大斷面斜交箱涵架空頂進(jìn)施工力學(xué)研究

孫 杰， 黃泰烈， 王玉龍， 黃騰飛

(1.中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

0 引言

隨著城市發(fā)展，道路的立體交叉愈加普遍。部分后建道路或軌道工程穿越既有鐵道成為城市立體交通的常見(jiàn)形式之一。目前，穿越既有線路的立體交通形式主要有上跨式(橋梁等)及下穿式(箱涵等)。下穿式通道相較上穿式占地面積小、節(jié)約城市空間。因此，在城市中以下穿方式通過(guò)既有線路的工法備受青睞[1-4]。下穿式常見(jiàn)工法主要包括：盾構(gòu)法、淺埋暗挖法、頂管法、入土箱涵法、管幕法[5]。其中，入土箱涵法具有無(wú)需開(kāi)挖上覆土體、施工過(guò)程中不需中斷交通等優(yōu)勢(shì)，能夠最大限度地減少對(duì)既有地面交通的干擾[6-9]。

目前，入土箱涵法在城市下穿工程中得到了廣泛應(yīng)用，此方向研究也較為深入。但是隨著城市施工條件越來(lái)越復(fù)雜，箱涵入土施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題也更加復(fù)雜化，使得施工過(guò)程中面臨諸多困難[10]。一方面，大斷面的箱涵占比不斷上升，施工難度更高；另一方面，受路線影響，箱涵與既有路線存在斜交情況，施工中結(jié)構(gòu)受力更加復(fù)雜。為了保證此類大斷面、斜交箱涵入土工程的順利實(shí)施，其在施工過(guò)程中的力學(xué)行為仍然有待研究。

本文基于鄭州紫荊山路下穿既有鐵路線箱涵工程，探究箱涵在入土過(guò)程不同分段長(zhǎng)度、不同入土階段的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，給出大斷面、斜交箱涵的最佳分段長(zhǎng)度，研究結(jié)果以期為實(shí)際工程的修建提供借鑒。

1 工程概況

鄭州紫荊山路下穿既有鐵路線箱涵工程地處商業(yè)及居住中心，建筑密集、交通頻繁。區(qū)域內(nèi)包括多條城市主要道路，既有鐵路的線路走向?qū)δ媳狈较虻闹髀方煌ㄔ斐闪撕艽蟪潭鹊淖枞灾劣谠S多車輛需要繞行規(guī)避阻塞，這又進(jìn)一步加大了其它道路的交通壓力，造成該范圍交通系統(tǒng)任務(wù)繁重，并對(duì)該區(qū)域的發(fā)展帶來(lái)了不利影響。因此，緩解該區(qū)域的交通問(wèn)題極為迫切。

項(xiàng)目初步擬定采用下穿箱涵穿越既有鐵路線連通南北交通(見(jiàn)圖1)，設(shè)計(jì)箱涵橫截面尺寸為29.2 m×12.7 m，箱涵進(jìn)入土體方向與既有鐵路線呈38°交角。需穿越的既有線路為7股運(yùn)營(yíng)鐵路線，為保證鐵路及運(yùn)營(yíng)列車安全，可施工時(shí)間僅為每次不超過(guò)2 h的行車間隙。項(xiàng)目工期緊張、施工難度大，工程規(guī)模在國(guó)內(nèi)同類工程中也十分罕見(jiàn)，可參考資料和工程經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重匱乏。因此，為了保障工程的順利施工，擬通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)箱涵架空頂進(jìn)過(guò)程中的力學(xué)行為進(jìn)行研究。

圖1 箱涵工程位置示意

2 入土施工技術(shù)方案及模擬

2.1 箱涵入土技術(shù)方案

為保證所穿越既有鐵路及運(yùn)營(yíng)列車的安全，擬采用入土箱涵法下穿既有鐵路線?？紤]入土長(zhǎng)度較大，采用分段入土，管段較長(zhǎng)時(shí)，在管段間設(shè)置中繼間，并借助千斤頂逐段入土。相比于普通工法，該工法后背結(jié)構(gòu)只提供最后一節(jié)管段所需頂力，已入土管段以后序管段為后背結(jié)構(gòu)，依次有序入土。該工法具體步驟如圖2所示。

圖2 箱涵入土流程

2.2 箱涵入土施工數(shù)值模擬模型建立

箱涵橫截面尺寸如圖3所示。使用有限元軟件MIDAS建立模型分別對(duì)不同進(jìn)入土體階段的箱涵受力及地層變形進(jìn)行分析(見(jiàn)圖4)。模型中x、y、z方向分別為箱涵橫截面橫向、箱涵縱向、豎向。土體采用實(shí)體單元，選用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)。箱涵采用板單元，使用彈性本構(gòu)，具體材料參數(shù)見(jiàn)表1。此外，為研究箱涵管段分節(jié)的最優(yōu)長(zhǎng)度，分別針對(duì)18、26、36、55 m等4種長(zhǎng)度管段建立不同模型。

圖3 箱涵截面(單位： m)

圖4 模型網(wǎng)格劃分示意圖

表1 土體計(jì)算參數(shù)表材料分類土層厚度/m彈性模量/MPa泊松比容重/(kN·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)雜填土1.289.00.3320.00.046.0粉土15.312.30.3419.113.122.1粉土27.512.610.3419.014.222.1粉砂6.616.40.3119.34.424.3中砂11.032.10.302010.025.3粉質(zhì)黏土6.310.380.3219.421.18.9箱涵—32 0000.325——

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形分析

統(tǒng)計(jì)并繪制箱涵沉降的計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5為不同長(zhǎng)度箱涵在各施工步序下的豎向最大沉降變化規(guī)律。箱涵最終完全進(jìn)入土體階段沉降最大，18 m箱涵為30.49 mm，55 m箱涵為39.1 mm。由Y平面的投影可知，管涵施工過(guò)程中最大沉降隨著箱涵長(zhǎng)度的增加而增加，箱涵長(zhǎng)度位于18～26 m時(shí)，變化較快，之后變化趨勢(shì)較為緩和。由X平面的投影可知，豎向沉降基本隨施工步序線性增長(zhǎng)。

圖5 箱涵豎向最大沉降變化規(guī)律

箱涵豎向最大隆起的變化規(guī)律如圖6所示。1/2涵身進(jìn)入土體階段隆起最大，18 m箱涵為15.3 mm，55 m箱涵為18.4 mm。由Y平面的投影可知，管涵施工過(guò)程中最大隆起隨著箱涵長(zhǎng)度的增加而增加，基本呈線性增長(zhǎng)。由X平面的投影可知，施工對(duì)箱涵隆起的影響規(guī)律并不明顯，基本表現(xiàn)為在1/2箱涵進(jìn)入土體前，豎向沉降逐漸增大，1/2箱涵進(jìn)入土體后，隆起的量值逐漸減小?？傮w來(lái)講，各長(zhǎng)度箱涵均能滿足沉降要求[《城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定箱涵頂進(jìn)過(guò)程中其最大豎向沉降不超過(guò)150 mm(15 m≤L≤30 m)、300 mm(L>30 m)(L為單節(jié)箱涵長(zhǎng)度)]。

圖6 箱涵豎向最大隆起變化規(guī)律

受頂進(jìn)角度的影響，本項(xiàng)目箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)“半空頂狀態(tài)”。圖7為26 m箱涵1/2涵身進(jìn)入土體階段的豎向位移云圖，結(jié)構(gòu)的左側(cè)表現(xiàn)為隆起，右側(cè)表現(xiàn)為下沉。這種“半空頂狀態(tài)”使得涵身結(jié)構(gòu)受力不均衡，結(jié)構(gòu)的位移變形也更加復(fù)雜。為了研究施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的不均勻變形，對(duì)結(jié)構(gòu)頂進(jìn)前端A點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)尾端B點(diǎn)的位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖8)。

圖7 26 m箱涵1/2函身進(jìn)入土體階段的豎向位移云圖

圖8 不均勻變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖9為不同長(zhǎng)度管段的A點(diǎn)隨入土深度的位移變化。由圖9a可知，隨著入土深度增加，箱涵X向位移迅速減小后逐漸穩(wěn)定。這是由于箱涵剛?cè)胪習(xí)r，邊墻受到周圍土體擠壓，隨著入土深度增加，與頂板自重引起的擠壓作用相互抵消。對(duì)于不同長(zhǎng)度管段，A點(diǎn)X向位移變化規(guī)律基本相同，在數(shù)值上也較為接近，表明管段長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移影響不大。圖9b中Y向位移隨入土深度逐漸減小，這是由于箱涵入土頂力需要克服箱涵與周圍土體的摩阻力，入土越深需要克服的摩阻力越大，擠壓箱涵的力相應(yīng)越小，Y向位移也越小。此外，隨著管段長(zhǎng)度增大，Y向位移變化幅度也會(huì)變大，18、55 m管段其前后位移差值分別為2、4.1 mm，差值較為明顯，這表明管段長(zhǎng)度對(duì)Y向位移有顯著影響。圖9c中剛?cè)胪習(xí)r，A點(diǎn)Z向位移較大，這是由于箱涵入土后頂板立即受到上部荷載作用，隨著入土深度增加，上部荷載趨于穩(wěn)定，Z向位移也隨之穩(wěn)定。此外，不同長(zhǎng)度管段Z向位移隨入土深度變化規(guī)律基本相同，數(shù)值上存在較為明顯的差別，管段越長(zhǎng)相應(yīng)的Z向位移越大。

圖10為B點(diǎn)位移變化曲線圖。對(duì)于B點(diǎn)而言，X向位移隨入土深度逐漸減小，曲線斜率逐漸增加。這是由于B點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)后端，隨著入土深度增加，B點(diǎn)受到周圍土體的擠壓作用越來(lái)越明顯。隨著管段長(zhǎng)度增加，左右邊墻均向外側(cè)凸出，且兩側(cè)水平相對(duì)位移逐漸變大，這不利于頂進(jìn)過(guò)程入土方向的控制，甚至影響箱涵的頂進(jìn)就位。Y向位移隨入土深度逐漸減小，變化幅度隨箱涵長(zhǎng)度逐漸增大，與A點(diǎn)Y向位移變化一致。但是，B點(diǎn)Y向位移在數(shù)值上始終大于A點(diǎn)，這是由千斤頂頂力直接作用于后端底板所致。B點(diǎn)Z向位移入土前已經(jīng)出現(xiàn)沉降，入土后沉降迅速減小至隆起。隨著入土加深，隆起增大到一定值后又逐漸減小。這是由于箱涵結(jié)構(gòu)前端右側(cè)先進(jìn)入土體，并在上覆土體作用下出現(xiàn)沉降，而后端左側(cè)被動(dòng)翹起，隨著入土深度增加，后段翹起在上覆土體的作用下逐漸減小。參考A點(diǎn)Z向位移，管段越長(zhǎng)前后兩端Z向位移差距越大，在施工過(guò)程中很容易出現(xiàn)頂進(jìn)方向偏離或“叩首”等工程問(wèn)題，危及施工安全，這再一次說(shuō)明設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)著重考慮管段長(zhǎng)度的影響。

圖9 A點(diǎn)位移變化曲線

圖10 B點(diǎn)位移變化曲線

3.2 箱涵內(nèi)力分析

對(duì)不同長(zhǎng)度箱涵在各施工階段的受力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖11、圖12所示。由圖11可知，箱涵最大拉應(yīng)力隨著箱涵的長(zhǎng)度增加而增加，基本呈線性關(guān)系。18 m箱涵最大拉應(yīng)力為0.88 MPa，55 m為1.25 MPa。最大拉應(yīng)力隨施工步序逐漸增大，在1/2箱涵進(jìn)入土體后逐漸穩(wěn)定。由圖12可知，最大壓應(yīng)力呈現(xiàn)出和拉應(yīng)力相同的規(guī)律。箱涵最大壓應(yīng)力隨著箱涵的長(zhǎng)度增加而增加，基本呈線性關(guān)系。18m箱涵最大壓應(yīng)力為4.3 MPa，55 m為7.8MPa。最大壓應(yīng)力隨施工步逐漸增大，在1/2箱涵進(jìn)入土體后逐漸穩(wěn)定。

因此，從管節(jié)長(zhǎng)度方面而言，18～55 m管節(jié)受力均在材料的承受范圍之內(nèi)，但是隨著長(zhǎng)度增加，相應(yīng)的最大應(yīng)力量值會(huì)增加，結(jié)構(gòu)材料的成本也會(huì)增加，此外對(duì)施工頂推設(shè)備也會(huì)有更高的要求，但其結(jié)構(gòu)較為完整，防水及施工組織上會(huì)優(yōu)于短節(jié)段的箱涵。從施工步序角度來(lái)看，箱涵1/2涵身進(jìn)入土體前，應(yīng)力的變化幅值較大，此階段應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

圖11 箱涵最大拉應(yīng)力變化規(guī)律

圖12 箱涵最大壓應(yīng)力變化規(guī)律

4 結(jié)論

結(jié)合鄭州市紫荊山路下穿越既有鐵路線箱涵頂進(jìn)工程，通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同長(zhǎng)度、不同入土階段的箱涵受力變形特征，并得到如下結(jié)論：

1)管涵施工過(guò)程中沉降和隆起均隨著箱涵長(zhǎng)度的增加而增加。箱涵的豎向沉降隨施工步序線性增長(zhǎng)，隆起表現(xiàn)為在1/2箱涵進(jìn)入土體前，豎向沉降逐漸增大；1/2箱涵進(jìn)入土體后，隆起的量值逐漸減小。

2)受到頂進(jìn)角度的影響，本項(xiàng)目箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)“半空頂狀態(tài)”。X向位移均隨入土深度減小，但曲線斜率變化趨勢(shì)相反。A、B兩點(diǎn)Y向位移變化相同，由于千斤頂頂力直接作用的原因，B點(diǎn)位移在數(shù)值上較大。豎直方向上A點(diǎn)只產(chǎn)生沉降，B點(diǎn)先沉降后隆起，且結(jié)構(gòu)越長(zhǎng)A、B兩端位移差值越大，這很容易造成頂進(jìn)方向偏離或 “叩首”等工程問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)需合理選擇箱涵長(zhǎng)度，施工時(shí)要密切關(guān)注箱涵頂進(jìn)角度。

3)從管節(jié)長(zhǎng)度方面而言，18～55 m管節(jié)受力均在材料的承受范圍之內(nèi)，但隨著長(zhǎng)度增加，相應(yīng)的最大應(yīng)力量值會(huì)增加，結(jié)構(gòu)材料的成本也會(huì)增加，此外對(duì)施工頂推設(shè)備也會(huì)有更高的要求，但其結(jié)構(gòu)較為完整，防水及施工組織上會(huì)優(yōu)于短節(jié)段的箱涵。從施工步角度來(lái)看，箱涵1/2涵身進(jìn)入土體前，應(yīng)力的變化幅值較大，此階段應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

4)管涵長(zhǎng)度的選擇需重點(diǎn)考慮“叩首”問(wèn)題，此外，施工的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)需要放在箱涵1/2涵身進(jìn)入土體前階段。