斜交框架桥下穿高速公路顶进纠偏施工技术

李银年

摘 要：

以某下穿高速公路框架桥工程为实例，因对软弱地基的预估计不足、复合地基加固不到位等原因，造成框架桥在顶进过程中出现严重扎头问题，施工人员依据现场实际情况，对纠偏施工方案进行了理论计算和比对，制定出适当的施工方案，并成功纠偏。希望本文的研究可以为软土地段框架桥顶进防扎头控制及纠偏研究提供有效的理论指导。

关键词：

斜交框架桥；扎头控制；纠偏方案；顶进方案

1.工程概述

1.1 工程概况

酒额铁路在连霍高速公路K2382+558处以1-10m箱形桥下穿通过，与连霍高速公路斜交65.35°，箱顶距离高速公路路面1.16m，开挖公路路基长度25m，本桥设计方案为高速公路一幅通车，一幅封闭，顶推箱桥就位施工，在封闭施工前在高速公路中央隔离带采用21根直径1.5m挖孔桩进行防护。

箱桥两侧回填3％水泥级配碎石，箱身两侧按路宽设置钢筋混凝土搭板。箱顶高速公路路面恢复结构为0.4m厚3％水泥级配碎石+0.2m级配碎石+0.4m水泥稳定碎石+0.06m石油沥青混凝土+0.06m中粒式改性沥青混凝土+0.04m细粒式改性沥青混凝土。

铁路箱型桥内两侧设置0.8*0.9m排水沟，与箱型桥外路基段两侧排水沟连接，高速公路两侧排水沟接至铁路排水沟内，顺铁路排水系统排出。箱型桥上高速公路两侧设置1.2m高防撞墙，顺高速公路方向两侧各设50m长防抛网。

箱形桥顶板厚0.7m，底板厚0.9m，侧墙厚0.9m，桥顶路面1.16m，根据《公路线路设计规范》、《铁路桥涵设计规范》、连霍高速公路设计车流量及实际监控车流量，进行箱形桥承受荷载检算。

箱形桥承受恒载为本身钢筋混凝土自重及侧面、路面结构的压力，箱形桥按整体闭合框架计算内力，顶、底板按受弯构件计算，侧墙按偏心受压构件计算，钢筋混凝土容重按25kN/m³计算，路基土容重按21kN/m³计算，基底容许承载力≥120kPa。

活载为汽车荷载，包括汽车竖向荷载和汽车荷载引起的土压力两部分，荷载加载方式根据《公路桥涵设计通用规范》处理，汽车荷载取车辆荷载及车道荷载的最不利效应。按每日通行28000辆，公路-高速计算，桥梁结构设计基准期为100年，使用年限100年，桥梁设计安全等级为一级，按七度区采取抗震措施设计，地震加速度值为0.05g。车辆荷载根据30°扩散角扩散至箱形桥顶板，最不利位置为相邻车轮扩散重叠区。

计算模型采用MIDAS板单元建模，跨径考虑斜交影响，通过模型检算活载及恒载，箱形桥承受荷载满足相关规范要求，满足高速公路安全运营要求。

该段公路位于直线上，两侧为农田，且公路路基高出地面约6m左右，视野良好。

1.2 地质情况

该处位于酒泉市肃州区境内，线路经酒泉盆地，地势平坦开阔，地势横坡左低右高，横坡坡率缓于1：10；自地表向下为0~3米为湿陷性黄土，植被为杂草和灌木，3米以下成分主要以卵石土为主。

1.3 框架施工情况

根据现场调查，由于下穿连霍高速公路箱形桥位置距离肃航一级路立交通道250m，距离X256通道70m，距离兰新高铁160m，酒额铁路下穿连霍高速公路箱桥采用预制现浇加明挖顶推施工，箱桥分为左、右两段，分别在高速公路的南北两侧预制，左节段自南向北顶推就位，右节段自北向南顶推就位。

附图一：地形示意图

在箱桥施工期间，对连霍高速公路采用“一幅封闭，借道双向行驶”的交通管制方式进行交通导行，保证施工期间交通安全通行。施工流程如下：

（1）施工进场，场地整平，做好施工准备；

（2）高速公路两侧进行预制箱桥、后背墙、滑板、导向墩、锚梁等施工；

（3）封闭高速公路左幅路，将高速公路左幅行车导行至右幅车道，右幅两车道限速双向通行，拆除中央隔离带左护栏，对中央隔离带右护栏进行封闭防护，在中央隔离带进行防护桩施工；

（4）开挖高速公路左幅路基土方，顶推左节段箱桥就位，回填箱桥桥背路基土方，进行钢筋混凝土搭板、端翼墙、公路路面及附属施工；

（5）开通高速公路左幅路，封闭高速公路右幅路，将高速公路右幅行车导行至左幅车道，左幅两车道限速双向通行，拆除中央隔离带右护栏，对左幅道左侧进行封闭防护，破除箱桥桥身范围防护桩；

（6）开挖高速公路右幅路基土方，顶推右节段箱桥就位，回填箱桥桥背路基土方，进行钢筋混凝土搭板、端翼墙、公路路面及附属施工；

（7）恢复中央隔离带、防护栏、排水系统等公路附属设施；

（8）开通高速公路右幅路。

2.顶进方案的计算

根据下穿连霍高速公路箱型桥人工挖孔防护桩设计长度为21米，桩顶标高1471.29，开挖基坑底标高1450.29，基坑开挖深度最深为h=11.5m，挖孔桩中心距距既有连霍高速公路路肩距离为17.5m，按《铁路桥涵设计规范》附录A主动土压力计算土压力。

主动土压力公式（包括活载）：E=1/2γH2λB+γhολBο

其中：γ――土容量（KN/m3）,经现场土工试验得γ=18.5KN/m3。

H――计算土的厚度（m），H=21m

λ――主动土压力系数

λ=

因防护桩为垂直开挖，因此取θ=0,上式简化为

λ=

Φ――土的内摩擦角，经现场土工试验得φ=30

δ――防护桩与既有连霍高速公路填料之间的外摩擦角，根据《铁路桥涵设计规范》第4.2.2条，δ=φ/2=15

α――填土表面与水平面的夹角，α=arctg1/1.5=33.7°

B――计算宽度（m）,因挖孔桩间距为2.5m,取B=2.5m

h0――活载换算为当量均布土层厚度（m）,取h0=q/r+(cosθ×cosα)/cos(θ－α)

q――每单面斜面积上水平投影的活载压力强度（kpa）,取q=55.2kp

B0――活载计算宽度（m），取B0=1.5m。

基底以上主动土压力计算：

主动土压力系数计算：

λ=

=

=0.795

当 量土均布厚度计算：

H0=

①主动土压力计算

通过试算H为11.68m时土压力最大，则：

Ea=(γH2λB/2+γh0λB0)×cosδ

=(18.5×11.682×0.795×2.5/2+18.5×2.98×0.795×1.5)×cos15=2486.083KN

②土压力着力点计算

按《铁路桥涵设计规范》附录A土压力着力点至计算土层底面的距离。

C=11.68/3+2.98*2/（11.68*2+2.98*2）=4.097

③ 被动土压力计算

被 动土压力合力按Ep= 计算HP为被动土压力土层厚度，取HP=6.0m

被动土压力系数KP=

粘聚力c=130KPa

则:EP=0.5*18.5*6*6*3+2*130*6*1.73=3697.8KN

④弯矩计算

弯矩M=EaC-EpHp/3=2486.083*4.097-3697.8×6/3

=2789.882KN.m

⑤桩身抗弯矩验算

桩直径R=1.5m,截面面积为Ac=1766250mm2,混凝土采用C35，抗弯曲Fc=13.9KN/mm2,钢筋采用28φ22，截面面积为As=10638.32mm2,钢筋抗拉强度为Fs=290N/mm2,主筋所在圆周半径rt=650mm。

α为受压区混凝土截面面积的圆心角（弧度）与2π的比值；rt纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，当α＞0.75时，取αt=0。

α=(1.20+(sin2πα)/2π)/(1+3b)

b=As×Fs/(Fc×Ac)=10638.32×290/(1766250×13.9)=0.1257

代入上式，并用试算法求得α=0.55，则αt=1.2-2α=0.1

灌注桩所能承受的弯矩值：

M =

=

=5590+2005=7595KN·m＞2789.882KN·m ，满足要求。

⑥检算结果

安全系数K=7595KN·m/2789.882KN·m=2.72

根据计算可知，不配筋的情况下防护桩所承受的弯矩值为7595KN·m＞2789.882KN·m，满足要求。考虑桩身结构安全系数，适当配置构造筋可以满足结构要求，加强桩的抗剪及整体性。

3.框架桥纠偏处理效果和对策分析

3.1 处理的效果

由上述方案计算可知，框架桥箱涵预制安装十分准确，而且安装的顶力后背也未出现显著位移和损伤，为后期的顶进施工创造了良好条件。在处理框架桥箱身位置时，应该注重地基的处理，然后再进行顶进施工，以此保证施工中各项指标符合施工规范，也无结构性损伤。

3.2 预防“ 扎头” 的措施

通过上述对顶进纠偏问题的分析，可以采取以下措施进行施工，主要包括地质审核、施工防水、合理设计等，下面进行详细分析。

3.2.1 详细进行地质情况调查

在进行施工组织设计时，设计单位要详细分析相关地质质量，并实行地质、地貌勘察。如果滑床板下遇到松软土质，设计单位就要进行相关变更，并采取换填办法，避免箱涵顶进重心移出端位置出现（滑板）断裂、（箱体）前倾以及扎头等问题。

3.2.2 做好施工过程中的降水工作

在软土地段施工过程中，遇到松软地质或者高地下水位时，需要进行地下水位降低处理。另外，在软土地段进行施工，可以采用井点降水或者明沟排水处理，而且要始终进行，不可麻痹大意。施工人员依据以往施工经验，在软土地段采取桥涵方式进行施工，但是该方法由于降水效果不明显，所以容易导致顶进施工失败。如果该地段降水幅度降至（底板）0.5～1.0 m，就要带水顶进施工，以免造成路基塌方或者箱涵 “扎头”。

3.2.3 合理设计滑板仰坡和箱涵“船头坡”

在软土地段框架桥施工过程中，要进行预留滑板仰坡设计，其目的是应对“扎头”情况，防止箱涵与安装位置出现错位。目前，尚未比较合理、准确的坡度计算方法，只能依据施工土质进行简单的取值，一般为 3‰左右。在土质密实地段，施工人员要适当取土，一般取 3‰即可；在土质松软地段，由于含水量比较大，坡度相对较大，一般取 5‰即可；如果施工人员遇到“船头坡”，就要进行 1∶10 比例的坡度设计，而箱涵的设计长度、顶进大小，应该依据实际情况而定。如果施工过程中，对箱涵前部进行同坡度的钢刃角设计，就可以有效避免安装错位问题的出现。

4.结束语

综上所述，施工位置的不同土质会导致不同的内摩擦角，进而产生不同的摩阻力。另外，由于侧面摩阻力会形成箱涵夹持力，所以顶进高程会出现变化。其中，由于地下水位的高低会影响基底土壤中含水量的大小，并影响地基承载力的大小，所以施工过程中如果遇到含水量大的松软地层，就会出现箱涵脱离滑板，使其出现“扎头”的现象，这时就需要进行“扎头” 纠偏处理。本文通过相关的分析和计算，认为“扎头”纠偏措施主要有降水控制、预留滑板仰坡处理以及箱涵的“船头坡” 处理等。一旦出现“扎头”现象，就要运用“支顶刃角法”“换填法”“快凝混凝土渡板法”等，对“扎头”问题进行处理，并获得比较理想的方案。因此，本文研究可以为软土地段框架桥顶进防扎头控制及纠偏研究提供帮助。

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