肋板式后背在桥涵顶进中的应用★

彭红益 唐 立 赫亚楠 彭 柱

(中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 410000)

·桥梁·隧道·

肋板式后背在桥涵顶进中的应用★

彭红益 唐 立 赫亚楠 彭 柱

(中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 410000)

后背是下穿公路、铁路等立交工程中最为重要的临时结构,故后背设计既要安全可靠、又要经济合理。根据顶进桥涵的特点，结合工程实例介绍承台底座+肋板式后背墙后背结构形式的应用,旨在为桥涵顶进后背的设计提供借鉴。

后背，顶进施工，肋板式后背墙，结构设计

桥涵顶进施工技术目前已广泛应用于穿越铁路、市政道路、高速公路等立交工程。后背是重要的施工组成部分，是千斤顶对桥涵施加顶力的依托，必须安全可靠，具有足够的强度、刚度和稳定性。但是，其作为临时结构，若设计太保守，又会造成很大的浪费。因此，要因地制宜，设置安全可靠、经济合理、施工及拆除方便的后背。

目前一般的后背结构形式主要有：板桩式、重力式和拼装式。拼装式后背需要现成的预制件；而桩板式后背的稳定性和抗扭性没有重力式好，但重力式后背存在结构尺寸大的缺点。本文结合某下穿高速公路的桥涵工程，对采用的承台底座+肋板式后背的结构应用进行详细介绍，为类似工程提供技术指导。

1 承台底座+肋板式后背结构形式

为保证提供足够的抗推力，利用桥位处天然山体原状中风化板岩。图1采用钢筋混凝土承台+肋板式后背墙的后背结构形式。该后背墙的肋板背离填土体，底部承台在千斤顶的作用下，使得后背墙光面一侧(墙背)承受土体的被动土压力。

下面分别给出该后背各部分的结构设计方法。

1.1肋板式后背墙

由图1可见，后背墙身被肋板划分为一系列间隔，同时底部承台对后背墙具有嵌固作用。则后背墙的结构内力和配筋计算，可以按照三边固定一边自由的双向板设计。

将肋板和后背墙联合起来考虑，按翼缘受拉的变截面T形梁设计肋板。

1.2承台后背座

承台直接承受千斤顶的顶力作用，顶进施工时后背土体产生的被动土压力要与千斤顶顶力平行，可等效为水平面内的弹性梁；另外承台在后背墙和肋板的嵌固作用下也可视为三边固定一边自由的双向板，承受一定固端弯矩。综上，承台受压弯作用。

为保证承台不被局部承压破坏，须在承台和千斤顶之间设置承压板保护。

为增加承台底板的抗滑稳定性及后背反力，可在承台底面后背墙位置加设凸榫，凸榫按照悬臂梁计算。

2 工程实例分析

2.1工程概况

本桥为新建2-16.5×9 m钢筋混凝土框架，总长度36 m，分三节预制，每节长度为12 m。该框架桥在京港澳高速临长段K1485+37.0处下穿公路，斜交夹角为81.6°。桥位地处矮山丘陵地区，勘探深度范围内地层分为两层，表层为强分化板岩，下层为中风化板岩；框架顶覆土厚度为1.65 m～2.28 m，顶进施工方法采用钢盾构平刃切土支护，中继间法顶进。

2.2顶力计算

顶力计算是后背设计、顶进设备配置、框架桥局部承压强度验算的重要依据。按照JTG/T F50—2011,公路桥涵施工技术规范，顶进过程产生的最大阻力P为：

P=K[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]

(1)

其中，P为最大阻力；K为系数，取K=1.2；N1为框架顶上总荷载，9 239.8 kN；f1为框架顶部表面与顶部荷载之间的摩擦系数，取f1=0.2；N2为框架自重，18 120 kN；f2为框架底板与基底土之间的摩擦系数，取f2=0.7；E为框架两侧土压力，按库仑压力计算，5 724 kN；f3为框架侧面摩阻系数，取f3=0.7；R为盾构刃角的正面阻力，挖空取为0；A为钢刃角受力面积。

本工程框架分三节预制，每节长12 m，每两节之间底板预留105 cm长中继间，后一节作为前一节顶进的后背。首节顶进所受阻力最大，根据上述设计数据和式(1)，可以得到最大阻力P=30 003.6 kN。根据千斤顶的机械性能，选10台500 t卧式千斤顶，其最大顶力为：N=5 000×10×0.6=30 000 kN≈30 003.6 kN，可满足要求。

2.3后背设计

根据工作坑深度、框架桥的宽度及后背顶力的单宽受力。拟定后背结构尺寸如下：后背墙高h1=3 m，宽度b1=1 m；肋板净间距为ln=3 m，顶部宽度bt=1 m，底部宽度bb=3 m，厚度t=1 m；承台高h2=2 m，宽度b=5.5 m。另外在承台底部加设1 m×1 m的凸榫。

后背全部位于中风化板岩中，背墙顶面上有h0=1 m土体，坡度为1∶0.75。地基承载力600 kPa，重度γ=22 kN/m3，填土内摩擦角φ=32°。承台底面埋深为0.6 m。后背采用C30混凝土，HRB400级钢筋。

后背荷载验算:

1)后背所承受最大顶力P背max:

后背所承受最大顶力为最大阻力扣除后背底部的摩阻力，即P背max=N-Gf，其中,G为后背自重，7 530 kN；f为后背座与土体的摩阻系数，取0.7。则P背max=24 729 kN。

2)后背被动土压力计算。

后背墙后土体的最大被动土压力一般采用朗肯被动土压力理论，计算图示见图2。

墙顶处被动土压力：P1=γξh0tg2(45°+φ/2)。

墙底处主动土压力：P2=γ(ξh0+h)tg2(45°+φ/2)。

其中，h为后背的高度，包括后背墙、承台和凸榫的高度；ξ为填土斜坡影响系数，ξ=α/90°；α为墙顶填土坡面与水平面夹角。

后背被动土压力：E背max=0.5h(P1+P2)=0.5×6×(29.3+458.9)=1 464.8 kN/m，合力作用点距承台底面1.12 m。假设千斤顶作用于承台的合力等于E背max，且为保证后背的抗滑移和抗倾覆稳定性，经计算千斤顶的合力作用位置距承台底面1 m。两者基本合力作用点基本一致。

后背土体提供的最大被动土压力E背max=1 464.8×20=29 296 kN>P背max=24 729 kN，符合要求，并且后背墙满足抗弯抗剪强度验算。

地基反力仅需验算后背自重的荷载作用，经计算基底平均应力Pk=76.7 kPa，基底最大应力Pmax=111.6 kPa，远小于桥位的地基承载力。

2.4后背结构设计

承台和肋板式后背墙均采用C30混凝土和HRB400级钢筋，fc=14.3 N/mm2，ft=1.43 N/mm2，fy=360 N/mm2，fy′=360 N/mm2，Es=2×105N/mm2。永久荷载分项系数1.35，可变荷载分项系数1.4。

1)后背墙。

肋板式后背墙作为三边固定一边自由的双向板计算。荷载可简化为三角形荷载和矩形荷载的叠加，根据《建筑结构静力计算手册》查表计算。现以墙底的竖向弯矩My′为例进行计算，其他设计弯矩可参照进行。

My′=1.35×[-0.055 70×29.3×4.02-0.029 20×(244.1-29.3)×4.02]= -170.72 kN·m /m。

截面有效高度h0=1 000-60=940 mm，计算宽度b=1 000 mm。

截面抵抗矩系数as=My′/(a1·fc·b·h02)=170.72×105÷( 1.0×14.3×1 000×940×940 )=0.013 48。

钢筋面积Asy′=a1·fc·b·h0/fy=1.0×14.3×1 000×940÷360=507 mm2。

ρmin=max(0.2%，0.45ft/fy)=max(0.2%，0.45×1.43÷360)=0.179%。

Asy′=507 mm2

设计计算弯矩及配筋，见表1。

表1 弯矩及配筋

最大剪应力发生在肋板的两端，其值可假设等于两肋板之间后背墙上土压力之和的1/2。受力最大肋板两端的剪力:

V=Q·Ly/2=329.54×3/2=494.3 kN。

R=0.7βh·ft·b·h0=0.7×0.96×1 433×1×0.94=905.6 kN≥V=494.3kN，满足要求。

2)肋板计算。

将肋板和后背墙组合起来，按翼缘受拉的变截面T形悬臂梁计算。肋板底部截面的设计弯矩为：

M=1.35×4.0×[29.3×3×3/2+0.5×(244.4-29.3)×3×3/3]=2 454.4 kN·m。

3)承台。

后背所承受最大顶力为最大顶力扣除后背底部的摩阻力，即P背max=N-Gf，其中,G为后背自重，7 530 kN；f为后背座与土体的摩阻系数，取0.7。则P背max=24 729 kN。

4)凸榫。

沿纵向取1 m，按悬臂梁计算。则凸榫在承台底面处的设计弯矩和剪力分别为：M=1.35×458.9×1×1/2=309.8 kN·m，V=1.35×458.9×1×1=619.5 kN，根据单筋受弯构件C25@200(2 454)。

3 结语

后背是桥涵顶进施工中的重要临时结构，对施工顺利与否关系极大。通过实践证明选用的承台底座+肋板式后背墙后背合理，设计的尺寸、配筋均满足施工要求，在顶进过程中未出现任何问题，保证了本框架桥的顺利进行。

上述工程实例中，较详细的阐述了该后背的设计及检算方法，非常适合手算，便于工程技术人员掌握。

[1] 冯生华,张孚珩.城市地道桥顶入法施工[M].北京:中国建筑出版社,1982:21-28.

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[6] 贺显成.复合式后背在桥涵顶进中的应用[J].企业技术开发，2011,30(9)：71-73.

Theapplicationofribbed-slabbackonbridgeandtunneljacking★

PengHongyiTangLiHeYananPengZhu

(ChinaConstructionFiveBureauCivilEngineeringCo.,Ltd,Changsha410000，China)

The back is the most important temporary structure in the highway, railway and other interchange projects. Therefore, the back design should be safe and reliable, but also economic and reasonable. In this paper, according to the characteristics of the bridge and tunnel jacking, combining with the engineering example. The design and application of a new type of back structure are introduced in detail. The purpose is to provide reference for the design of the jacking back of bridges and tunnels.

back, jacking construction, ribbed-slab back wall, structure design

1009-6825(2017)28-0157-03

2017-07-23

★:国家自然科学基金(51704109)；湖南省自然科学基金(2015JJ6038)；湖南省教育厅一般项目(15C0555)

彭红益(1972- ),男，高级工程师

U445

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