節(jié)箱涵水平位移累計(jì)值隨頂程變化時(shí)程曲線如圖6 所示。圖中,正值表示實(shí)際中軸線偏向左側(cè),負(fù)值表示實(shí)際中軸線偏向右側(cè)。由于本項(xiàng)目框架箱涵箱體過(guò)大,采用中繼間法頂進(jìn)施工。中繼間法頂進(jìn)指在前后兩節(jié)框架箱身中繼間處和后節(jié)框架箱涵與后背墻之間安設(shè)千斤頂,先利用后節(jié)箱涵作后背,通過(guò)前后兩節(jié)箱涵之間的千斤頂將前節(jié)箱涵頂進(jìn)一個(gè)頂程,再利用主壓千斤頂將后節(jié)箱涵頂進(jìn)一個(gè)頂程,再將前節(jié)箱涵頂進(jìn)一個(gè)頂程,如此循環(huán)頂進(jìn),將兩節(jié)箱涵頂進(jìn)至設(shè)計(jì)位置,完成箱涵頂進(jìn)施工。因此在分析水平及高程位移變化時(shí),前后兩節(jié)箱涵會(huì)出現(xiàn)位移差異。
圖6 前節(jié)箱涵水平位移時(shí)程曲線Fig.6 Horizontal displacement time history curves of front box culvert
由圖6 可見(jiàn),箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中,前節(jié)箱涵前口呈現(xiàn)向右側(cè)偏移的趨勢(shì)。箱涵在開(kāi)始頂進(jìn)階段,箱涵前口向右側(cè)偏移量均在45 mm 以內(nèi)。箱涵頂進(jìn)至45 m 時(shí),箱涵前口向右側(cè)偏移量呈急劇增大趨勢(shì),由于操作不當(dāng)導(dǎo)致前節(jié)箱涵左右千斤頂?shù)捻斄Σ灰恢?,裝置在頂進(jìn)過(guò)程中僅進(jìn)行了小位移的糾偏,人工發(fā)現(xiàn)過(guò)大位移后立即糾偏,箱涵回歸正軌繼續(xù)頂進(jìn)。箱涵頂進(jìn)至55 m 時(shí),箱涵前口向右側(cè)偏移量增加至最大202 mm。此后,箱涵前口向右側(cè)偏移量減小,箱涵頂進(jìn)結(jié)束時(shí),箱涵前口向右側(cè)偏移量為182 mm。箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中,前節(jié)箱涵后口呈現(xiàn)先向左側(cè)偏移,后向右側(cè)偏移的趨勢(shì)。箱涵在開(kāi)始頂進(jìn)階段,前節(jié)箱涵后口向左側(cè)偏移量迅速增加。箱涵頂進(jìn)10 m 時(shí),箱涵后口向左側(cè)偏移量已增加至61 mm。此后,箱涵后口向左側(cè)偏移量呈減小趨勢(shì)。箱涵頂進(jìn)至48 m 時(shí),箱涵后口水平位移偏移量幾乎為0。此后,隨著箱涵頂進(jìn)的繼續(xù),箱涵后口呈現(xiàn)往右側(cè)偏移的迅速增加的趨勢(shì)。箱涵頂進(jìn)至55 m 時(shí),箱涵后口向右側(cè)偏移量達(dá)76 mm。箱涵頂進(jìn)至60 m 時(shí),箱涵后口向右側(cè)偏移量達(dá)120 mm。箱涵頂進(jìn)至63m 時(shí),箱涵后口向右側(cè)偏移量達(dá)140 mm,后趨于穩(wěn)定,箱涵頂進(jìn)的偏移量均在允許范圍內(nèi)。
超大框架箱涵下穿鐵路股道群中繼間頂進(jìn)過(guò)程中,后節(jié)箱涵水平位移累計(jì)值隨頂程變化的時(shí)程曲線如圖7 所示。
圖7 后節(jié)箱涵水平位移時(shí)程曲線Fig.7 Horizontal displacement time history curves of rear box culvert
由圖7 可見(jiàn),箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中,后節(jié)箱涵前口呈現(xiàn)向先右側(cè)偏移后向左側(cè)偏移的趨勢(shì)。箱涵在開(kāi)始頂進(jìn)階段,箱涵前口向右側(cè)偏移量均在50 mm 以內(nèi)。箱涵頂進(jìn)至24 m 時(shí),箱涵前口向右側(cè)偏移量呈急劇增大的整體變化趨勢(shì)。由于后節(jié)箱涵水平偏移量過(guò)大,裝置出現(xiàn)彎曲的可能,達(dá)到預(yù)警條件,人工發(fā)現(xiàn)后立即糾偏,因此箱涵偏移量發(fā)生較大變化,回歸正軌后繼續(xù)頂進(jìn)。箱涵頂進(jìn)至40 m 時(shí),箱涵前口向右側(cè)偏移量增加至152 mm,接著略微減小。箱涵頂進(jìn)至55 m 時(shí),箱涵前口突然向左側(cè)偏移,偏移量為13 mm,此后隨著箱涵的繼續(xù)頂進(jìn)而呈增加趨勢(shì),直至箱涵頂進(jìn)完成,最大偏移量為108 mm,均在可靠范圍內(nèi)。箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中,后節(jié)箱涵后口呈現(xiàn)往左側(cè)偏移的趨勢(shì)。箱涵在開(kāi)始頂進(jìn)階段,箱涵前口向右側(cè)偏移量均在50 mm以內(nèi)。箱涵頂進(jìn)至35 m 時(shí),箱涵前口向右側(cè)偏移量呈急劇增大的整體變化趨勢(shì)。箱涵頂進(jìn)至54 m時(shí),箱涵前口向右側(cè)偏移量增加至151 mm。此后,箱涵前口向右側(cè)偏移量略微減小,直至箱涵頂進(jìn)完成。
3.2.2 箱涵豎向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析
超大框架箱涵下穿鐵路股道群中繼間頂進(jìn)過(guò)程中,前節(jié)箱涵豎向位移累計(jì)值隨頂程變化時(shí)程曲線如圖8 所示,圖中,正值表示抬升,負(fù)值表示下沉。
圖8 前節(jié)箱涵豎向位移時(shí)程曲線Fig.8 Vertical displacement time history curves of front box culvert
由圖8 可見(jiàn),箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中,前節(jié)箱涵前口均處于下沉狀態(tài),且沉降量呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。前左最大沉降量為124 mm,前右最大沉降量為181 mm,均處于可靠范圍內(nèi)。箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中,前節(jié)箱涵后口整體處于先抬升,后下沉,最后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。箱涵在開(kāi)始頂進(jìn)階段,箱涵后左不斷抬升,抬升量均在20 mm 左右。箱涵頂進(jìn)至35 m 時(shí),箱涵后左下沉,下沉量為1 mm。箱涵頂進(jìn)至47 m 時(shí),箱涵后左急劇下沉,下沉量為118 mm。由于前節(jié)箱涵頂進(jìn)時(shí)進(jìn)入軟土底層導(dǎo)致箱涵下沉量增大。箱涵頂進(jìn)至50 m 時(shí),箱涵后左下沉量為96 mm。此后,箱涵后左下沉量趨于平穩(wěn),直至箱涵頂進(jìn)完成。箱涵在開(kāi)始頂進(jìn)階段,箱涵后右豎向位移較小,且整體呈波動(dòng)狀,最大抬升量為14 mm,最大下沉量為12 mm。箱涵頂進(jìn)至29 m時(shí),箱涵后右下沉呈不斷增加的趨勢(shì),下沉量為18 mm。箱涵頂進(jìn)至46 m 時(shí),下沉量為77 mm。此后,箱涵后左急劇下沉,箱涵頂進(jìn)至47 m 時(shí),下沉量為175 mm。此后,箱涵后左下沉量趨于平穩(wěn),直至箱涵頂進(jìn)完成。
超大框架箱涵下穿鐵路股道群中繼間頂進(jìn)過(guò)程中,后節(jié)箱涵豎向位移累計(jì)值隨頂程變化時(shí)程曲線如圖9 所示,圖中,正值表示抬升,負(fù)值表示下沉。
圖9 后節(jié)箱涵豎向位移時(shí)程曲線Fig.9 Vertical displacement time history curves of rear box culvert
由圖9 可見(jiàn),箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中,后節(jié)箱涵前口整體處于先逐漸抬升,后急劇下沉,最后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。箱涵在開(kāi)始頂進(jìn)階段,箱涵前左豎向位移較小,且整體呈波動(dòng)狀,最大抬升量為16 mm,最大下沉量為15 mm。箱涵頂進(jìn)至49 m 時(shí),箱涵后左急劇下沉,下沉量為112 mm。這是由于后節(jié)箱涵頂進(jìn)時(shí)進(jìn)入軟土底層導(dǎo)致箱涵下沉量增大。此后,箱涵后左下沉量趨于平穩(wěn),直至箱涵頂進(jìn)完成。箱涵在開(kāi)始頂進(jìn)階段,箱涵前右豎向位移較小,且整體呈波動(dòng)狀,最大抬升量為30 mm,最大下沉量為-12 mm。箱涵頂進(jìn)至49 m 時(shí),箱涵后左急劇下沉,下沉量為-140 mm。此后,箱涵后左下沉量趨于平穩(wěn),直至箱涵頂進(jìn)完成。箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中,后節(jié)箱涵后口均處于下沉狀態(tài),且沉降量呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的整體變化趨勢(shì)。后左最大沉降量為124 mm,后右最大沉降量為181 mm,均處于可靠范圍內(nèi)。
本文結(jié)合合肥市銅陵北路下穿鐵路股道群超大框架箱涵中繼間頂進(jìn)施工工程實(shí)例,深入分析其施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及工程實(shí)施效果,詳細(xì)闡述了超大框架箱涵中繼間頂進(jìn)姿態(tài)控制施工關(guān)鍵技術(shù)的作業(yè)流程。結(jié)果表明,箱涵頂進(jìn)全過(guò)程,除了由于外在因素導(dǎo)致的較大偏移,其水平位移和豎向位移均在可靠范圍內(nèi)。該技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)超大框架箱涵中繼間頂進(jìn)過(guò)程中小偏移量的姿態(tài)控制及時(shí)預(yù)警與自動(dòng)糾偏。研究成果為超大框架箱涵工程頂進(jìn)姿態(tài)控制提供了案例支持。