管棚保護(hù)下框架橋頂進(jìn)工程高程控制分析

李庶林,李 凱,黃玉仁,2,陳東霞,張 昱

(1.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,福建廈門361005;2.中鐵二十四局福州公司,福建福州350013)

大直徑、大長度管棚保護(hù)下直接頂進(jìn)預(yù)制箱涵技術(shù)是近年來國內(nèi)發(fā)展起來的一種全新的施工技術(shù),主要應(yīng)用在下穿地表有重要建構(gòu)筑物的條件中,如下穿鐵路、高速公路等這樣一些要求嚴(yán)格限制沉降量的環(huán)境．該技術(shù)在理論分析與計(jì)算方面發(fā)展不完善;在工程施工方面難度大、技術(shù)要求高．由于該技術(shù)在國內(nèi)尚屬施工新工藝新技術(shù),成功應(yīng)用的案例不多,可借鑒的經(jīng)驗(yàn)少．中鐵二十四局福州鐵路建設(shè)有限公司于2008年在廈門市杏林大橋主體工程C標(biāo)段下穿鐵路部分隧道采用299 mm管棚超前支護(hù)、淺埋暗挖法成功施工,鄭州市文化路下穿連霍高速公路立交橋[1]、新干縣善政三路下穿京九線鐵路[2]、霍爾果斯鐵路口岸站頂進(jìn)橋下穿精伊霍鐵路[3]等工程也均采用該技術(shù)取得了良好工程效果．

盡管該技術(shù)在國內(nèi)已有部分應(yīng)用,但是關(guān)于管棚保護(hù)下框架橋頂進(jìn)技術(shù)的理論研究仍不成熟．夏才初等[4]采用數(shù)值模擬的方法分析了框架橋頂進(jìn)工程地表變形情況,結(jié)果表明管棚預(yù)支護(hù)能夠有效減小地表變形．李向陽[5]采用Winkler彈性地基梁模型對(duì)管棚力學(xué)作用機(jī)理進(jìn)行分析,指出管棚預(yù)支護(hù)具有超載和卸載作用,并在實(shí)際工程中加以驗(yàn)證．賈金青等[6]基于Pasternak彈性地基梁理論對(duì)Winkler彈性地基梁進(jìn)行了改進(jìn),并指出Pasternak模型較Winkler模型擬合更好．

本文中以南昌市新龍崗大道下穿向莆鐵路工程為背景,針對(duì)框架橋推進(jìn)過程中 “抬頭”現(xiàn)象開展必要的理論分析,以期能夠在工程施工中指導(dǎo)施工,防止或遏制框架橋“抬頭”現(xiàn)象,確保施工安全．

1 工程背景

1.1 工程概況

南昌市新龍崗大道下穿向莆鐵路工程位于南昌市西客站出站端咽喉區(qū),是連接南昌西客站南北走向的重要通道．其平面布置情況如圖1所示．

圖1 框架平面布置 Fig.1Frame floorplan

本工程采用管棚保護(hù)下框架橋頂進(jìn)技術(shù),框架橋及混凝土預(yù)制箱涵構(gòu)件,在框架橋四周施打鋼管形成管棚加固土體,限制路基沉降．下穿框架橋的孔跨設(shè)置為(9+2×12.5+9) m,沿鐵路線路方向長度為50.6 m,軸向長度為104.9 m．框架橋采用兩個(gè)并列連續(xù)框架結(jié)構(gòu),每個(gè)框架全寬24.8 m,全高9.11 m,頂板厚1.0 m,底板厚1.1 m,中邊墻厚1.0 m．采用橋式盾構(gòu)開挖,管棚超前支護(hù)施工,箱身平置,軌底至箱頂距離3.35 m．下穿框架橋頂進(jìn)的示意圖如2所示．

1.2 工程地質(zhì)

本工程的土質(zhì)主要為人工棄填土、粉質(zhì)黏土和泥質(zhì)砂巖,框架橋底位于泥質(zhì)砂巖強(qiáng)分化層上,地基承載力為300 kPa．本段地表水不發(fā)育,地下水化學(xué)侵蝕類別為H1,地面以上碳化環(huán)境類別為T2,地下水水位較低(低于工作坑底面),對(duì)頂進(jìn)基底土質(zhì)不會(huì)造成不良影響．

圖2 框架橋頂進(jìn)示意圖 Fig.2The illustration of frame jacking

1.3 管棚預(yù)支護(hù)

頂進(jìn)前預(yù)先在框架橋頂面、兩側(cè)施打管棚,并在兩端及中間設(shè)置系梁將頂面管棚連接成整體．頂面管棚采用Φ299 mm×10 mm無縫鋼管,布置間距0.5 m,打設(shè)長度110 m,底面距離框架橋頂板按20 cm控制,M30水泥漿填充．左右幅框架橋兩側(cè)各采用4根Φ970 mm×14 mm無縫鋼管支護(hù),側(cè)面距離框架橋側(cè)板按15 cm控制,M30水泥漿填充．為控制框架橋頂進(jìn)方向,框架橋底部采用Φ970 mm×14 mm無縫鋼管打設(shè)8根導(dǎo)軌,打設(shè)長度為115 m,C20混凝土填充．管棚的具體布置如圖3所示．

2 高程姿態(tài)理論分析

框架橋在頂進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生“栽頭”和“抬頭”現(xiàn)象,底部管棚具有導(dǎo)向作用,當(dāng)框架橋進(jìn)入管棚內(nèi)部時(shí),由于管棚作用,只要底排管棚不產(chǎn)生沉降,框架橋“栽頭”的可能性比較小．因此,主要是計(jì)算和控制框架橋頂進(jìn)過程中“抬頭”現(xiàn)象的發(fā)生,尤其是第一節(jié)框架橋隨著橋式盾構(gòu)頂進(jìn)時(shí)容易發(fā)生“抬頭”現(xiàn)象．

2.1 計(jì)算假定:

在頂進(jìn)過程中,如果豎向偏差過大,會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)切割管棚而使管棚喪失支護(hù)作用,因此橋式盾構(gòu)、框架橋、管棚的相互作用是控制豎向偏差的關(guān)鍵．根據(jù)需要做計(jì)算假定如下:1) 假定底排管棚為Winkler彈性地基上的彈性地基梁．2) 假定底排管棚受到的框架橋壓力為線性分布．

盡管框架橋頂進(jìn)過程中施工影響因素較多,所受的力隨頂進(jìn)狀態(tài)改變而改變,難以準(zhǔn)確分析．同時(shí)采用的Winkler彈性地基模型,忽略了地基的連續(xù)性,而將地基視為無窮多個(gè)獨(dú)立工作的彈簧系統(tǒng),計(jì)算的誤差會(huì)比較大．因此采用理論分析方法能夠反映和解釋實(shí)際施工中的現(xiàn)象.

2.2 計(jì)算模型

1) 框架橋受力分析

以右幅第一節(jié)框架橋頂進(jìn)結(jié)束為例,為簡化分析,忽略框架橋頂板與管棚底部夾心土加固的影響．千斤頂布置在框架橋底板處．沿著頂進(jìn)方向(與鐵路線正交的方向),框架橋的受力分析見圖4．

圖3 管棚布置 Fig.3The layout of tube shed

圖4 框架橋受力分析計(jì)算模型 Fig.4Boxing force analysis and calculation model

框架橋和盾構(gòu)頂部所受總壓力為G0,框架橋自重為G1,橋式盾構(gòu)自重為G2,千斤頂推力為T,盾構(gòu)鋼刃角正面阻力為R,鋼刃角正面積為A,則迎面阻力為RA．頂板摩阻力為Fu,兩側(cè)摩阻力為Fc,底板摩阻力為Fd,底板所受管棚的兩側(cè)反力分別為p1和p2．設(shè)框架橋?qū)挒長,長為l1,橋式盾構(gòu)頂板長度與底板長度相差較小,為簡化計(jì)算,令盾構(gòu)頂板長度與底板長度等長,取底板長為l2,框架橋與盾構(gòu)底板總長l,框架橋與盾構(gòu)兩端所受的接觸壓力分別為p1和p2,d為底板厚度，假設(shè)為線性分布．根據(jù)受力平衡條件,可得:

豎直方向受力平衡:

(1)

C點(diǎn)力矩平衡:

(2)

求解方程組(1)、(2)可得:

(3)

管棚和框架橋之間只有拉應(yīng)力,沒有壓應(yīng)力,若計(jì)算得p2<0,則取p2=0．

2) 管棚受力分析

根據(jù)作用力與反作用力,管棚與框架橋接觸部分所受的接觸壓力也分別為p1和p2,因此管棚所受的外力即為接觸壓力扣除管棚在該深度處自重應(yīng)力的部分,記為pz．如圖5所示,鋼管為半無限長梁,受局部荷載作用,左端簡支．

圖5 管棚的彈性地基梁計(jì)算模型 Fig.5Calculation model of elastic foundation beam

圖5中取分布力向下為正,位移向上為正,土體基床系數(shù)為k,其撓曲微分方程式[7]為

(4)

其中

(5)

該微分方程的邊界條件有

(6)

考慮x≤l的情況,可解得梁的撓度曲線方程為

(7)

式中:

B1=0.5e-αlcos(αl),

B2=0.5e-αl(sin(αl)-cos(αl)),

B3=-0.5e-αlsin(αl),

B4=0.5e-αl(sin(αl)+cos(αl))；

φ2=cosh(αx)sin(αx)+sinh(αx)cos(αx),

φ4=cosh(αx)sin(αx)-sinh(αx)cos(αx)；

ψ5=1-cosh(αx)cos(αx),ψ6=2αx-φ2；

當(dāng)x=l時(shí),即可求得頂進(jìn)結(jié)束時(shí)刻鋼管變形．若y<0說明框架橋“栽頭”,若y>0說明框架橋“抬頭”．

2.3 計(jì)算實(shí)例

以南昌市新龍崗大道下穿向莆鐵路工程為例,本工程底部采用Φ970 mm×14 mm管棚,混凝土注漿,鋼材彈性模量E1=210 GPa,砂漿彈性模量E2=25 GPa,根據(jù)鋼管混凝土計(jì)算公式

(8)

可得鋼管混凝土彈性模量E=162 GPa,I=0.043 46 mm4,土體基床系數(shù)取k=5 000 kN/m3,b=0.97 m,可得α=0.115,框架橋上覆土高度3.35 m,土容重取18.6 kN/m3,第一節(jié)框架橋頂進(jìn)長度為14 m,重28 217.28 kN,盾構(gòu)底板長度為8.23 m,重2 100 kN,框架橋頂面與頂上荷載摩擦系數(shù)取0.3,框架橋底板與地基土的摩擦系數(shù)取0.8,側(cè)面摩擦系數(shù)取0.7,鋼刃角正面阻力取500 kPa,鋼刃角正面積為4.5 m2,由此可得撓度方程為:

y=8.561×103φ2+3.176×10-3φ4+

當(dāng)x=22.23 m時(shí),B點(diǎn)變形yB=3.96 mm,說明第一節(jié)框架橋頂進(jìn)結(jié)束時(shí)框架橋抬頭,需要控制盾構(gòu)使框架橋水平．

3 高程姿態(tài)控制討論

3.1 高程姿態(tài)影響因素分析

1) 推進(jìn)長度

隨著推進(jìn)長度的增加,由式(3)作出接觸壓力隨著推進(jìn)長度的變化圖,如圖6所示．

圖6 接觸壓力隨推進(jìn)長度的變化趨勢 Fig.6The contact pressure varies with the advancing length

由圖6可知,隨著推進(jìn)長度增加,p1和p2之間的差值趨于穩(wěn)定,即接觸壓力趨于常數(shù),接近框架橋自重與上覆土重之和．在該壓力下,框架橋頂進(jìn)接近水平．因而,推進(jìn)長度的增加能逐步遏制框架橋“抬頭”現(xiàn)象．

2) 框架橋“接頭”

本工程框架橋頂進(jìn)過程中,采用剛性“接頭”,即在中繼間框架外壁接縫四周設(shè)置鋼護(hù)套．采用剛性接頭,等同于推進(jìn)長度增加,分析結(jié)果同(i)推進(jìn)長度的影響,能夠有效遏制框架橋“抬頭”現(xiàn)象．

除了以上兩個(gè)因素以外,影響框架橋高程控制的還有管棚剛度及地基剛度等,由式(7),管棚剛度增加能使鋼管變形減小,從而使框架橋上抬量或下傾量減?。蚕禂?shù)k增大,地基的變形量減小,框架橋的上抬量或下傾量相應(yīng)減?。?/p>

3.2 高程姿態(tài)控制措施

1) 箱涵頂部夾心土注漿．開挖過程中框架橋的自重會(huì)小于被其置換的同體積的土體自重,底排管棚會(huì)因?yàn)閼?yīng)力減小而產(chǎn)生一定量上抬．而要遏制框架橋“抬頭”,需適當(dāng)增加框架橋頂部壓力,增大底排管棚的壓應(yīng)力,遏制變形．

2) 及時(shí)校對(duì)高程軸線方向,做到勤觀察勤糾偏．頂進(jìn)過程中采取階梯狀挖土方法、調(diào)整挖土順序等及時(shí)糾偏,避免壓力差過大導(dǎo)致支架變形或破壞．

3) 注意橋式盾構(gòu)各墩柱內(nèi)部土體開挖同步性．盾構(gòu)開挖時(shí),在角部發(fā)生卡機(jī)現(xiàn)象容易引發(fā)內(nèi)部桿件失穩(wěn),需要保證內(nèi)部土體開挖同步性,并及時(shí)觀察局部孤石及管棚侵限現(xiàn)象．

4) 做好路基監(jiān)測．開挖過程中中間土體的脫空容易引起鐵路局部變形過大,需勤觀測勤報(bào)告,同時(shí)避免列車通行時(shí)挖土施工及頂進(jìn)．

4 結(jié) 論

本文的理論分析表明:

1) 底排管棚的支撐和引導(dǎo)作用有助于框架橋推進(jìn),并能有效遏制框架橋“栽頭”和“抬頭”現(xiàn)象．框架橋推進(jìn)過程中,“抬頭”現(xiàn)象控制尤為重要,隨著框架橋頂進(jìn)長度增加,能逐漸遏制框架橋“抬頭”現(xiàn)象．

2) 增加底排管棚剛度、框架橋頂部前方增加注漿壓力、每節(jié)框架橋之間采用剛性連接均能有效遏制框架橋推進(jìn)過程中地基的沉降量與隆起量．

3) 在推進(jìn)過程中需要特別注意橋式盾構(gòu)內(nèi)部桿件發(fā)生破壞、變形,在推進(jìn)中及時(shí)觀察、及時(shí)糾偏,保持橋式盾構(gòu)墩柱內(nèi)部土體開挖的同步性,在框架橋推進(jìn)過程中至關(guān)重要．

4) 本文中采用的理論分析方法能夠反應(yīng)和解釋實(shí)際施工中的現(xiàn)象,對(duì)實(shí)際施工有所指導(dǎo).

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