淺覆土頂涵施工鋼盾構尺寸設計研究

周廣友，劉和風，吳璨程，段波濤，蒲衛衛

（1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙410075；2.湖北楚維工程咨詢監理有限責任公司，湖北 荊門448124；3.武漢光谷智造園開發投資有限公司，湖北 武漢430000）

0 引言

隨著我國經濟快速發展，基建產業也隨之迅猛發展。隨著公路、橋梁、隧道技術的日益成熟，框架橋頂進新建公路下穿既有公路或鐵路做法逐步得到廣泛應用。當頂進構筑物較大，而頂進構筑物上方覆蓋土層較薄時，下穿公路一般采用明挖法，但影響正常交通營運。管棚法和橋式托板盾構法雖普遍應用于頂推作業施工，但仍存在諸多缺陷，例如布設于上方覆蓋土層的管棚底部無法與頂進構筑物完全貼合，管棚下部土體極易塌陷，造成上部構筑物破壞。橋式托板盾構法的頂進長度有限，隨著頂進長度增加，滑板摩阻力也逐漸增大。除此之外，隨著摩阻力的增加，易造成無法補救的斷板現象[1-5]。

對于淺覆土下穿既有公路、鐵路的問題，箱涵頂進的施工方法被越來越多的學者認可并投入生產，利用千斤頂等預制好的箱涵頂入路基或地層中。羅鑫[6]根據施工工期、覆土厚度、施工場地、施工成本等制約因素的不同，提出可選擇采用直接頂進、直接頂進加輔助施工措施、箱涵頂進雙重置換及R&C施工技術等方法施工。王飛球[7]對頂進過程中土體受力規律進行研究，箱涵頂進時土體中應力大小應作為監測的一部分，實測的土壓力變化能反映箱涵從遠及近對橋臺土體產生的擠壓力。吳小萍等[8-11]結合有限元軟件與現場監測路面沉降規律對盾構施工路基沉降的影響進行研究。黃尚等[12-13]以實際工程為依托，對大跨度盾構施工工法進行研究與創新。章坤[14]通過模型試驗、數值模擬及現場實測，對淺覆土下穿鐵路大跨度框架橋盾構法箱涵頂進方案的優化進行研究。

對于箱涵結構受力特性，郭瑞等[15]研究表明在其他相同工況條件下，隨著摩阻系數增大，箱涵結構所受應力應變亦隨之增大，且摩阻系數越小涵頂覆土沉降越小。涵頂覆土厚度及其性狀對淺覆土特長箱涵頂進結構的應力與應變影響較大，涵頂覆土厚度越厚土體越密實，箱涵結構所受應力與應變越大。

本文基于下穿襄荊高速公路——439省道改建項目，對箱涵頂進時前部盾構鋼架外形尺寸、盾構自重、頂進路基土進行研究，推導出約束條件的簡易關系方程式，旨在快速為相似工程提供參考。

1 工程概況

439省道與襄荊高速交叉處采用左右幅分離的設計方案。左幅車道下穿處擬利用原襄荊高速公路。右幅斜交下穿二廣高速公路襄荊段，右偏角80°。新建鋼筋混凝土框架橋39m，框架頂板厚1.1m，底板厚1.2m，兩側板厚1.1m，上部填土厚1.55m。全橋分為3個節段，3節段間設中繼間（見圖1）。頂進施工時對襄荊高速進行臨時交通管制，半幅通車。

圖1 頂推示意

2 鋼盾構

在傳統頂涵施工的基礎上，于第1節框架前部裝配鋼盾構，其不僅作為掘進開挖的裝置，也是框架帶土頂進時掘進面與路基的支護，保證了開挖面的穩定，極大限度減少淺覆土下穿施工對高速公路路基的影響。如圖2所示，鋼盾構系統由盾構外架及盾構內架與若干子盾構組成，子盾構頂部設掘進刀。每次掘進過程先由子盾構開挖，再帶動整體鋼盾構及框架向前頂進，而子盾構的開挖則先由掘進刀完成。

圖2 鋼盾構

與混凝土材料相比，鋼材具有更高的屈服強度。在相同受力條件下，鋼結構構件的截面積要小得多，故而自重也會小很多。鋼材剛度較大，在頂推過程中不易變形，并且鋼結構制造簡便，施工工期短。對于框架前部盾構系統類臨時構筑物，選用鋼結構十分合適。

3 鋼盾構尺寸設置

施工過程中頂推頻率為每天1次，大部分時間鋼盾構支撐架作為支護體系發揮支撐土體維持公路路基坡比的作用，故可將靜止時的鋼盾構視為類扶壁式擋土墻，對其進行穩定性驗算推導出其尺寸要求。將該問題看作平面應變問題，將鋼盾構視為直角梯形，斜邊坡角為α，各項勻質，以垂直盾構方向取1延米計算，路基土為3層時的計算如圖3所示。其中鋼盾構上底和下底分別為a、b，高為h。高速公路車輛荷載為均布荷載q，3層路基土的厚度分別為h1、h2、h3，黏聚力分別為c1、c2、c3，內摩擦角分別為φ1、φ2、φ3，重度分別為γ1、γ2、γ3，路基土頂面水平。路基土對鋼盾構產生的主動土壓力為Ea，其與鋼盾構斜面夾角為δ，作用點距鋼盾構底部的垂直距離為1/3（h1+h2+h3）。采用庫倫土壓力計算各層主動土壓力，由于墻背與填土之間的摩擦角δ減小時，作用于墻背上的總主動土壓力增大，并且方向更趨向水平方向，對墻體穩定不利[16]。計算時取δ=0°，土壓力最小，為最不利狀態。淺覆土情況下，上覆土垂直土壓力較小，對整體結構重心的位置影響極小，并且在頂推框架較高時可以近似認為h1+h2+h3=h，則土壓力作用點距鋼盾構底部的垂直距離為h/3。

圖3 計算示意

對擋墻進行穩定性驗算時一般考慮抗滑移穩定性、抗傾覆穩定性與地基承載力驗算。而抗滑移穩定性驗算中的控制量為自重、主動土壓力和基底摩擦系數，與鋼盾構尺寸無關，此處不做計算。由于鋼盾構為臨時支護，隨著每次盾構的深入其位置均發生變化，在極短時間內不會對地基土產生破壞，故對地基承載力驗算不做考慮。

3.1 抗傾覆穩定性計算

對鋼盾構趾點A取矩，分別計算抗傾覆力矩與傾覆力矩。要求抗傾覆力矩大于等于傾覆力矩，由GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》取擋墻抗傾覆穩定系數為1.6。

計算工況為靜止狀態，故此時無千斤頂頂力，抗傾覆力矩為鋼盾構自重、嵌入鋼盾構土體自重及與鋼盾構相連的頂推框架自重產生，由于鋼盾構與頂推框架的重量遠大于土體自重，只考慮鋼盾構自重與頂推框架自重。考慮到頂推框架壓重的情況下抗傾覆穩定性會大大提升，故對最不利工況即只考慮鋼盾構自重的情況下進行驗算。鋼盾構自重為m鋼，其垂直頂推方向寬度為d。由于將鋼盾構視為直角梯形，各項勻質，則每延米的自重為：

抗傾覆力矩為：

在鋼盾構繞趾點轉動時，底部脫空，地基反力已不存在，所以傾覆力矩由主動土壓力產生，為便于計算將各土層產生的主動土壓力按豎直方向與水平方向進行分解為Eax和Eaz。

采用改進的庫倫土壓力計算有黏聚力和地面均布荷載的庫倫主動土壓力，該情況下的主動土壓力系數Ka為：

在該工況下，填土地面水平（即β=0°），且取δ為0°，則主動土壓力系數為：

聯立方程（1）～（8），即得到滿足穩定性要求的鋼盾構尺寸關系：

3.2 算例

以本次工程為實例，由JTG B01—2014《公路工程技術標準》，高速公路的汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，其車道均布荷載標準值為qk=10.5kN/m。襄荊高速為雙向4車道，施工時半幅通車故取q=2qk=21kN/m。鋼盾構的尺寸為上底a為9.10m，下底b為11.438m，高為8.5m，框架橋寬度d為18.04m（見圖4），斜面傾角α為74.62°。鋼盾構設計總重m鋼=352 165.9kg，取重力加速度為9.8m/s2，帶入（2）式得G=187 566.61kN。

圖4 鋼盾構正視圖（單位：cm）

頂推框架橋縱斷面如圖5所示，由勘察報告，從高速公路路面向下各土層參數如表1所示。

表1 路基土層參數

圖5 頂推框架橋縱斷面（單位：cm）

將各土層參數加權平均后得到高速公路路基土的加權黏聚力，加權內摩擦角以及加權重度，分別為cm=58.62kPa，φm=9.02°，γm=22.48kN/m3。將其與q帶入Kq和η的表達式，即可得到Kq=1.44，η=0.61。將已求得的α、φm、Kq、η帶入式（4），得到庫倫土壓力系數Ka=3.974。帶入式（5），主動土壓力Ea=3 227.25kN。

將此鋼盾構的尺寸參數a、b、h及求得的每延米鋼盾構自重G和主動土壓力Ea帶入式（9）不等號兩端。左邊等于-0.96，右邊等于0.028，不等式成立即驗證了式（9）的正確性。

4 結語

本文對淺覆土頂涵施工時鋼盾構的尺寸設計進行研究，推導出鋼盾構尺寸關系，其與鋼盾構自重與頂推既有公路、鐵路路基土對鋼盾構產生的主動土壓力有關，并建立鋼盾構外形尺寸、自重、主動土壓力簡易關系方程式，為頂涵施工鋼盾構制造與設計提供一定的參考價值。對于鋼盾構內鏤空情況及墩柱、橫梁的受力情況可進一步深入研究。