超浅埋大角度斜交下穿高速公路顶推地道桥监测技术及成果分析*

潘世强，巢万里，胡富贵

(1.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015；2.湖南建工交通建设有限公司，湖南 长沙 410005)

0 引言

斜交地道桥因左、右侧土压力力矩不平衡及左、右侧边墙支点位置不一致，导致顶板钝角区形成较大弯扭应力，一般情况下控制锐角≥45°。因下穿铁路项目顶程短，且大多采用钢轨便梁架空、明挖顶进施工技术，因此也存在不少<45°斜交角度的项目[1-4]。下穿高速公路顶推项目存在顶推长度大、暗挖顶进技术特点，不仅结构运营期受力复杂，而且施工期因平面不平衡力矩存在，导致平面姿态难以控制，钢盾构顶推过程中受扭较严重问题，因此实际项目中很少见到交叉角度<45°的下穿公路顶推项目。

下穿公路顶推项目的合理覆土深度为1.2～2.0m。一般认为，下穿公路顶推地道桥的覆土厚度<1.2m 即可视为超浅埋项目。覆土浅，路基土体在盾构及地道桥摩擦力作用下形成较大塑性区和剪切变形区，导致路面沉降较大，甚至出现路面开裂、跳车等病害。覆土深，顶板承受的土压力过大，导致整体顶力增大，也会造成较大路面沉降。2006年，河南省道常付线漯河境内改建工程地道桥下穿京珠高速公路，斜交角度70°，最小覆土厚度90cm，路面沉降达120mm[5]。2015年，湖南省长沙市花卉路下穿京港澳高速公路主线及李家塘互通H匝道，斜交角度62°，最小覆土厚度1.2m，路面最大沉降量25mm，顶推效果良好，是湖南省目前最大斜交角度的成功案例。2019年，G30连霍高速公路新疆境内小草湖—乌鲁木齐段改扩建工程4改8项目中，新建互通匝道及G312国道下穿南疆铁路45°斜交地道桥顶推施工便出现过盾构墩柱变形较大且首节端部与盾构固结点处混凝土撕裂的工程问题[6]。

1 工程概况

平伍高速公路平江南互通E匝道与平汝高速公路NK1+100.2处相交，相交角度45°。采用斜交斜做正顶设计施工方案，如图1所示。E匝道地道桥为单孔结构，断面尺寸16.9m×9.5m，分3节预制，每节长16m，合计48m。本项目顶推地道桥具有如下特点：①地道桥预制锐角60°，顶进方向45°；②覆土厚度97～124cm；③顶进方向左侧需破除一个老盖板通道，给工程带来极大风险。大角度斜交且最小覆土厚度仅97cm，是目前湖南省内最复杂的下穿高速公路顶推项目，在全国顶推项目中也极罕见。

图1 地道桥布置(单位：cm)

本项目下穿高速公路路基，地层自上而下依次为路面结构层、路基填土、全风化泥质粉砂岩层、强风化泥质粉砂岩层，地道桥主要位于填土层和全风化泥质粉砂岩层。

2 监测方案及成果分析

根据以往工程经验及该项目的工程特点，在顶进施工过程中，进行以下几方面实时监控[7]：①上部高速公路路面沉降监测；②地道桥顶进姿态监测；③盾构支架应力监测；④老涵洞侧墙的位移收敛监测。从监测成果分析，该项目监测体现出的工程问题主要集中在路面沉降和桥位平面偏转上。

顶推地道桥路面沉降测点布置如图2所示，其中路面沉降监测F型测点采用水准仪监测，测点布置于硬路肩及行车道上；J型测点采用具有无线数据传输功能的电感式静力水准仪监测，测点位于中央分隔带的绿化带上。为方便展现路面沉降与掌子面间的相对关系，在图3中绘制左、中、右3个顶程标尺，零点为盾构安装就位后子盾构的前端，因此顶程与子盾构的开挖面等效。平汝高速公路的路线方位角180°，地道桥顶进方位角45°，地道桥及盾构预制锐角60°，因此顶进施工时，顶进方向右侧较左侧提前入土9.76m。

图2 平江南互通E匝道高速公路路面沉降观测平面布点(单位：m)

图3 路面隆起与掌子面相对关系(单位：cm)

2.1 路面沉降

由图3，4可看出，暗挖顶推施工对路基会造成一定的损伤和扰动。掌子面开挖处，路面会出现明显位移。整体上说，路面表现出先轻微隆起后急剧下降的整体规律，在文献[8-9]中也有类似的位移变形规律。具体规律如下。

图4 F1，F4，J，F7测点竖向位移随顶程变化曲线

1)子盾构前方1m的路面会产生明显的路面隆起，当子盾构推进至测点正下方时路面产生最大隆起位移，之后路面开始急剧下沉。受斜交影响，右侧路面较左侧路面隆起时间早10m的顶程距离。路面隆起主要有2个方面原因：首要原因是该顶推项目上部覆土薄，次要原因是子盾构位于路面下的碎石结构层较松散，不能超挖，只能带土顶进。当子盾构向前的水平推力超过上部路面(路基)岩土体的被动土压力时，路基、路面岩土体发生剪切变形，从而导致路面隆起变形。

2)路面沉降表现出3个明显的变形阶段，分别为急剧变形阶段、缓慢变形阶段及固结沉降阶段。受高速公路交通组织的影响，本次仅能监测到前2个阶段。急剧变形阶段主要发生于开挖后的7～12m，急剧变形阶段与钢盾构的长度、刚度、顶进方式有直接关系，总体而言，急剧变形阶段为钢盾构长度的1.0～1.5倍。缓慢变形阶段开始于混凝土地道桥前段至测点之下，到顶推结束为止，其变形速率已呈明显减缓趋势，其变形主要受超挖量及地道桥顶进过程中的摩擦力控制。固结沉降阶段从顶推结束至路基固结沉降结束，周期较长，本文在此不赘述。

3)总体而言，中间测点的沉降量大于两侧测点的沉降量，右侧测点的沉降量大于左侧测点的沉降量。中间大、两侧小的沉降变形较符合力学常规，而右侧沉降较左侧沉降大主要是右侧子盾构掌子面开挖比左侧子盾构掌子面超前所致。

2.2 地道桥姿态

地道桥姿态分为平面姿态和竖向姿态，本项目因地基承载力良好，竖向姿态控制良好，在此不做论述。但本项目受大角度斜交影响，左、右侧土压力不在一条作用线上，会形成不平衡力矩，因此需重点观测。地道桥姿态监测主要是通过在地道桥轴线的前端和后端粘贴反射片，并通过全站仪进行平面姿态监测。如图5所示，其中L2为前端测点，L1为后端测点。

图5 地道桥平面姿态监测布置

由图6可看出，地道桥从空顶到头部出土，根据左、右侧土压力分布的不同，共表现为7个状态。地道桥受力简图如图7所示，从图中可看出，因左、右侧土压力不在一条作用线上，因此会产生不平衡力矩，不平衡力矩的大小与地道桥实际位置有较大关系。不平衡力矩的存在会导致地道桥的平面偏转，从而导致不同位置的土压力调整并最终达到新的平衡状态。

图6 地道桥顶推状态(单位：m)

图7 力学模型

由图8可看出，头部L2测点呈现先左偏后右偏趋势，最大右偏量15.7cm，尾部L1测点整体呈现左偏趋势，最大左偏量9.1cm，地道桥平面整体呈现顺时针旋转，最大偏转角18′。地道桥开始表现为左偏趋势，与右侧先入土具有直接关系。当地道桥左侧入土且左侧土压力力矩大于右侧土压力力矩后，地道桥头部呈现右偏趋势。顶程在50～60m范围右偏趋势降低，这与地道桥左侧老涵洞无土压力有关。地道桥右侧首先出土，右侧土压力力矩明显减小，从而导致最后70～80m顶程呈现急剧右偏趋势。

图8 地道桥平面偏位随顶程变化曲线

3 设计施工注意事项

从监测数据分析，超浅埋大角度斜交顶推地道桥项目在施工过程中影响最大的2个控制因素是路面沉降和平面姿态。设计施工过程中应尤为注意以下几个问题。

1)设计过程中应避免出现超浅埋问题，有条件的情况下尽量将顶推项目的覆土高度调整至1.2～2.0m，极限条件下建议覆土厚度≥1.2m。

2)斜交角度受路线总体控制，但斜交角度>45°情况应尽量避免，迫不得已可选用45°的斜交角度，但应尽量将地道桥锐角控制在60°以上，这对纠偏控制相对有利。

3)斜交地道桥受平面不平衡力矩影响，肯定会出现平面偏位，目前纠偏最常用的有效方式是通过增加锐角侧的千斤顶数量来减少不平衡力矩影响。

4)对于目前采用两侧超欠挖方式来达到纠偏目的，笔者认为这种操作方式有待商榷。以本项目为例，受不平衡力矩影响，地道桥会产生顺时针旋转，常规操作方式是通过左侧超挖、右侧欠挖，以引导地道桥逆时针旋转。但实际上，右侧欠挖会增加右侧路基土体的摩擦力，会进一步增加顺时针方向的不平衡力矩，有可能加剧偏位。

5)施工过程中应加强施工监测，特别是重视路面沉降和地道平面姿态监测。如本项目地道设计坡率0.5%，实际滑板预制坡率0.2%，地道入土后对顶推坡率进行了急剧抬升，导致门框梁开裂和硬路肩路面开裂，如图9所示。后来通过结合监控数据对地道进行缓慢调坡，使此病害得以控制。另外，平面姿态监测对调整中继间千斤顶布置也具有较好的指导意义。

图9 现场病害照片

4 结语

本文以湖南省平伍高速公路平江南互通E匝道下穿平汝高速公路为工程背景，结合依托项目“超浅埋大角度斜交”的工程特点开展了现场监测和常规力学分析，得到如下结论。

1)下穿高速公路顶推地道桥的路面沉降整体表现为“先隆起后沉降的总体规律”，且沉降分为明显的3个阶段，即急剧变形阶段、缓慢变形阶段及固结沉降阶段。

2)大角度斜交会增加下穿高速公路地道桥的纠偏难度。本文建议的最大斜交角度≤45°，且建议地道桥的预制锐角应控制在60°以上。

本项目未对路基的水平运动规律进行深入监测，这在以后类似工程项目需注意。建议下一步对路面的水平运动规律展开监测，如通过全站仪对路面、出口制动梁进行水平位移监测，甚至在中央分隔带及出口侧设置测斜管，对整个路基的深部水平位移进行监测。这对掌握路基在顶力作用下的位移运动规律具有重要指导意义。