基于FLAC3D大跨度箱涵頂進滑板工法研究

李　風　增　

（1.鄭州市公路管理局 鄭州市 450015；2.河南省交通科學技術研究院有限公司 鄭州市 450015）

基于FLAC3D大跨度箱涵頂進滑板工法研究

李風增1，2

（1.鄭州市公路管理局 鄭州市 450015；2.河南省交通科學技術研究院有限公司 鄭州市 450015）

淺覆土、超寬斷面、特長箱涵在下穿既有構筑物中應用越來越多，而有關其頂進滑板工法鮮有研究。對比分析國內外箱涵頂進技術研究現狀，結合某城市快速通道下穿既有高速公路分離式立交工程實例，簡述了箱涵頂進流程，分析了其在吃土頂進階段用頂管法鋪筑混凝土滑行軌道初始設計方案，提出了在箱涵頂板前端下挖土體、分段預澆筑全斷面早強快硬素混凝土滑板工法。通過建立FLAC3D計算模型，對工程實例中遇到的技術問題箱涵頂進滑行軌跡及基底土位移進行數值模擬分析，起到了信息化施工的作用，改進了原設計工法，保證了工程的進行。結果表明：軟弱地基土支撐上的超寬斷面超重箱涵頂進容易出現“扎頭”現象，滑行軌跡方案的確定必須科學、切實可行；頂進較大位移部位出現在箱涵中線左前方，與現場情況一致，采取了緊急調整道路縱坡的措施。

大跨度箱涵；頂進工藝；滑板；數值分析

箱涵作為一種特殊通道結構，已被廣泛應用于穿越鐵路、機場、市政道路、高速公路以及名勝古跡等構筑物的通道或立交工程中。隨著箱涵技術不斷發展，原有先開挖工作面、就地澆筑箱涵結構的施工工藝，已無法滿足繁重交通“連續不間斷”的基本要求，其設計跨度和長度也越來越大。國外箱涵頂進技術發展較早，最初較多應用于下穿既有鐵路和高速公路。1957年德國最早在奧芬堡市的鐵路線下，采用頂進技術［1］將寬2.5m、2.4m的盒式鋼筋混凝土框架施工就位。美國于1999年在波士頓修建的州際高速公路與火車南站交叉處通道，采用凍結法［2］將截面尺寸為25m×12m的3座預制箱涵頂入就位，其被稱為當時世界上截面最大、施工難度最為復雜的箱涵頂進施工，該工程的實施使美國處于箱涵頂進的頂峰。日本在箱涵頂進技術研究的也較早，并開發出了許多工法［3］。我國的箱涵頂進工法［4-6］始于上世紀60年代，最初也主要應用于下穿鐵路和普通公路，隨著技術的發展，在2000年之后開始廣泛應用于穿越名勝古跡、機場飛行跑道、市政道路等。1963年在北京永定門外修筑穿越京廣鐵路和京山鐵路立交橋工程，即采用頂進箱涵技術。1975年上海市軍工路下立交工程頂進25.8m× 19.4m×6.28m（長×寬×高）的三孔箱涵取得成功，1985年上海市真北路下立交工程分別頂進4個單孔箱涵，1998年南京玄武湖水底隧道穿越古城墻部分采用箱涵頂進工藝，箱涵尺寸為45m×24.6m ×9.25m（長×寬×高）。在下穿機場飛行跑道時要求飛機不停航，嚴格控制地面沉降（30mm），如北京首都國際機場飛機滑行道下穿越工程采用長管棚支護下箱涵頂進技術［7-9］，以及廈門機場立交工程在淺埋深（3.8～4.2m）、多管線、重交通量條件下，采用25.8 m大跨徑箱涵暗挖頂推工藝［10］；在穿越繁忙高速公路、市政道路時，要求不中斷交通，控制路面沉降和橫向位移、開裂，如在軟弱土層中超淺埋深大體積箱涵頂進施工［11-12］，以及鄭州市新鄭路下穿隴海鐵路平交改立交箱涵頂推工程［13］。上述已有成果中（見表1），不僅要求箱涵“頂得進”、“頂得準”，還要求“影響小”、“擾動少”，減小四周土體對箱涵頂進時的摩阻力。然而在地質條件復雜地區，尤其是在地下水位高、箱涵斷面寬、體積大、覆土埋深淺等影響因素下，考慮到基底土層承受箱涵自重、地基土等靜荷載以及地面車輛或飛機等動荷載，防止箱涵出現“抬頭”、“扎頭”等突發現象，箱涵必須設計在滑軌或滑板上被千斤頂推動前進，而滑行軌跡的研究就顯得尤為重要。

表1　管棚-箱涵頂進法典型實例［14］

1　工程概況

某城市快速通道下穿既有高速公路分離式立交由箱涵和U型槽兩部分組成，下穿部分為4孔、3節（17+18+17=52m）鋼筋混凝土箱涵（如圖1所示），道路軸線夾角66°，箱涵兩側用長456mU型槽與兩端路線連接。路線車道分為機動車道（上下行）和非機動車道（上下行），其中機動車道單向凈寬20.8m、凈空5m，非機動車道單向凈寬12m、凈空3.5m。

機動車道箱涵單節自重4500t、總計約27000t，其外輪廓尺寸寬23.4m、高9.3m；非機動車道箱涵單節2000t、總計約12000t，其外輪廓尺寸寬13.8m、高6.7m。箱涵跨度大（77.3m）、頂進深（52m）、覆土淺（1.2m），箱涵埋入地下6.6m，故采用中繼間法頂進施工，路面采用管棚、鋼網格刃腳分割土體支護技術，穩固掌子面。因箱涵底土層為松散細砂，而箱涵自重及上部荷載巨大，地基承載力有限，且地下水位較高（-1.23m），為提高箱涵基底土體承載力，保障箱涵的整體穩定性，防止其“抬頭”或“扎頭”，擬設計在箱涵底鋪筑混凝土滑板或頂進管涵、再鋪設滑軌，并對基坑及箱涵周圍采用井管降水。

2　箱涵頂進流程

按照設計先在高速公路兩側開挖工作坑、打設抗拔樁、施工滑板，澆筑抗滑地梁、擋墻及后背梁，施工U型槽；再施工鋼管滑軌、打管棚，施工進出口處混凝土門架，回填反壓土，施工支承樁，用型鋼頂住混凝土門架；同時預制左、右幅第一、第二、第三節箱涵，焊接鋼刃腳，施工鋼網格；焊接第一節、第二節箱涵尾鋼板搭板，安裝千斤頂及頂鐵；然后按照如下順序頂進箱涵［15］：

（1）第一節箱涵中繼間頂進一頂鎬后，回油縮頂；

（2）第二節箱涵中繼間頂進一頂鎬后，回油縮頂；

（3）第三節箱涵再頂進一頂鎬后，回油縮頂，頂前加頂鐵；

（4）重復（1）～（3）步驟，頂推至設計樁號。

3　箱涵滑行軌跡初始設計

預制箱涵滑行軌跡分為兩個階段：工作坑內階段和吃土頂進階段。工作坑內的滑板采用穩定的鋼筋混凝土板結構；離開工作坑后鋼網格刃腳吃土頂進，為避免箱涵底部直接與地基土接觸，造成粘結箱涵底板一起滑行，初始設計在箱涵底部預鋪滑行軌道。

3.1滑行軌跡方案

因箱涵采用“不開挖不斷行”頂推技術，頂進跨度大、進深長，且箱涵底部處于流塑狀的亞砂土、亞粘土、松散細砂土層中，基底土層承載力低、靈敏度高、擾動性大，箱涵頂進時容易出現“抬頭”、“扎頭”等沉降現象，故設計采用預設箱涵滑行軌道方案，即在箱涵頂進前在底部滑行軌跡上鋪設滑行軌道，軌道采用鋼管或型鋼混凝土。設計推薦兩種施工工藝：一種為盾構機法，采用微型盾構機施工Φ970鋼管；一種為頂管法，先頂進混凝土管涵，再鋪設型鋼混凝土。

3.2滑行軌跡初始設計

滑行軌道沿箱涵頂進方向布設在箱涵底板下，軌道西端與箱涵滑板聯接，東端出高速公路路基邊坡，軌道長76m，每節機動車道箱涵底部橫向鋪設3根滑行軌道，間距9.7m，中間1根滑行軌道位于該節箱涵底部中線；非機動車道箱涵底部橫向鋪設2根滑行軌道，每根均布在距該節箱涵底部中線5.0m處（如圖2所示）。采用微型盾構機施工Φ970×14（內徑×壁厚）鋼管，10根，全長520m，管內灌注混凝土，管頂與混凝土底板持平。采用頂管法施工Φ1500×150三級混凝土管涵，管涵中心與箱涵底板持平，頂進到位后，在管涵內鋪設3根I25工字鋼滑行軌道，并在管內澆注混凝土，混凝土頂部與箱涵底部平齊（如圖3所示），頂進時需先鑿除高出軌跡的混凝土管涵。

3.3滑行軌跡精度控制

微型盾構機施工精度要求控制在2cm內，頂管法施工應滿足頂管施工規范（《頂管施工技術及驗收規范》（試行）（2006年12月））要求，鋪設工字鋼精度控制在1cm內。兩種施工工藝設計時都要求提供穩固可靠的后背，采用行之有效的減阻措施，盡量減少對箱涵四周土體的擾動，避免砂土液化，防止箱涵頂進時偏離設計滑行軌跡。

經綜合考慮，建議將頂管法作為推薦方案。

4　滑軌頂管施工

4.1頂管準備及減阻措施

按照初始設計，滑軌施工采用鋼刃腳吃土、人工挖土、泥漿潤滑、2臺320t千斤頂頂進工藝。為減少對頂管周圍土體擾動影響，設計在管壁四周涂石蠟、頂至8m時用潤滑泥漿減阻等措施。

4.2頂進受阻

準備就緒后，于當日開始滑軌混凝土頂管施工，因頂管前端處于無塑限松散含細粒砂土層，擾動時“涌砂”“液化”現象嚴重，出現塌方，頂進阻力。在第四日頂進至38m進深時，最南側6#頂管壓力表讀數達到40MPa油管破裂，隨后更換為2臺500t千斤頂，油泵壓力表加至45MPa，仍無法頂進。南側4#頂管于第五日頂進至52m進深，用2臺500t千斤頂、油泵壓力表加至48MPa時，混凝土頂管被頂裂，同時根據實時監測數據，頂管上方高速公路路面發生較大沉降。頂管進深及高速公路路面沉降觀測量見表2。

表2　頂管進深及路面沉降觀測值

4.3原因分析

由于頂管處在無塑限細砂粒土層，前方土體在頂進時涌入管內，無法自然成拱，造成進深越大，頂進阻力越大，所需頂力更大，最終使得混凝土頂管被周圍細砂土緊緊抱死；同時由于原有勘察地質條件與現場實際施工情況不符，再加上長時間降水使得土體存在間隙，巨大頂力對原狀土形成嚴重擾動，前方砂土液化出現“涌砂”、塌方，致使頂管無法頂進。

5　滑軌頂管解決方案

（1）關于受阻頂管

經現場實地查看、綜合研究論證，決定由專業隊伍結合小導管注漿加固，通過小導洞施工貫通4#、6#頂管滑軌通道。

（2）其他頂管

對已經施工的北側1#、2#、3#頂管和南側的5#頂管，采取加設中繼間、細化施工工藝、加強路面沉降觀測等措施繼續頂進。

6　箱涵滑行軌跡數值模擬

6.1建立模型

采用FLAC3D程序對箱涵頂推過程中滑行軌跡水平位移進行數值模擬分析。計算模型選取200m ×200m平面、深度為路面以下40m，地層分三層：路基砂土層、粘土層以及下部砂土層，箱涵計算網格剖分采用四面體單元，計算模型四周立面以及底面均采用完全約束，箱涵推進方向為X軸（正向），豎直方向為Y軸（向上為正），水平面為XZ平面，箱涵結構、地基土及滑行軌跡均運用Mohr-Coulomb準則［16］。

6.2計算參數

為利于FLAC3D模型建立，取重力加速度10 m/s2，計算力學參數見表3：

表3　計算力學參數

6.3箱涵滑行軌跡數值模擬

通過建立FLAC3D數學模型，研究箱涵頂推過程中不同工況下滑行軌跡水平位移情況。以箱涵距離初始頂進入口處8m、36m和52m進深位置為模擬對象，對箱涵滑行軌跡及底基層土體水平位移分布情況進行分析。

綜上三種工況下箱涵滑行軌道及基底土層水平位移分布云圖（見圖4～圖6），分析如下：

（1）發生最大水平位移的區域位于箱涵頂進出口方向軸線左側，最小水平位移區域位于頂進入口方向軸線右側，且水平位移云圖基本成對角線分布。

（2）隨著箱涵緩慢頂進（8m→36m→52m），滑行軌道及基底土層水平位移也隨之增大，且軸線左側點位的位移較右側有增大趨勢，說明箱涵底部在千斤頂巨大頂力作用下，受力不均勻，可能發生“扎頭”現象。這一模擬結果與實際頂推中南側第一節箱涵出現“扎頭”現場相吻合。

（3）根據箱涵底板土壓力盒以及基底土層測點的實時監控數據，箱涵頂推到位后，滑行軌道及基底土層發生最大位移為8.3cm，最小位移為2.4cm。

6.4數值模擬結果應用

（1）加強信息化施工

用FLAC3D模擬箱涵頂進滑行軌道及基底土層位移變化，有利于采用先進技術手段或科學儀器，如加拿大RST測斜儀、全自動數據采集系統、高性能應力-應變傳感器、孔隙水壓力測試傳感器等，來全方位監測箱涵裂隙、姿態、結構內力、接觸壓力、后背墻變形、地下水位等變化，為工程信息化施工提供技術保障。

（2）促進滑板工法改進

FLAC3D模擬結果表明：原頂管法施工滑行軌道不能滿足箱涵自身及其上部動、靜荷載的作用。而頂管巨大頂力的擾動，使得路面出現9.9cm沉降，故在現場頂進時調整工法為：在箱涵鋼網格刃腳吃土頂進條件下，利用小型挖掘機清理鋼刃腳部位土體，并用化學漿液提前對開挖后的箱涵底部土體進行地基加固，然后分段（2～3m）預澆筑1.2m厚度的全斷面快硬早強混凝土滑板，以滿足箱涵頂進滑行軌跡強度要求。

（3）利于箱涵如期頂進

通過FLAC3D模擬箱涵頂程，縱使在承受千斤頂巨大頂力、軟弱地基土承載力、四周側土的摩阻力、上部覆土及路面“不間斷連續變化”車輛動荷載作用下，由于全斷面素混凝土滑板的及時澆筑，解決了箱涵頂進滑行軌跡的技術難題，保障了下穿立交主體完工。

7　結語

通過對箱涵頂進滑行軌跡設計方案的研究以及用 FLAC3D軟件對基底土體的水平位移數值模擬，結合現場箱涵頂進實際情況，分析可得：

（1）超寬斷面箱涵頂進中，滑行軌跡設計方案必須優先考慮。箱涵結構跨度為77.3 m超寬斷面、4孔12節鋼筋混凝土箱涵自重39000t，在以往的管棚-箱涵頂進工法中屬于超寬斷面大體積箱涵施工，必須對頂進處的水文及工程地質條件進行深入細致的詳勘，科學確定滑行軌跡設計方案。

（2）箱涵頂進過程中，路面檢測出現較大沉降。在箱涵沿X軸向頂程中（進深36～52m），第一節箱涵發生“扎頭”現場，且箱涵滑軌底部1.6m亞黏土、黏土層軟基處理不到位，以及高速公路日交通流量巨大，導致高速公路東半幅（箱涵出口端）路基發生較大沉陷，西半幅（箱涵頂入段）路基發生隆起，路面開裂嚴重，基底土隨箱涵頂進方向水平位移較大，此與箱涵頂進滑行軌跡及基底土水平位移分布云圖（圖4～圖6）模擬結果基本吻合。

（3）初始設計的頂管法施工鋪設滑行軌道方案，經檢驗無法滿足39000t超重箱涵頂進的需要。臨時調整為全斷面分段（2～3m）開挖鋪筑1.2m厚素混凝土滑板，雖然保障了箱涵正常頂進，但最終導致了南側第一節箱涵出現“扎頭”情況發生。若不考慮工期及雨季等制約因素，建議更換為50cm厚的鋼筋混凝土滑板，其下設25cm厚C30素混凝土墊層，以起到支撐、導向箱涵頂進的作用，防止產生不均勻沉降。

［1］ NGCW，LEE GTK.A three dimensional parametric study of the use of soil nail for stabilizing tunnel faces［J］.Computers and Geotectonics，2002（29）：673-697.

［2］ Goto，Yoshiaki，Yamashita，et al.Load distribution by joint in pipe beam roof［J］.Doboku Gakkai Rombun-Hokokushu/ Proceedings of the Japan Society of Civil Engineers，1984（344）：243-252.

［3］金子益雄，柴田一之，加藤建治.高速自動車道直下大斷面施工一大成田工事［J］.土木施工，2003，1（4）：2-10.

［4］宣劍鋒.管幕支護條件下大口徑箱涵頂進施工中關鍵技術研究［D］.上海：同濟大學，2006.

［5］ 上海隧道工程股份有限公司.軟土地下工程施工技術［M］.上海：華東理工大學出版社，2001.

［6］ 王國權，羅國煜，李曉昭，等.箱涵頂進工藝在玄武湖水底交通隧道方案中的應用［J］.探礦工程，1998（5）：50-51.

［7］ 蔣坤，夏才初，占偉明，等.長管棚下箱涵頂進施工中管棚力學作用及其實例分析［J］.土木工程學報，2010，43（2）：105-109.

［8］ 王少欽.首都國際機場箱涵頂進工程施工沉降控制研究［J］.路基工程，2008（4）：153-154.

［9］ 夏才初，龔建伍，陳佑新，等.滑行道下超長管棚-箱涵頂進地表沉降分析［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（4）：696-703.

［10］ 黃波.淺埋大跨徑箱涵暗挖頂推施工技術［J］.公路交通技術，2006，4（2）：94-98.

［11］ 井浩.箱涵頂進施工安全監測與控制技術研究［J］.地下空間與工程學報，2007，3（8）：1404-1407.

［12］ 邱峽.鄭州地區頂進箱涵施工中沉降變形控制措施［J］.施工技術，2009，38（10）：103-104.

［13］ 申志軍.鄭州新鄭路箱涵頂進施工技術［J］.隧道建設，2003，23（2）：34-35.

［14］ 張志新，劉元泉，張滿華.公路箱涵頂進施工新技術綜述術［J］.公路，2010（5）：51-53.

［15］ 饒為國.管棚-大斷面箱涵暗頂技術在下穿公路工程中的應用及分析［J］.土木工程學報，2008，41（4）：106-111.

［16］ 黃生根，張健，張曉煒.超大型箱涵頂進引起的地層位移規律研究［J］.巖土力學，2009，30（2）：388-392.

Based on FLAC3D Long-span Box Culvert Jacking Skateboard Method Research

LI Feng-zeng1，2
（1.Zhengzhou Highway Managing Bureau，Zhengzhou 450015，China；2.Henan Transportation Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 450015，China）

At present，the shallow overburden，wide cross-section box culvert underpass existing structures in more and more applications，but the slide on its jacking construction method has been reported rarely. Comparative analysis of domestic and international box culvert jacking technology research status，combined with a certain city in both the highway under separate fast-track interchange project example，the process of box culvert jacking was briefly introduced，It analyzed the slide track with concrete paving pipe jacking in the initial design stage jacking eating soil，proposed under the front roof box culvert excavation body segment pre-pouring the whole section fast hard early strength of plain concrete skateboard Method.By establishing FLAC3D model，a numerical simulation analysis of the technical problems encountered in engineering examples，the top of the box culvert and the displacement of base soil，played the role of information construction，Improved on the original design method，ensured the project.The results show：The phenomenon of"tie up"in the super wide cross section of the soft foundation soil is easy to appear，the determination of the scheme of the sliding path must be scientific and feasible；the top displacement of the top of the box appears in the center of the box，consistent with the scene，takes the measures of emergency adjustment of road grade.

Large span box culvert；Jacking technology；Skateboard；Numerical analysis

U449.82

B

1673-6052（2016）01-0009-06

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.003