頂進框架橋沉井后背墻設(shè)計與施工

龔宏華

(南鐵天河建設(shè)股份有限公司，南昌330002)

在框架橋頂進時，需要通過后背墻來提供千斤頂反力。后背墻的作用是至關(guān)重要的，如果后背墻制作不合理，很容易導(dǎo)致后背墻被頂翻，不僅造成不必要的經(jīng)濟損失，而且影響施工的進度。常用的后背墻形式:漿砌片石、鋼軌防護樁、人工挖孔樁、鋼筋混凝土墻等形式。本文結(jié)合洪都大橋濱江路BB匝道下穿京九鐵路框架橋工程，對其后背墻的設(shè)計與施工進行介紹。

1 工程簡介

南昌市洪都大橋濱江路BB匝道下穿京九鐵路框架橋工程，其車行道于京九下行線K1 438+982處下穿鐵路，并與京九下行線成82.37°相交，主框13 m×7.9 m，副框7.5 m×7.9 m，兩框架橋并排布置，邊墻設(shè)置5 cm沉降縫。兩框架正長均為27.03橫延米，均分為兩節(jié)，其中一節(jié)為14 m，另一節(jié)長為13 m。地質(zhì)土層為填筑土，以砂性土為主，地下水位在地面以下6.5 m。本工程后背墻位置在原地面以下3.5 m處，外側(cè)是一條既有公路，后背墻施工場地有限。

2 框架橋后背墻制作方案比選

框架橋后背墻的制作方案需要根據(jù)現(xiàn)場地形、地貌情況及地質(zhì)條件來確定。本工程擬定三種制作方案:①鋼筋混凝土后背墻;②鋼軌防護樁+片石做后背墻;③沉井后背墻。表1對三種制作方法進行了技術(shù)、經(jīng)濟比較，從表1可以看出，在本工程中采用沉井做頂進后背為最優(yōu)方案。

表1 后背墻制作方案比選

3 沉井后背墻穩(wěn)定性檢算

沉井后背墻的結(jié)構(gòu)尺寸需要根據(jù)地質(zhì)條件和框架橋的最大頂力來確定，還需要對其進行穩(wěn)定性檢算。本文中采用有限元軟件(FLAC3D)對后背墻進行數(shù)值模擬，初步擬定沉井后背墻尺寸(長×寬×高)為25 m×1.5 m×4.2 m，其中埋入土體以下的深度為2.7 m。

3.1 建立模型

整個模型尺寸:25 m×21.5 m×9.3 m。其中沉井后背墻的尺寸為25 m×1.5 m×4.2 m，分配梁的尺寸為25 m×0.5 m×0.5 m。整個模型劃分為52 600個六面體單元，共計57 528個節(jié)點(如圖1所示)。

3.2 材料物理力學(xué)參數(shù)(表2)

沉井后背及分配梁采用 C30混凝土，主筋采用HRB335鋼 φ25@200。

圖1 沉井后背墻模型

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

3.3 本構(gòu)模型

計算中采用不同的本構(gòu)模型模擬不同的材料，對砂土采用摩爾—庫倫模型(Mohr－Coulomb model)，沉井后背及分配梁是鋼筋混凝土材料，采用彈性模型(Elastic model)。

3.4 施加荷載(頂力)

由于在實際頂進過程中，頂力是逐漸增大的，即框架橋還在工作底板上時，頂力比較小，當(dāng)框架橋完全脫離工作底板后，頂力達到最大。在數(shù)值模擬過程中，采用分級加載的辦法來模擬頂力逐漸增大的過程。

經(jīng)計算作用于后背墻上的最大頂力為15 000 kN，每邊布置4個200 t油頂，按每個油頂截面尺寸0.5 m×0.5 m，則每邊的作用面積為2.5 m×0.5 m，故作用在分配梁上最大應(yīng)力σxx為6 MPa(如圖2所示)。

圖2 沉井后背墻所受的最大頂力分布

分級加載順序:0→20%σxx(1.2 MPa)→50%σxx(3.0 MPa)→80%σxx(4.8 MPa)→100%σxx(6 MPa)。

3.5 計算結(jié)果

在油頂作用范圍內(nèi)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達5.8 MPa，在1#部位后背墻位移變化較大，最大位移達到2.2 cm。主要是因為1#部位接近后背墻的端頭，后背墻受力相當(dāng)于懸臂受力，所以變形最大。在2#部位位移變形相對要小很多，因為2#部位處在整個沉井后背的中部，相當(dāng)于作用在彈性地基梁上，應(yīng)力可以得到很大范圍的擴散。

為了更好的監(jiān)測后背墻位移變化，設(shè)置了3個監(jiān)測點(圖2)，在后背墻的不同部位:1#點布置在后背墻端部位置，2#點布置在后背墻中部，3#點布置在后背墻尾部。圖3顯示3個監(jiān)控點位移變化曲線。

圖3 沉井后背墻三個監(jiān)控點位移變化曲線

從圖3可以看到，1#點的位移變化最大，達到1.9 cm;3#點位移變化最小，只有1.6 cm。主要原因是1#點處于后背墻的端部，正好在油頂受力范圍內(nèi)，故位移變形較大，而3#點距離油頂作用范圍較遠，所以位移變化較小。

根據(jù)分析結(jié)果，后背墻的配筋在油頂受力部位應(yīng)加強配筋，在跨中部位縱向受拉筋應(yīng)加強布置，此部位彎矩最大，混凝土容易拉裂。

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，沉井后背墻的結(jié)構(gòu)尺寸可以滿足施工要求，后背墻的應(yīng)力及變形均在控制范圍之內(nèi)。

4 沉井后背墻施工工藝

4.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→測量放樣→分段預(yù)制沉井(4段)→安裝鐵板→沉井下沉→施工第二節(jié)沉井(每段二節(jié))→灌筑片石混凝土→第二節(jié)沉井下沉……→分配梁施工→沉井后背墻制作完成。

4.2 沉井后背墻施工要點

1)預(yù)制沉井及沉井下沉。由于框架橋順鐵路方向全長為24 m，則后背墻的長度制作25 m。為了施工方便，避免不均勻沉降導(dǎo)致沉井開裂，故沉井分4段預(yù)制，每段沉井長6.0 m，高2.7 m。在兩節(jié)沉井之間還有30 cm空隙，采用安裝鐵板掛在其中一節(jié)沉井邊緣，隨沉井一起下沉，目的用于擋土，即為防止兩邊的砂土溜進空隙里面。人工在沉井里面挖土，采用卷揚機取土，如圖4所示。

圖4 沉井后背墻挖土下沉

2)沉井到位以后，再接起第二節(jié)沉井(25.0 m×1.5 m×1.5 m)，在沉井之間的空隙布上鋼筋網(wǎng)，并且把預(yù)留的鋼筋頭全部連接。

在沉井里面及兩節(jié)沉井之間的空隙全部灌滿混凝土，使4節(jié)沉井連成整體。并在油頂受力部位制作一條分配梁(25.0 m×0.5 m×0.5 m)，如圖5所示。

圖5 后背墻及頂進設(shè)備示意(單位:m)

5 沉井后背墻施工監(jiān)控

為了更好地實時監(jiān)控后背墻在頂進過程中的變形情況，在后背墻頂部設(shè)置3個監(jiān)測點，在頂進過程中監(jiān)控后背墻的變形情況。監(jiān)控點分別設(shè)置在油頂受力部位及跨中部位，最大監(jiān)測點變形曲線如圖6所示。

從變形監(jiān)測點曲線變化情況可以看出，后背墻最大變形量為2.0 cm，此時框架橋完全脫離工作底板，受到的頂力最大。在框架橋頂進過程中，每頂進15～20 m，則需要打混凝土傳力柱，要耽擱3～5 d，然后再繼續(xù)頂進。由于混凝土傳力柱用鋼筋連到工作底板，并在混凝土傳力柱上面堆土，起到反壓作用，可以抵抗部分頂力，這樣后背墻的變形可以得到一定的抑制。通過對后背墻變形的監(jiān)測，可以反饋到實際施工中，如果變形速率太大，可以采用增加一個中繼后背來抵抗頂力;如果后背墻的變形過大而沒有引起足夠的重視，勢必會導(dǎo)致后背墻被頂翻，造成不必要的經(jīng)濟損失。

圖6 沉井后背墻變形—時間關(guān)系

實測結(jié)果跟數(shù)值模擬結(jié)果比較吻合，都是在后背墻的端部變形最大，但是數(shù)值模擬的結(jié)果較實測的要大，主要是因為數(shù)值模擬過程中沒有考慮隨著頂程的增加，頂鐵與地面的摩擦力可以抵消一部分頂力。

6 結(jié)論與建議

1)框架橋后背墻需要根據(jù)實際情況及場地的地質(zhì)條件，來確定最優(yōu)的后背墻制作方案。

2)沉井后背墻的穩(wěn)定性直接影響到框架橋頂進的進度，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸及配筋，使其既經(jīng)濟又可以滿足施工需要。對于大跨度框架橋的后背墻配筋不僅要考慮豎向主筋的受力，而且還要考慮縱向主筋的受力，在中部所受彎矩最大，縱向主筋需要加強布置。

3)在框架橋頂進過程中，隨時監(jiān)控后背墻的變形情況，如果變形過大，可以采用澆筑混凝土傳力柱，并在上面堆土進行反壓，以免爆頂。如果頂程太長，可以考慮制作一個中繼后背，分擔(dān)主后背墻的頂力。

4)在砂性土中，地下水不豐富時，采用沉井后背墻作為頂進框架橋的后背，切實可行;同時從施工角度看，不受場地限制，而且施工方便。對相關(guān)工程有一定借鑒作用。

［1］馮生華，張孚珩.城市地道頂入法施工［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1982.

［2］郭鳳娟.頂進箱涵中后背設(shè)計［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2003(2):35－36.

［3］梁紅燕.頂進式下穿鐵路框架橋設(shè)計［J］.鐵道建筑，2009(6):25－27.