某高速顶推箱涵施工技术研究＊

吴 炜

(安顺市经纬公路勘察设计室，贵州安顺561000)

箱涵顶推是一种非开挖的穿越道路、铁路、机场等的地下施工技术，这项技术的运用最早在日本某高速公路的建设上使用，在建设过程中，能够解决很多实际的问题，并且相对于其他的施工，还具有非常大的优势，比如在施工的过程中不需要进行开挖，而使运营的交通中断，同时对于其他工程的施工干扰达到最小，都是由于这些优势的存在，才使得这样的技术在我们国家得到了非常好的发展和更广泛的运用。随着科学技术的不断发展，信息化技术的施工也给顶推箱涵施工但来了非常大的便利。比如可以在施工的过程中进行动态的监控，同时还可以对施工中的各种信息进行汇总反馈，使得在施工过程中达到动态化的控制，并且给项目的施工组织设计的方案的优化提供了非常大的信息，为后面的施工过程中可能出现的各种情况提出更多合理化的建议，并且控制事态的发展。在国内外，越来越多的人都对箱涵进行了研究、分析与探讨，同时也都取得了一定的成果，但是本项目的施工环境较为特殊，由于地表沉降大、顶进距离长、地下水位高、地质条件差等等情况，所以在这样的情况下，就对箱涵顶进的过程中进行动态的监控，包括施工过程中结构的变形、应力的变化，都要及时反馈，为后面的施工提供可靠的依据。

1 工程概况

本工程为某东西路下穿京珠高速相交工程，线路中线相交与京珠高速K1680处。采用箱涵施工，两孔单箱单室箱框长50 m，宽2×15 m，箱涵内净宽15 m，净高5.3 m。轴线与高速公路斜交夹角78°。箱涵采用无缝带土顶进，顶进箱涵分三节预制，每节长度分别为:13 m、15 m、17 m，节与节之间设一道3 cm的沉落缝，箱涵顶板至高速公路路面为2.2 m～1.8 m。根据地质报告，该处含水量极为丰富，地基承载力180～200 kPa，可作为基础持力层。

2 箱涵顶推的理论基础

2.1 计算理论

箱涵顶推的计算主要包括在考虑施工过程中各个可能产生荷载的情况下，取用最不利的荷载进行计算，主要包括箱涵本身的自重，浇筑的混凝土的容重、汽车荷载等等，根据所给的已知条件，采用桥规2－132式P=K［N1f1+(N1+N2)f2+(2E1+8E2)f3+RA］就可以计算出箱涵的最大定力，最后求出所需要油顶的个数。本工程计算本箱涵13米宽，箱涵的体积:44.5 m3/m。

2.2 箱涵最大顶力的计算分析

依桥规2－386条(2－132式)

P—最大顶力;

图1 箱涵伸缩缝

粒土层厚仅2.1～1.8 m，取冲击系数1.2。

则:N1=A1+A2+A3=1630.3(t)

图2 混凝土砼面

f1—摩擦系数，取f1=0.3;

N2—箱涵身重N2=2035.5(t);

f2—箱涵底板与基底土的摩擦系数;根据经验取f2=0.7;

E1—两侧土压力;

ξ—静土压力系数，ξ=0.3;

r—填料容重，取r=2.0(t/m3);

H1—路面至箱涵顶高度，H1=2 m;

H2—路面至箱涵底板底高度，H2=10.1 m;

所以:E1=1/2(1.2+5.6)×8.1×15=413.1(t);

E2—箱涵内中心土对钢板的上压;

f3—箱涵侧向摩擦系数:根据经验取f3=0.5，RA=0，K=1.2;

所以箱涵最大顶力:

单个320 t油顶实际顶力:P1=320×80%=256(t)，所以 N=4578/256=17.88个，需320 t油顶18个。

实际上，有二个因素未考虑:

(1)中间土柱由于施工时的扰动，与钢盾构之间的接触并不紧密，E2实际上应小于主动土压力。

(2)顶进时的减阻措施多样而且效果显著，实际摩擦系数小于其理论值。

以上计算仅是单节顶进的，在顶进时拖板长度是45 m，拖板与土柱间是有摩擦的，故顶力以上计算是偏不安全的。

剩下拖板长度为:45－13=32(m)

拖板上土柱重 N=32×15×2×2.1=2016(t)，取f1=0.3(小面积钢与钢之间的摩阻系数应取f1=0.25)

所以箱涵最大顶力:

P=K［N1f1+(N1+N2)f2+(2E1+8E2)f3+RA］ (取 k=1.2)

则所需油顶台数:(顶进采用320 t油顶)

单个320 t油顶实际顶力:P1=320×80%=256(t)

N=5908.4/256=24个，取24个备2个

所以:需320 t油顶26个(使用26个，备用2个)

3 施工过程的技术控制点

3.1 涵身的预制

箱涵的预制也是施工的关键，其施工过程相对较难，首先应该在滑板上面支底模板，然后对箱涵的底部的钢筋进行绑扎，特别是在箱涵墙身部位的水平钢筋应该先进行间隔绑扎，这对混凝土的震捣是非常有利的;当混凝土浇筑完成之后再对箱涵进行一定时间的养护，在养护的过程中要保证好整个箱涵，防止其发生开裂;当其强度达到一定程度的时候就要进行支内模板，而内外模板都采用的是1.5 m×1.2 m的大块钢模，在边墙的倒角位置采用的是特制的整块角模，这样可以保证混凝土在浇灌过程中的质量和外观，绑扎内侧的钢筋和顶板的处的钢筋，当钢筋绑扎完成之后要进行支外模板，最后进行浇筑外侧的混凝土和顶板处的混凝土，浇筑完毕支护也要进行养护，当整个箱涵达到一定的强度之后再进行整个箱涵的拆模，拆模之后要进行防水处理;在箱涵整个支模的过程中都要确保模板支立直顺平整，不得出现鼓肚、错茬现象;最后安装由钢板制作的钢刃脚。

3.2 线路的加固及道路的安全处理

在箱涵施工前我们必须人为的做好排水措施，还要对箱涵顶进的线路进行加固，防止侧滑，保持稳定，在沿着高速公路的方向分别要做一条排水渠道，这样就能够将路面上的雨水引流到两条排水沟中，减少在施工过程中雨水带来的不利的影响，在施工的过程中应该对这个施工段的高速公路进行限速，并且要做好引导工作，在施工段内不能够出现超车的想象，防止任何意外事故的发生;同时要做好紧急预案，防止若在真的发生事故的前提下，能更好更快的处理，不影响施工的进度及质量，从而控制施工的成本。

3.3 箱涵顶进施工过程

箱涵顶进施工是工程中的重点、难点工程，采用盾构法顶进施工，它属于切削泥土，人力定位出土，带公路坡比顶进。在整个箱涵顶进过程前首先要进行工作坑的开挖，当其开挖之后，进行箱涵的预制和线路的加固等工作，当这些完成之后就要对顶进的设备进行安装，安装完成之后要进行试顶，同时还需要观测顶进的设施和记录试顶的数据，试顶完成之后迅速进行纠编，防止基底暴露的时间过程，当一切准备就绪之后就进行箱涵的顶进工作，顶进过程中会产生废弃的泥土，要及时的运送出去，没当顶进一定的距离之后就要进行测量，箱涵的标高和位移是否在可靠的范围内，这也是整个工程中要控制严格的要求，保证整个顶进过程严格按照施工的路线进行，当一定距离的顶进施工完成之后进行数据分析，当发现的问题处理完成之后，连续顶进，纠编等循环工作，如果顶进过程中的任何时候观测到数据有异样，应该迅速停止顶进，查找问题所在，极大的较少顶进过程中设备的顺上和不安全事故的发生。

图3 箱涵施工流程图

在整个顶进过程中，监控纠编是整个的关键，施工过程中最容易出现顶进的线路与原先设计好的线路不一致，同时整个系统要保证受力的均匀，尽量保证传力都在一条直线上，沉降和位移的变化对整个顶进过程都有着致命的影响，同时千斤顶油压的控制也是至关重要，它关系着整个力的大小，当出现受力不均，传力方向不正确的时候控制好油压，所以整个过程施工监控和后续的纠编就显得尤为重要。

3.4 箱涵顶进控制措施

箱涵的顶进过程，应该尽量使整个箱涵受力均匀，左右顶程保持一致，勤观测和检查，找出偏差趋势和出现偏差原因，及早处理;当左侧偏移时，千斤顶的左侧缓慢顶进，直到满足符合施工过程中测量的中线，右侧的千斤顶则出现相反的效果;同时在千斤顶顶进过程中一定要控制好千斤顶的底部基础的挖土，防止挖土出现了“抬头”和“扎头”的不良现象，如果在开挖的过程出现“抬头”的现象，则可以通过适当的采用超挖的方法来进行局部调整，而在开挖的过程中出现“扎头”的时候，则应该采取少挖土方或通过一定的方法对基础进行一定的处理，同时应该一并调节前盾构座底板的挖土量来消除出现的偏差。

在顶进过程中应该进行控制，采用信息化的监控，在后背以后的某一位置设立一个观测仪器，在每顶进一定的距离之后就需要对整个顶进框架进行中线和水平的检查，并随时作好记录，在记录之后也要对一定阶段的测量记录给予分析，及时发现和解决顶进过程中出现的问题，同时做好整个钢盾构行走轴线图的记录;在公路上左右两幅所对应的位置(左、中、右)共设置12个观测点，每天早中晚分别观测公路的沉降变化情况;在顶进的过程也要随时观察千斤顶的压力的变化情况，并且要做好记录，防止出现异常的情况;在箱涵前后的位置要建立一个观测点，便于在箱涵顶进的过程中对箱涵前后节的标高和位移发生变化时，对箱涵顶进施工方案进行调整，减少施工过程中意外情况的发生。

4 监测内容及结果

4.1 监测内容

根据现场情况及该工程的特点，在顶进施工过程中，进行以下几方面的实时监测:

1)钢盾构应力、应变监测;

2)地道桥结构应力、应变监测等。

4.2 观测点布置及量测

钢盾构监测采用“表面应变计JMZX212—BT”测量型钢的应变值，然后通过数据处理，计算型钢的受力状态。现场布点分为梁和柱两类，现场共布置表面应变计17个(其中顶梁9个，立柱8个)。传感器布置位置及编号见下图所示。

图4 传感器测点及布置图

本期地道桥顶进17.2 m，累计推进45 m，已完成地道桥的顶进过程。钢盾构主要承受土压力荷载，Q235钢材弹性模量E=210 GPa。具体监测结果见图5，图6。

图5 钢盾构顶梁应力随顶进过程变化曲线

图6 钢盾构立柱应变随顶进过程变化曲线

地道桥结构监测采用埋入式混凝土应变计JMZX—215B和钢筋计 JMZX—428B分别对混凝土应变和钢筋应力进行监测。本次监测主要在左幅第一节地道桥及右幅第三节地道桥底板埋设监测元件，具体位置见图7。

图7 桥底板埋设监测位置

目前该幅地道桥顶进11 m，尚在顶进过程中，将采集的地道桥结构的应力应变进行数据处理，C40混凝土的弹性模量32.5 GPa。并绘制混凝土应力、钢筋应力随时间的变化曲线，从图中看出:随着荷载的不断增加，地道桥混凝土结构的受拉区、受压开始分化，钢筋及混凝土目前均表现为较好的受力状态。

4.3 监测结果及结论

地道桥监测点混凝土应力随时间变化曲线:

从迄今的现场监控量测及观察到的情况分析，得出以下几点结论:

1)钢盾构受力合理，应力值均在材料允许值以内，无应力、应变突然增大的状况发生，且随着钢盾构推出后的卸荷，钢结构的顶梁和立柱均具有较好的弹性恢复;

图8 监测结果比较

2)目前地道桥钢筋应力计和混凝土应变计监测数据均在材料允许受力值以内，顶进过程中虽有小范围内受力值突增现象，但变化不大且很快趋于稳定。

5 结语

随着现在高速公路的建设越来越迅速，高速公路和其他交通路线的交叉越来越多，除了一些专门的施工方法外，高速公路中更多的采用的是箱涵顶推施工，本论文结合实际工程，通过理论计算和施工过程中的箱涵的安装，运用箱涵顶进的技术，既保证了施工的顺利完工，同时还保证了施工的质量，本论文通过为以后相关的功能一共了理论支持和工程经验。

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