在軟土地基中頂進框構橋扎頭的糾偏處理

韓立軍 上海鐵路局南京橋工段

1 工程概述

1.1 工程概況

鹽城市新建城市道路，等級為一級公路，設計行車速度80 km/h，需下穿新長鐵路。公路中心與鐵路斜交，法線夾角13.25°。橋址處鐵路為單線，填土高度為2～2.5 m。路基面寬度7.5 m。立交橋采用2-（13.95＋13.95）m鋼筋混凝土箱形框架結構，軸長8.5 m，兩側均設計有5 m的鋼筋混凝土翼墻。

1.2 地質情況

該段在地貌上屬于海積平原區，地貌類型單一。地面標高在1.5 m左右。地質自上而下為：1層—亞粘土，軟塑，1.5～0.75 m，σ=100 kPa；21層—亞粘土及淤泥質亞粘土，流塑，0.75～-12.75 m，σ=65 kPa，（橋基位于該層）；22層—亞砂土，軟塑，-15.75～-12.75 m，σ=90 kPa；3 層—亞砂土，軟塑，-24.05～-15.75，σ=120 kPa。地基采用高壓旋噴樁加固。

1.3 框架的施工情況

框架采用架設D24型便梁頂進法施工，便梁支墩采用在鐵路兩側設置φ1.2 m長30 m的鉆孔樁，用鋼筋混凝土蓋梁連接。

第一孔框架在完成地基加固并養護到期后頂進，頂進質量滿足規范要求，前后左右最大誤差僅30 mm。為了保證第二孔框架在頂進后能和前一孔標高處于同一水平，決定頂進時先將鋼筋混凝土滑床板向前延伸至線路中心線外2 m，再進行頂進施工。由于臨近春節，根據路局要求，春運前要施工完畢。在高壓旋噴樁齡期不足的情況下開挖頂進基坑，由于地基太軟頂進基坑開挖3次才勉強成功，隨即澆筑接長的鋼筋混凝土滑板，并養護7天，混凝土強度達到C25。第二孔在頂進過程中接長滑板出現裂縫，扎頭趨勢明顯，在還有5 m左右頂程時滑床板斷裂，不能繼續頂進，扎頭32 cm。扎頭后立即進行了糾偏處理，在框構范圍內前端澆筑了寬5 m、深1 m的鋼筋混凝土帶坡導向板，希望后期頂進框架能夠順導向板向上，達到糾偏的目的。砼強度達到標準后開始頂進，頂進過程中發生了靠近翼墻段處5 m長導向板斷裂并隨頂進向前推動。前口及翼墻側繼續扎頭，扎頭趨勢加快。為了保證線路安全，決定繼續頂進，直至把便梁支墩的鉆孔樁全部保護上為止，并回填三角區，經測量最大高差達1 m（帶翼墻處）。與前一孔相差太多，不能滿足要求。后經實地調查走訪，據當地老百姓反映該處原為河塘，地質情況發生了很大的變化。

2 糾偏方案的比選

根據現狀，為了確保給業主交付一個滿意的工程。經過討論共有三種方案可供選擇：①將第二孔框構鑿除，重新在原位現澆。②通過頂抬，使框構達到設計標高。③將框構回頂至滑床板，在進行地基處理后再次頂進。通過對方案的比選，考慮到企業的社會效益及影響。第一種方案不可行，第二、三種方案對企業的社會效益影響較小，但需要通過理論計算方可確定。

2.1 頂抬方案的計算

2.1.1 總體方案

在箱體四個角作深基礎支墩，主梁從箱身頂板下橫穿，主梁與頂板間加工字鋼橫向分配梁，主梁采用鋼便梁，支點處主梁下安裝工字鋼分配梁，支點處傳立柱采用鋼管柱，每個支承點處采用1臺500 t千斤頂頂抬。

2.1.2 支墩基礎受力計算

箱身自重按設計1 000 t計算，并同時考慮南側邊墻主動土壓力產生的摩擦力，按朗金主動土壓力公式計算：

主動土壓力系數ka=tg2(45°-φ/2)=tg2(45°-20°/2)=0.49

受力分析如圖1如示。

圖1 臺梁及支墩受力簡圖

通過計算：4個角最大反力為420.7 t，最小為213.75 t。

2.1.3 支墩樁基承載力檢算

鉆孔樁長度按26 m計算，樁基直徑150 cm，按照單排2根布置。

單樁承載力計算：

各土層的摩擦系數按表1中取值。

表1 各土層摩擦系數表

單樁承載力

樁周長U=πd=4.712 m，樁面積A=1.767 m2，鉆孔樁的清底細數m0取0.4，修正系數λ取0.7，樁尖處的極限承載力：

σR=2m0λσ0=2×0.4×0.7×260=145.6 kPa=14.56 t/m2

f=(∑Up·τp+AσR)=[3.142×1.5（9×25+3×45+8.3×45+5.7×70）+1.767×145.6）] /2=2795.8 kN=279.6 t

按支墩最大承載力計算需2根鉆孔樁，其允許承載力為2×279.6=559.2 t，安全系數為559.2/420.7=1.33。

2.1.4 主梁受力檢算

單側主梁采用兩根D16鋼便梁，箱身內用鋼管樁支承牢固，探出箱身外部分按懸臂梁計算，按最不利荷載進行檢算，如圖2所示。D16鋼便梁的截面模量Wx=13979.1 cm3，慣性矩Ix=611586.7 cm4。

圖2 臺梁及支承布置簡圖

通過對彎矩、彎曲強度、撓度檢算，需要3根主梁方可滿足需要。

2.2 回頂方案

2.2.1 回頂總體方案

加固便梁支墩，設置回頂后背梁，在回頂及正頂過程中進行糾偏。為此，采用將原整體斷裂、變形鋼筋混凝土滑板全部鑿除，并在框架邊墻對應位置各設置2根直徑1 m鉆孔樁，在樁頂用鋼筋混凝土梁連接，來承受回頂框架的壓力。對其他部分軟弱地基換填50 cm片石并在上面澆筑厚度50 cm整體C30鋼筋混凝土滑板，滑板與導梁形成整體，保證箱涵回頂時滑板的絕對穩定。南側導梁上設置10.3%上坡并與滑板坡度一致，北側導梁平坡，剩余部分滑板坡度設置平坡。混凝土達到強度后進行回頂。回頂完成后，在橋位處重新制作鋼筋混凝土基礎，基礎采用換填50 cm片石及50 cm鋼筋混凝土，鋼筋必須與鉆孔樁及加強滑板鋼筋連接，前端設置向上坡度。鋼筋混凝土強度達到要求后正頂到位。

2.2.2 頂力計算

（1）最大頂力計算

N1：頂部荷載取值為0；單側土壓力；RA：鋼刃角正面阻力，取 0；

箱身自重N2=400×2.5=1000 t

箱身底板與基底土的摩擦系數f2=0.75 ka=tg2(45°-20°÷2)=0.49

箱身一側單延米上的主動土壓力側面摩擦系數f3=0.75

最大頂進阻力P=1.3[1000×0.75+363.7×0.75] =1329 t

考慮箱體爬坡影響，K取1.3。

（2）按箱身自重計算頂力

綜合以上計算取最大頂力為P=1350 t

2.2.3 后背承載力計算

圖3 后背梁檢算示意圖

后背前荷載有：最大頂力P頂力、滑床板下至后背底的主動土壓力Ea前（忽略不計）；后背及其后荷載有：后背自重摩擦力F摩擦(忽略不計)、后背后土體被動土壓力Ep后，如圖3所示。

（1）后背及其后荷載

后背后土體被動土壓力強度

被動土壓力合計：

Pp合=16×Pp后=16×115.3=1844.8 t＞P=1350 t

后背土壓力未考慮土體粘結力，偏于保守。

（2）后背承載力安全系數

k=Pp后/Pp前=1844.8/1350=1.37

符合要求。

（3）穩定性檢算

后背被動土壓力的作用點在土壓力圖的形心處，鋼軌樁最低點取矩計算形心位置。

h=(Pp1h1/2×h1/3+Pp2h2×6.25/2)/Pp后=(22.5×6.25÷2×6.25÷3+7.2×6.25×6.25÷2)/115.3=2.49 m

抗傾覆穩定性檢算：f=Pp合×2.49/(P頂×3)=1.2

穩定性滿足要求。

2.2.4 滑床板單樁承載力計算

根據樁基承載力公式，鉆孔樁長度按28.6 m計算，樁基直徑100 cm，計算單樁承載力為219 t。

單位寬度的被動土壓力強度為

Pp1=1.8×6.25×2=22.5 t/m

Pp2=1.8×2.0×2=7.2 t/m

單位寬度的被動土壓力為

按此考慮，滑床板上需要5根鉆孔樁來保證在回頂時不扎頭。考慮滑板本身也分擔框架的部分壓力，根據現場情況，最后決定采用4根直徑100 cm長30 m的鉆孔樁。

2.3 方案的比選

通過上述的理論計算，第二、三方案在理論上均可滿足涵洞的糾偏需要。但考慮到現場的實際情況，第二方案中的頂梁主梁為D16 m便梁，便梁自重較大，D16型便梁單片主梁自重為7.412 t，在安裝時存在較大安全隱患；便梁本身還具有一定的預拱度，安裝時與箱身頂板的密貼有一定難度；箱內主梁的剛性支承較難解決，箱體能否滿足剛性支撐的受力條件需設計提供支持；第三方案中只需解決后背的基礎開挖及后背的回填即可。所以通過對三個方案的綜合比選，最終選定第三方案為該涵洞的糾偏處理方案。

3 處理的效果及建議

3.1 處理的效果

按照第三方案實施，箱涵順利回頂到位，頂力后背無位移、損傷等情況發生，為箱涵的二次頂進創造了條件。在箱身位置處進行地基處理后進行二次頂進，頂進質量良好，各項指標符合規范要求，結構無損傷。取得了一定的社會效益。

3.2 建議預防“扎頭”的措施

根據本項工程的頂進糾偏措施和處理的結果，建議在今后的同類工程施工中，應充分考慮預防箱涵頂進過程的“扎頭”的措施，要做到主動預防。

3.2.1 詳細核對地質情況

在編制施工組織設計時，在設計單位提供詳細地質資料的前提下，要進行實地地形地貌的詳細調查和走訪。滑床板下如遇松軟土質要請設計單位變更設計，如采取換填等辦法，以免滑板在箱涵頂進重心移出端部時造成滑板斷裂、箱體前傾、扎頭等。

3.2.2 作好施工降水

如遇地質松軟、地下水位高的情況，必須提出詳細的降低地下水的方法和措施。無論是采取輕型井點降水還是深井降水或是明溝排水，都要貫穿始終，不可在降水問題上麻痹。根據經驗，在軟弱地基高水位地區橋涵頂進的成敗很大程度上取決于降水效果。如果降水不能降至底板以下0.5～1.0 m，則帶水頂進會造成路基塌方和箱涵“扎頭”。

3.2.3 合理設計滑板仰坡和箱涵的“船頭坡”

預留滑板仰坡的目的是，在出現“扎頭”情況下，箱涵也能落到預期位置。如何確定合理的坡度，目前尚無具體計算方法，一般取3‰ 左右，主要視土質情況而定：土質密實且開挖得當，取3‰ 即可；土質松軟、含水量大，坡度應略微放大，一般為5‰左右。“船頭坡”一般采用1：10左右的坡度，具體情況也要考慮箱涵的長度、頂程的大小等因素。如果在箱涵前部再安裝同坡度的鋼刃角，效果會更好。

4 結束語

不同的土質由于內摩擦角不同其土壓力對箱涵周邊產生的摩阻力也不同，由側面摩阻力形成的對箱涵夾持力也直接影響頂進高程的變化；更重要的是基底土壤由于地下水位的高低，影響基底土壤含水量的大小，進而直接影響到地基承載力的大小。當遇到含水量大的松軟地層時，箱涵脫離滑板后就很容易發生“扎頭”的現象。上述糾正和預防箱涵“扎頭”的方法和措施，是總結了過去一些經驗教訓以及本次頂進橋涵糾正“扎頭”所采取的措施。總的來說要做到主動預防，如采取降水、預留滑板仰坡和作箱涵的“船頭坡”等措施。一旦出現扎頭時，則應根據實際情況靈活運用“支頂刃角法”、“換填法”、“快凝混凝土渡板法”等措施來解決“扎頭”問題。在今后的實踐中還需不斷摸索，不斷總結，創造更有效的技術。