下穿既有线箱涵顶进施工监测研究

谭向荣

[摘 要]箱涵顶进施工技术目前已广泛应用于穿越铁路、机场、市政道路、高速公路以及长城古迹等建筑物的立交工程中。提出一套箱涵姿态全程自动数字监测系统方案。该系统可在箱涵顶进的过程中对箱身的轴线、进程、涵端土压力以及后背变形进行全程的、实时的跟踪监测并通过系统的软件处理及时采取相应的措施。防止箱涵“扎头”“抬头”，保证了箱涵顶进的施工质量。

[关键词]公路、箱涵、顶进施工、变形监测、盾构法

中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0230-01

1 监测的目的和意义

箱涵顶进施工，通常是在道路箱涵工程中利用一定的机械设备和传力配套装置组成的顶进动力系统，将预制好的箱涵结构主体顶推穿越既有建筑物或既有结构设施下覆土体的一种施工方法。下穿既有线工程必须在保证既有公路或者铁路线正常运营的前提下进行施工。箱涵在下穿顶进施工期间，路基下的土体必然会受到一定的扰动，进而导致周围的土体及原有的结构发生变形，当变形量超过土体和原有结构的极限强度时，就会造成不同程度的破坏。甚至，当原有地层的位移超过规定限度时，就会影响到既有线路的正常运行。在箱涵下穿顶进施工期间，必须要进行箱涵顶进方向偏差和高程、顶进系统和铁轨及其下方地基等的现场监控测量。通过现场监测的数据分析，首先为下穿顶进施工过程及时反馈信息，调整施工方法。

2 监测系统的构成

2.1 路面变形监测

路面变形引起的主要原因：顶进施工过程土体受到扰动、路基降水。而路面变形主要是在顶进过程中对土的扰动引起的。从施工角度看，顶进施工工艺复杂，流程较长，各个关键工序都会引起地表沉降。施工对地表沉降的影响是动态变化、逐步积累的，按照施工工序对引起地表沉降的细节进行分析，制定控制地面沉降的阶段性目标，实现对每个施工步引起地表沉降进行有效控制和安全管理。

开挖基坑引起的地面沉降，基坑开挖引起的地面沉降从原理上讲都是由于开挖时的卸荷回弹产生。可以归结为以下几个方面的原因：

⑴基坑开挖过程中，土体出现卸荷回弹，导致维护土体产生水平位移，打破周围土体的应力平衡状态，周围土体向基坑内移动，产生地面沉降。

⑵基坑开挖时受到的施工扰动，既包括基坑开挖时产生的超挖欠挖，围护不及时，机械振动，也包括临近工程的施工扰动等。

⑶基坑坑底底面处理不够，坑底硬化不足。箱涵顶进时，由于坑底不平整，或者坑底强度不均匀，出现“抬头”、“扎头”等。基坑开挖时出现卸荷回弹，产 生基底不同程度隆起。而坑底作为箱涵预制的场所，且为顶进提供线路，坑底强度达不到标准，直接造成箱涵的下沉。坑底的强度不均匀，箱涵在顶进 时则会产生水平剪切力，造成“抬头”或者“扎头”。坑底如未铺设隔离层， 则会直接导致，箱涵底部与基底粘结在一起。

根据试验，箱涵的推进速率对路面变形有较大的影响。速率越大，地表变形

波动越大，对不同工程，顶进速率的范围也不一样。所以进行全面跟踪监测，合理布置监测点。在顶进前后时刻对路面沉降进行监测，以确定顶进的速率。

2.2 轴线偏位监测

在箱涵轴线位置设置两个位移传感器，两个位移传感器用于监测箱涵在推进过程中箱涵实际轴线与设计轴线之间的水平偏移量。通过FD数据采集板将水平偏移量收集到计算机，再通过软件进行处理。两个位移传感器应设置在滑板前段位置，两个位移传感器间距1m。另外设置一个箱涵轴向进尺位移传感器，用于监测箱涵在推进过程中箱涵沿轴向前进的位移量。将水平偏移量与轴向位移量通过专用软件进行综合分析处理，可得出箱涵前段的水平偏移量，可采用箱体后部两侧顶力校正法进行即时纠偏，为避免掌子面坍方引起施工安全事故，顶进施工期间

不宜用挖土校正法来控制箱体的轴线偏位。

2.3 箱体高程监测

在箱涵前端两个角点位置设置两个高程传感器，两个位移传感器用于监测箱涵在推进过程中箱涵前端两个角点的实际高程与设计高程之间偏差。通过FD数据采集板将水平偏移量收集到计算机，再结合将水平偏移量与轴向位移量通过软件进行处理，可以用图像直观的反映每一时刻箱涵整体在空间的姿态，同步与设计的箱涵空间位置细心比较以便采取措施即时校正姿态。

2.4 箱端土压力监测

在箱涵前端上部刃角处设置三个土压力检测器，用于监测箱涵在推进过程中箱涵前端的土体压力，防止土压力过大将路面顶起，通过FD数据采集板将水平偏移量收集到计算机，同步与土体的被动土压力值进行比较，以便即时控制顶进速度及顶进长度。

2.5 箱涵与后背墙的应力与变形控制

在箱涵顶进施工过程中，箱涵与周围土体的摩擦力过大可能造成千斤顶的顶力过大而引起箱涵结构或者后背墙的破坏，导致工程的失败d 为了确保框构涵以及后背墙在施工过程中满足强度和变形要求，避免其应力和挠度超限而引起结构的开裂，确保施工安全，在应力集中和弯矩峰值容易出现的部位布设钢筋计和应变计，在框构涵顶进时对箱涵结构和后背墙进行了应力和变形监测，根据监测数据判断结构状况，出现超载情况，即发出警告，调整施工状态。

3 箱涵顶进存在主要问题的处理措施

3.1 对于箱涵顶进“抬头”与“扎头”处理新措施

根据以往工程实践表明在软土层上大型箱体顶进过程中，土质越软，顶进距离越长，其“扎头”现象越明显。在箱涵顶进过程中，根据箱涵对土体压缩变形量来设计刃角的仰角的角度。根据土力学试验的数据以及箱底上部荷载进行计算，设计出仰角的角度。然而最具有有效的方法是设计能上下转动的刃角。在顶进过程中，根据监测系统反馈的高程位移，由计算机将信号传输给可控制刃角处的千斤顶及时调整刃角吃土的角度，这样就能及时纠正箱体扎头。

3.2 对于箱涵顶进“超挖”与“欠挖”处理新措施

用有限元方法分析研究路面发生隆起和下沉时掌子面的土压力两种临界值。根据对掌子面土压力的计算，大致确定箱涵顶进过程中箱内土体的挖方。再根据上述所设计的箱涵姿态全程自动数字监测系统，可以时刻对掌子面的土压力进行监测。这样就可以实时确定挖方，根据监测系统及时反馈掌子面的土压力，以确定具体开挖量的多少。这样能防止超挖导致掌子面坍塌以及路面变形或者由于欠挖导致路面隆起和推移。

4 结论

针对在软弱土层中超浅埋深大体积箱涵顶进技术所出现的问题，拟研发一套箱涵姿态全程自动数字监测系统。该系统可以在箱涵顶进的全过程中对箱身的轴线、进程以及涵端土压力进行实时跟踪监测，进行实时数字记录；可以大量减少测量工作，提高效率，节约费用；及时发现偏差，即时的分析系统可以让指挥人员及时采取措施，纠正偏差。涵端土压力监测系统用于监测箱涵在推进过程中箱涵前端的土体压力，防止土压力过大将路面顶起。可以即时控制顶进速度及顶进长度，能够提高效率，节约费用。该系统能有效的解决软弱土层中超浅埋深大体积箱涵顶进施工中所出现的问题。

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