超大框架箱涵中繼間頂進姿態(tài)控制施工關鍵技術研究

顧徐兵，王俊淇，張自光，尤雪蘋

（1.南京上鐵地方鐵路開發(fā)有限公司，江蘇 南京 210003；2.江蘇雷威建設工程有限公司，江蘇 南京 210003；3.建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽建筑大學，安徽 合肥 230601）

隨著我國經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平不斷提高，全面貫通城市鐵路兩側交通，實現(xiàn)城市鐵路兩側協(xié)調發(fā)展已成為大勢所趨。因具有施工速度快、環(huán)境影響小、工程造價低等諸多優(yōu)勢，采用框架箱涵長距離下穿鐵路股道群中繼間頂進成為貫通鐵路兩側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順利施工的關鍵技術難題之一。目前關于框架箱涵姿態(tài)控制主要分為兩種，一種是改變千斤頂?shù)捻斄崿F(xiàn)控制，一種是改變兩邊的土方量實現(xiàn)控制。劉石長［1］、李少波［2］等針對改變頂力進行糾偏說明，發(fā)現(xiàn)使用千斤頂主要是通過頂力調整頂進姿態(tài)，當箱涵發(fā)生偏移時需及時停止，通過改變兩邊千斤頂?shù)捻斄m偏，隨時觀察，即偏即糾，這種方法的主要問題在于頂進過程中需要時刻監(jiān)測、隨時停止，耗費人力，耽誤進程。田家琳等［3］與趙風嶺等［4］針對剪力楔進行糾偏說明，通過在箱涵內預埋剪力楔控制中繼間頂進方向，但是發(fā)現(xiàn)在頂進時，箱涵的自重過大會造成頂力過大，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姿態(tài)控制，并結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姿態(tài)控制或大斷面箱涵常規(guī)頂進姿態(tài)控制領域，針對超大框架箱涵中繼間長距離頂進姿態(tài)控制鮮有報道?；诖?，本文針對超大框架箱涵中繼間法頂進姿態(tài)控制技術難題，研究了超大框架箱涵中繼間頂進姿態(tài)控制施工關鍵技術，并說明其使用方法。同時，結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施工工程實例，展示了該關鍵技術在工程實際應用的可靠性。研究成果為超大框架箱涵工程頂進姿態(tài)控制提供了一種關鍵技術和案例支持。

1 工程概況

合肥市銅陵北路為新建道路，全長4 752.436 m，設計時速60 km/h，規(guī)劃紅線45 m，是該區(qū)域內的一條交通性城市主干道。該項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時正常運行，通過開挖人工挖孔樁、架設便梁，將鐵路股道群架設起來，在箱涵頂進過程中土體承受的力則轉移到挖孔樁上［5-7］。該項目KO+577.685～ K1+049.80 里程段72.8 m 采用中繼間頂進施工，其中前節(jié)箱涵長度32.8 m，后節(jié)箱涵長度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，側墻厚1.1 m。6.0 m 框架頂板厚0.6 m，底板厚0.7 m，側墻厚0.7 m。箱涵頂進順序為：2#→1#→4#→3#，如圖1 所示。

圖1 框架橫斷面圖Fig.1 Frame cross-sectional view

2 超大框架箱涵中繼間頂進姿態(tài)控制施工關鍵技術及措施

2.1 中繼間設置

2.1.1 裝置構成

針對原有姿態(tài)控制技術，提出了姿態(tài)控制裝置，裝置設計圖如圖2 所示，現(xiàn)場照片如圖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、鋼護套等部分組成。其中，剪力楔和鋼套筒分別埋設于后節(jié)箱涵和前節(jié)箱涵的本體內，鋼護套分別焊接于前后兩節(jié)箱涵底面及后節(jié)箱涵左右兩側邊墻。

圖2 中繼間頂進姿態(tài)控制裝置設計圖Fig.2 Design drawings of jacking attitude control device between relays

圖3 中繼間頂進姿態(tài)控制裝置現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3 Field photos of jacking attitude control device between relays

剪力楔由圓柱形實心鋼材制成，位于后節(jié)箱涵底部近地面處，焊接于后節(jié)箱涵鋼筋混凝土結構的受力鋼筋內。鋼套筒由圓柱形空心鋼材制成，位于前節(jié)箱涵對應后節(jié)箱涵剪力楔位置，并焊接于前節(jié)箱涵鋼筋混凝土結構的受力鋼筋內，其內徑略大于剪力楔外徑。剪力楔和鋼套筒承擔中繼間頂進時姿態(tài)偏移控制的主要任務。

鋼護套由底部限位鋼板及側邊限位鋼板組成。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)箱涵提前在焊接點處預留小鋼板，側邊限位鋼板在后節(jié)箱涵左右側邊墻混凝土澆筑完成后，焊接在預留小鋼板上，完成側邊限位鋼板與后節(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)箱涵在頂進過程中重心的運動軌跡重合，使前后節(jié)箱涵在頂進過程中盡可能不產(chǎn)生偏移。剪力楔能互傳剪力，并隨時控制頂進時箱涵的高程及方向的小偏移量，防止其產(chǎn)生較大的頂進誤差，防止姿態(tài)偏移過大。鋼套筒防止頂進過程中剪力楔由于承受的剪力過大破壞箱涵的結構，鋼護套在頂進過程中不僅可以避免頂進時的土體進入箱涵之中，還可以和剪力楔及鋼套筒共同實現(xiàn)小位移糾偏。

2.1.3 裝置實施流程

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現(xiàn)場施工姿態(tài)控制裝置施作步驟如下所示，詳見圖4。

圖4 超大箱涵中繼間頂進施工姿態(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挖，滑板采用C20 鋼筋混凝土，厚50 cm。

第2 步：在滑板上方鋪設底部鋼護套，預制鋼筋混凝土結構的受力鋼筋骨架，將底部鋼護套焊接至前后節(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，強行抬坡頂進，防止推進時后箱涵出現(xiàn)“扎頭”現(xiàn)象，坡度的計算由厚度與中繼間預留長度的比值得出［8-11］。

第3 步：在鋼筋混凝土結構的受力鋼筋骨架的預制過程中，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，安裝時將剪力楔的另一端伸入鋼套筒內。

第4 步：在鋼筋混凝土結構的受力鋼筋骨架的預制過程中，將小鋼板焊接在受力鋼筋上。在澆筑成型箱涵時，將側邊鋼護套焊接至后節(jié)箱涵的小鋼板上，保證一端相對于后節(jié)箱涵可以自由活動，兩節(jié)箱體在橫移對位后再焊接護套鋼板，以防止鋼護套鋼板提前安裝造成對位困難。

第5 步：在箱涵頂進過程中，頂進姿態(tài)控制裝置發(fā)揮作用，在箱涵小位移偏移時自動糾偏，在箱涵大位移偏移時觀測預警。

第6 步：頂進施工完成后，將鋼護套通過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構，實現(xiàn)資源二次利用。

3 工程實施效果分析

3.1 工程監(jiān)測概況

合肥市銅陵北路下穿到達場鐵路股道群超大框架箱涵中繼間頂進施工時，對框架箱涵水平位移和豎直位移進行全過程監(jiān)測。在前節(jié)箱涵和后節(jié)箱涵分別沿箱涵頂進方向選取前、后2 個斷面布設水平位移和豎向位移監(jiān)測點［12］。前后2 個監(jiān)測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)測點位于箱涵斷面中心位置，豎向位移監(jiān)測點沿箱涵兩側邊墻內側距離0.5 m 處，如圖5 所示。

圖5 監(jiān)測點位置Fig.5 Location of detecting

箱涵豎向位移監(jiān)測按照二級中等精度水準監(jiān)測標準進行，精度為0.1 mm，測量儀器采用蘇州一光DSZ-2 及配套的銦鋼尺。水平監(jiān)測儀器按照二級中等精度水準監(jiān)測標準進行，精度為0.1 mm，測量儀器采用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量驗收規(guī)范》（CJJ2-2008），箱涵頂進施工姿態(tài)工程中箱涵中線水平位移累計允許偏差值控制指標為300 mm；豎向位移累計允許偏差值控制標準為+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。由于箱涵箱體過大，因此箱涵可能產(chǎn)生的水平或高程方向的位移會超過允許范圍，當箱涵的水平或位移偏移超出允許偏差時會妨礙后續(xù)施工的進行。

表1 箱涵頂進全過程監(jiān)測控制指標Tab.1 Monitoring and control indexes in the whole process of box culvert jacking

3.2 中繼間姿態(tài)控制監(jiān)測結果分析

3.2.1 箱涵水平位移監(jiān)測結果分析

超大框架箱涵下穿鐵路股道群中繼間頂進過程中，前節(jié)箱涵水平位移累計值隨頂程變化時程曲線如圖6 所示。圖中，正值表示實際中軸線偏向左側，負值表示實際中軸線偏向右側。由于本項目框架箱涵箱體過大，采用中繼間法頂進施工。中繼間法頂進指在前后兩節(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千斤頂，先利用后節(jié)箱涵作后背，通過前后兩節(jié)箱涵之間的千斤頂將前節(jié)箱涵頂進一個頂程，再利用主壓千斤頂將后節(jié)箱涵頂進一個頂程，再將前節(jié)箱涵頂進一個頂程，如此循環(huán)頂進，將兩節(jié)箱涵頂進至設計位置，完成箱涵頂進施工。因此在分析水平及高程位移變化時，前后兩節(jié)箱涵會出現(xiàn)位移差異。

圖6 前節(jié)箱涵水平位移時程曲線Fig.6 Horizontal displacement time history curves of front box culvert

由圖6 可見，箱涵在頂進過程中，前節(jié)箱涵前口呈現(xiàn)向右側偏移的趨勢。箱涵在開始頂進階段，箱涵前口向右側偏移量均在45 mm 以內。箱涵頂進至45 m 時，箱涵前口向右側偏移量呈急劇增大趨勢，由于操作不當導致前節(jié)箱涵左右千斤頂?shù)捻斄Σ灰恢?，裝置在頂進過程中僅進行了小位移的糾偏，人工發(fā)現(xiàn)過大位移后立即糾偏，箱涵回歸正軌繼續(xù)頂進。箱涵頂進至55 m 時，箱涵前口向右側偏移量增加至最大202 mm。此后，箱涵前口向右側偏移量減小，箱涵頂進結束時，箱涵前口向右側偏移量為182 mm。箱涵在頂進過程中，前節(jié)箱涵后口呈現(xiàn)先向左側偏移，后向右側偏移的趨勢。箱涵在開始頂進階段，前節(jié)箱涵后口向左側偏移量迅速增加。箱涵頂進10 m 時，箱涵后口向左側偏移量已增加至61 mm。此后，箱涵后口向左側偏移量呈減小趨勢。箱涵頂進至48 m 時，箱涵后口水平位移偏移量幾乎為0。此后，隨著箱涵頂進的繼續(xù)，箱涵后口呈現(xiàn)往右側偏移的迅速增加的趨勢。箱涵頂進至55 m 時，箱涵后口向右側偏移量達76 mm。箱涵頂進至60 m 時，箱涵后口向右側偏移量達120 mm。箱涵頂進至63m 時，箱涵后口向右側偏移量達140 mm，后趨于穩(wěn)定，箱涵頂進的偏移量均在允許范圍內。

超大框架箱涵下穿鐵路股道群中繼間頂進過程中，后節(jié)箱涵水平位移累計值隨頂程變化的時程曲線如圖7 所示。

圖7 后節(jié)箱涵水平位移時程曲線Fig.7 Horizontal displacement time history curves of rear box culvert

由圖7 可見，箱涵在頂進過程中，后節(jié)箱涵前口呈現(xiàn)向先右側偏移后向左側偏移的趨勢。箱涵在開始頂進階段，箱涵前口向右側偏移量均在50 mm 以內。箱涵頂進至24 m 時，箱涵前口向右側偏移量呈急劇增大的整體變化趨勢。由于后節(jié)箱涵水平偏移量過大，裝置出現(xiàn)彎曲的可能，達到預警條件，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。箱涵頂進至40 m 時，箱涵前口向右側偏移量增加至152 mm，接著略微減小。箱涵頂進至55 m 時，箱涵前口突然向左側偏移，偏移量為13 mm，此后隨著箱涵的繼續(xù)頂進而呈增加趨勢，直至箱涵頂進完成，最大偏移量為108 mm，均在可靠范圍內。箱涵在頂進過程中，后節(jié)箱涵后口呈現(xiàn)往左側偏移的趨勢。箱涵在開始頂進階段，箱涵前口向右側偏移量均在50 mm以內。箱涵頂進至35 m 時，箱涵前口向右側偏移量呈急劇增大的整體變化趨勢。箱涵頂進至54 m時，箱涵前口向右側偏移量增加至151 mm。此后，箱涵前口向右側偏移量略微減小，直至箱涵頂進完成。

3.2.2 箱涵豎向位移監(jiān)測結果分析

超大框架箱涵下穿鐵路股道群中繼間頂進過程中，前節(jié)箱涵豎向位移累計值隨頂程變化時程曲線如圖8 所示，圖中，正值表示抬升，負值表示下沉。

圖8 前節(jié)箱涵豎向位移時程曲線Fig.8 Vertical displacement time history curves of front box culvert

由圖8 可見，箱涵在頂進過程中，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。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。箱涵在頂進過程中，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。箱涵在開始頂進階段，箱涵后左不斷抬升，抬升量均在20 mm 左右。箱涵頂進至35 m 時，箱涵后左下沉，下沉量為1 mm。箱涵頂進至47 m 時，箱涵后左急劇下沉，下沉量為118 mm。由于前節(jié)箱涵頂進時進入軟土底層導致箱涵下沉量增大。箱涵頂進至50 m 時，箱涵后左下沉量為96 mm。此后，箱涵后左下沉量趨于平穩(wěn)，直至箱涵頂進完成。箱涵在開始頂進階段，箱涵后右豎向位移較小，且整體呈波動狀，最大抬升量為14 mm，最大下沉量為12 mm。箱涵頂進至29 m時，箱涵后右下沉呈不斷增加的趨勢，下沉量為18 mm。箱涵頂進至46 m 時，下沉量為77 mm。此后，箱涵后左急劇下沉，箱涵頂進至47 m 時，下沉量為175 mm。此后，箱涵后左下沉量趨于平穩(wěn)，直至箱涵頂進完成。

超大框架箱涵下穿鐵路股道群中繼間頂進過程中，后節(jié)箱涵豎向位移累計值隨頂程變化時程曲線如圖9 所示，圖中，正值表示抬升，負值表示下沉。

圖9 后節(jié)箱涵豎向位移時程曲線Fig.9 Vertical displacement time history curves of rear box culvert

由圖9 可見，箱涵在頂進過程中，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。箱涵在開始頂進階段，箱涵前左豎向位移較小，且整體呈波動狀，最大抬升量為16 mm，最大下沉量為15 mm。箱涵頂進至49 m 時，箱涵后左急劇下沉，下沉量為112 mm。這是由于后節(jié)箱涵頂進時進入軟土底層導致箱涵下沉量增大。此后，箱涵后左下沉量趨于平穩(wěn)，直至箱涵頂進完成。箱涵在開始頂進階段，箱涵前右豎向位移較小，且整體呈波動狀，最大抬升量為30 mm，最大下沉量為-12 mm。箱涵頂進至49 m 時，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)，直至箱涵頂進完成。箱涵在頂進過程中，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。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。

4 結論

本文結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施工工程實例，深入分析其施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及工程實施效果，詳細闡述了超大框架箱涵中繼間頂進姿態(tài)控制施工關鍵技術的作業(yè)流程。結果表明，箱涵頂進全過程，除了由于外在因素導致的較大偏移，其水平位移和豎向位移均在可靠范圍內。該技術可有效實現(xiàn)超大框架箱涵中繼間頂進過程中小偏移量的姿態(tài)控制及時預警與自動糾偏。研究成果為超大框架箱涵工程頂進姿態(tài)控制提供了案例支持。