浅覆土顶涵施工钢盾构尺寸设计研究

周广友，刘和风，吴璨程，段波涛，蒲卫卫

（1.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙410075；2.湖北楚维工程咨询监理有限责任公司，湖北 荆门448124；3.武汉光谷智造园开发投资有限公司，湖北 武汉430000）

0 引言

随着我国经济快速发展，基建产业也随之迅猛发展。随着公路、桥梁、隧道技术的日益成熟，框架桥顶进新建公路下穿既有公路或铁路做法逐步得到广泛应用。当顶进构筑物较大，而顶进构筑物上方覆盖土层较薄时，下穿公路一般采用明挖法，但影响正常交通营运。管棚法和桥式托板盾构法虽普遍应用于顶推作业施工，但仍存在诸多缺陷，例如布设于上方覆盖土层的管棚底部无法与顶进构筑物完全贴合，管棚下部土体极易塌陷，造成上部构筑物破坏。桥式托板盾构法的顶进长度有限，随着顶进长度增加，滑板摩阻力也逐渐增大。除此之外，随着摩阻力的增加，易造成无法补救的断板现象[1-5]。

对于浅覆土下穿既有公路、铁路的问题，箱涵顶进的施工方法被越来越多的学者认可并投入生产，利用千斤顶等预制好的箱涵顶入路基或地层中。罗鑫[6]根据施工工期、覆土厚度、施工场地、施工成本等制约因素的不同，提出可选择采用直接顶进、直接顶进加辅助施工措施、箱涵顶进双重置换及R&C施工技术等方法施工。王飞球[7]对顶进过程中土体受力规律进行研究，箱涵顶进时土体中应力大小应作为监测的一部分，实测的土压力变化能反映箱涵从远及近对桥台土体产生的挤压力。吴小萍等[8-11]结合有限元软件与现场监测路面沉降规律对盾构施工路基沉降的影响进行研究。黄尚等[12-13]以实际工程为依托，对大跨度盾构施工工法进行研究与创新。章坤[14]通过模型试验、数值模拟及现场实测，对浅覆土下穿铁路大跨度框架桥盾构法箱涵顶进方案的优化进行研究。

对于箱涵结构受力特性，郭瑞等[15]研究表明在其他相同工况条件下，随着摩阻系数增大，箱涵结构所受应力应变亦随之增大，且摩阻系数越小涵顶覆土沉降越小。涵顶覆土厚度及其性状对浅覆土特长箱涵顶进结构的应力与应变影响较大，涵顶覆土厚度越厚土体越密实，箱涵结构所受应力与应变越大。

本文基于下穿襄荆高速公路——439省道改建项目，对箱涵顶进时前部盾构钢架外形尺寸、盾构自重、顶进路基土进行研究，推导出约束条件的简易关系方程式，旨在快速为相似工程提供参考。

1 工程概况

439省道与襄荆高速交叉处采用左右幅分离的设计方案。左幅车道下穿处拟利用原襄荆高速公路。右幅斜交下穿二广高速公路襄荆段，右偏角80°。新建钢筋混凝土框架桥39m，框架顶板厚1.1m，底板厚1.2m，两侧板厚1.1m，上部填土厚1.55m。全桥分为3个节段，3节段间设中继间（见图1）。顶进施工时对襄荆高速进行临时交通管制，半幅通车。

图1 顶推示意

2 钢盾构

在传统顶涵施工的基础上，于第1节框架前部装配钢盾构，其不仅作为掘进开挖的装置，也是框架带土顶进时掘进面与路基的支护，保证了开挖面的稳定，极大限度减少浅覆土下穿施工对高速公路路基的影响。如图2所示，钢盾构系统由盾构外架及盾构内架与若干子盾构组成，子盾构顶部设掘进刀。每次掘进过程先由子盾构开挖，再带动整体钢盾构及框架向前顶进，而子盾构的开挖则先由掘进刀完成。

图2 钢盾构

与混凝土材料相比，钢材具有更高的屈服强度。在相同受力条件下，钢结构构件的截面积要小得多，故而自重也会小很多。钢材刚度较大，在顶推过程中不易变形，并且钢结构制造简便，施工工期短。对于框架前部盾构系统类临时构筑物，选用钢结构十分合适。

3 钢盾构尺寸设置

施工过程中顶推频率为每天1次，大部分时间钢盾构支撑架作为支护体系发挥支撑土体维持公路路基坡比的作用，故可将静止时的钢盾构视为类扶壁式挡土墙，对其进行稳定性验算推导出其尺寸要求。将该问题看作平面应变问题，将钢盾构视为直角梯形，斜边坡角为α，各项匀质，以垂直盾构方向取1延米计算，路基土为3层时的计算如图3所示。其中钢盾构上底和下底分别为a、b，高为h。高速公路车辆荷载为均布荷载q，3层路基土的厚度分别为h1、h2、h3，黏聚力分别为c1、c2、c3，内摩擦角分别为φ1、φ2、φ3，重度分别为γ1、γ2、γ3，路基土顶面水平。路基土对钢盾构产生的主动土压力为Ea，其与钢盾构斜面夹角为δ，作用点距钢盾构底部的垂直距离为1/3（h1+h2+h3）。采用库伦土压力计算各层主动土压力，由于墙背与填土之间的摩擦角δ减小时，作用于墙背上的总主动土压力增大，并且方向更趋向水平方向，对墙体稳定不利[16]。计算时取δ=0°，土压力最小，为最不利状态。浅覆土情况下，上覆土垂直土压力较小，对整体结构重心的位置影响极小，并且在顶推框架较高时可以近似认为h1+h2+h3=h，则土压力作用点距钢盾构底部的垂直距离为h/3。

图3 计算示意

对挡墙进行稳定性验算时一般考虑抗滑移稳定性、抗倾覆稳定性与地基承载力验算。而抗滑移稳定性验算中的控制量为自重、主动土压力和基底摩擦系数，与钢盾构尺寸无关，此处不做计算。由于钢盾构为临时支护，随着每次盾构的深入其位置均发生变化，在极短时间内不会对地基土产生破坏，故对地基承载力验算不做考虑。

3.1 抗倾覆稳定性计算

对钢盾构趾点A取矩，分别计算抗倾覆力矩与倾覆力矩。要求抗倾覆力矩大于等于倾覆力矩，由GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》取挡墙抗倾覆稳定系数为1.6。

计算工况为静止状态，故此时无千斤顶顶力，抗倾覆力矩为钢盾构自重、嵌入钢盾构土体自重及与钢盾构相连的顶推框架自重产生，由于钢盾构与顶推框架的重量远大于土体自重，只考虑钢盾构自重与顶推框架自重。考虑到顶推框架压重的情况下抗倾覆稳定性会大大提升，故对最不利工况即只考虑钢盾构自重的情况下进行验算。钢盾构自重为m钢，其垂直顶推方向宽度为d。由于将钢盾构视为直角梯形，各项匀质，则每延米的自重为：

抗倾覆力矩为：

在钢盾构绕趾点转动时，底部脱空，地基反力已不存在，所以倾覆力矩由主动土压力产生，为便于计算将各土层产生的主动土压力按竖直方向与水平方向进行分解为Eax和Eaz。

采用改进的库伦土压力计算有黏聚力和地面均布荷载的库伦主动土压力，该情况下的主动土压力系数Ka为：

在该工况下，填土地面水平（即β=0°），且取δ为0°，则主动土压力系数为：

联立方程（1）～（8），即得到满足稳定性要求的钢盾构尺寸关系：

3.2 算例

以本次工程为实例，由JTG B01—2014《公路工程技术标准》，高速公路的汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，其车道均布荷载标准值为qk=10.5kN/m。襄荆高速为双向4车道，施工时半幅通车故取q=2qk=21kN/m。钢盾构的尺寸为上底a为9.10m，下底b为11.438m，高为8.5m，框架桥宽度d为18.04m（见图4），斜面倾角α为74.62°。钢盾构设计总重m钢=352 165.9kg，取重力加速度为9.8m/s2，带入（2）式得G=187 566.61kN。

图4 钢盾构正视图（单位：cm）

顶推框架桥纵断面如图5所示，由勘察报告，从高速公路路面向下各土层参数如表1所示。

表1 路基土层参数

图5 顶推框架桥纵断面（单位：cm）

将各土层参数加权平均后得到高速公路路基土的加权黏聚力，加权内摩擦角以及加权重度，分别为cm=58.62kPa，φm=9.02°，γm=22.48kN/m3。将其与q带入Kq和η的表达式，即可得到Kq=1.44，η=0.61。将已求得的α、φm、Kq、η带入式（4），得到库伦土压力系数Ka=3.974。带入式（5），主动土压力Ea=3 227.25kN。

将此钢盾构的尺寸参数a、b、h及求得的每延米钢盾构自重G和主动土压力Ea带入式（9）不等号两端。左边等于-0.96，右边等于0.028，不等式成立即验证了式（9）的正确性。

4 结语

本文对浅覆土顶涵施工时钢盾构的尺寸设计进行研究，推导出钢盾构尺寸关系，其与钢盾构自重与顶推既有公路、铁路路基土对钢盾构产生的主动土压力有关，并建立钢盾构外形尺寸、自重、主动土压力简易关系方程式，为顶涵施工钢盾构制造与设计提供一定的参考价值。对于钢盾构内镂空情况及墩柱、横梁的受力情况可进一步深入研究。